ИМПУЛЬСНЫЙ ПРИВОД ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО СЕЙСМОИСТОЧНИКА
PULSED DRIVE OF ELECTROMAGNETIC SEISMIC SOURCE

Изобретение относится к области электромагнитных приводов, предназначенных для создания импульсных усилий в невзрывных источниках сейсмических сигналов, используемых при сейсморазведочных работах, и может применяться в других случаях, когда на рабочее тело необходимо создавать кратковременные силовые воздействия.
Известны схемы импульсных приводов, содержащие электромеханический преобразователь энергии с обмоткой возбуждения, конденсаторный накопитель энергии и коммутирующие приборы, формирующие импульс тока в обмотке возбуждения, например импульсный электромагнитный привод невзрывного сейсмоисточника (патент 2172496 РФ; Ивашин В.В., Певчев В.П.; приоритет 23.02.00; опубл. 27.07.01, Бюл. №23), принятый за аналог.
Недостатком привода является низкая эффективность работы, обусловленная низким значением коэффициента преобразования потребляемой приводом энергии в механическую энергию воздействия сейсмоисточника на грунт и уменьшением развиваемого электромагнитом усилия из-за тепловых потерь энергии в обмотке возбуждения, особенно при увеличенной длительности срабатывания сейсмоисточника.
Известен привод импульсного электромагнитного сейсмоисточника (Ивашин В.В. Импульсные электромагнитные сейсмоисточники: особенности и перспективы совершенствования /В.В.Ивашин, Н.А.Иванников // Приборы и системы разведочной геофизики. - Саратов: 2005. - №2. - с.9-13), принятый за прототип. Привод содержит обмотку возбуждения электромагнитного двигателя сейсмоисточника, подключенную к накопительному конденсатору через тиристор, и включенный параллельно обмотке возбуждения диод. Накопительный конденсатор заряжен от первичного источника энергии (электрогенератор, аккумулятор). Схема обеспечивает ввод энергии, запасенной в накопительном конденсаторе, в магнитное поле электромагнитного двигателя и последующее после разряда накопительного конденсатора до нуля шунтирование его обмотки возбуждения диодом. В течение непродолжительного шунтирования обмотки возбуждения диодом тепловые потери энергии в ней малы, и привод характеризуется величинами магнитного потока и развиваемой силы, близкими к постоянным.
Недостатками прототипа является низкая эффективность работы, обусловленная низким значением коэффициента преобразования потребляемой приводом энергии первичного источника в механическую энергию воздействия сейсмоисточника на грунт и уменьшением развиваемого электромагнитным двигателем усилия при увеличении длительности срабатывания сейсмоисточника.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является увеличение значения коэффициента преобразования потребляемой приводом электромагнитного сейсмоисточника энергии в механическую энергию воздействия сейсмоисточника на грунт и повышение эффективности сейсмоисточника.
Техническим результатом является увеличение усилия, развиваемого электромагнитным двигателем сейсмоисточника, на интервале шунтирования его обмотки возбуждения диодом, когда нет притока энергии от первичного источника в его магнитное поле, а также уменьшение площади сечения обмотки возбуждения.
Поставленная задача достигается тем, что импульсный привод электромагнитного сейсмоисточника, содержащий электромагнит с обмоткой возбуждения и накопительный конденсатор с зарядным устройством, подсоединенный через коммутирующие приборы к обмотке возбуждения, а также диод, включенный параллельно обмотке возбуждения, отличается тем, что последовательно с обмоткой возбуждения включен дроссель.
На фиг.1 изображена схема предлагаемого привода, на фиг.2 - временные диаграммы работы привода.
Импульсный привод электромагнитного сейсмоисточника (фиг.1) содержит электромагнит, состоящий из ферромагнитных якоря 1 и индуктора 2, в пазы которого помещена обмотка возбуждения 3. Обмотка возбуждения 3 через тиристор 4 и дроссель 5 подсоединена к накопительному конденсатору 6. Конденсатор 6 подключен к зарядному устройству 7. Параллельно цепи из обмотки возбуждения 3 и дросселя 5 включен диод 8 катодом в сторону катода тиристора 4. Тиристор 4 управляется устройством 9.
1
Привод работает следующим образом. В исходном состоянии конденсатор 6 заряжен от зарядного устройства 7 в указанной полярности. В момент времени t=0 устройством 9 подается отпирающий импульс на тиристор 4, и конденсатор 6 начинает разряжаться на дроссель 5 и обмотку 3. Ток в дросселе и обмотке увеличивается (кривая 10 на фиг.2). При этом пропорционально току увеличивается напряжение на активных сопротивлениях дросселя и обмотки (напряжение в сумме - кривая 11), а напряжения на конденсаторе (кривая 12) и на индуктивностях дросселя (кривая 13) и обмотки (кривая 14) уменьшаются. В момент времени t напряжение на конденсаторе 6 уменьшается настолько, что напряжение на диоде 8 становится отрицательным (напряжение на диоде меньше напряжения на конденсаторе на величину падения напряжения на открытом тиристоре), и диод открывается. Начиная с этого момента времени тиристор обесточивается и выключается, а ток обмотки и дросселя замыкается через диод.
2
2
На интервале 0-t электромагнит развивает механическую силу (кривая 15) притяжения якоря 1 к индуктору 2. При выборе зазора между якорем и индуктором в ходе их встречного движения совершается механическая работа, а индуктивность обмотки увеличивается, что приводит к уменьшению тока 10. Дополнительно ток обмотки уменьшается за счет рассеяния энергии на активных сопротивлениях дросселя и обмотки. В момент времени t полностью выбирается зазор между якорем и индуктором, и далее механическую силу электромагнит не развивает.
1
2
На интервале времени t-t в контур протекания тока 10 (обмотка 3, дроссель 5, диод 8) нет притока энергии извне, и часть запасенной в контуре энергии рассеивается на активном сопротивлении контура, не превращаясь в механическую работу:
R
где W - величина рассеиваемой в указанном контуре энергии;
i - ток в обмотке (кривая 10);
K
K
oв
др
R - активное сопротивление контура: R=R+R;
oв
R - активное сопротивление обмотки возбуждения;
дp
R - активное сопротивление дросселя.
1
1
2
1
2
Поэтому развиваемая электромагнитом сила не может оставаться постоянной, и при малом запасе энергии в дросселе 8 (или при его отсутствии) монотонно уменьшалась бы. При наличии дросселя 8 часть энергии, запасенной в нем к моменту времени t, при уменьшении на интервале времени t-t тока 10 от величины I до величины I трансформируется в энергию магнитного поля электромагнита;
дp
где W - величина энергии, трансформируемая в энергию магнитного поля электромагнита;
др
L - индуктивность дросселя 8.
1
дp
Таким образом, в преобразовании энергии магнитного поля в механическую энергию участвует больше энергии, чем ее запасено к моменту времени tв магнитном поле электромагнита, на величину энергии W.
1
2
др
R
2
1
Для достижения технического результата важно, чтобы на интервале времени t-t энергия, запасенная в дросселе, не рассеивалась значительно на активном сопротивлении дросселя (W>W). Для этого отношение величины индуктивности к величине активного сопротивления (постоянная времени) у дросселя должно быть больше, чем у обмотки электромагнита. При выполнении этого условия развиваемая электромагнитом сила 15 к моменту времени t может даже быть больше силы в момент времени t.
Проведены два варианта расчета процесса срабатывания импульсного электромагнитного сейсмоисточника "Енисей-СЭМ": с дросселем 5 и без него, при одинаковых величинах энергии, запасенной в конденсаторе 6. Расчеты показали возможность увеличения механической работы, совершаемой сейсмоисточником, на 1.5% при дополнении его схемы питания дросселем массой всего 2.5 кг при массе электромагнита более 500 кг.
2
R
дp
1
2
-3
Применение дросселя в приводе с большей, чем в рассмотренном случае, длительностью срабатывания (t>6*10с) принесет, по мнению авторов, еще больший эффект, так как при большей длительности срабатывания потери энергии (W) на активном сопротивлении обмотки возбуждения возрастают, и для их компенсации требуется больше энергии (W) добавлять в магнитное поле на интервале времени t-t.
Кроме того, при применении дросселя, включенного последовательно с обмоткой возбуждения, имеется возможность уменьшить площади сечения пазов под обмотку 3 на индукторе 1. При этом значение плотности тока в обмотке возбуждения увеличится, и возрастут потери энергии на ее активном сопротивлении, но они будут скомпенсированы притоком энергии в магнитное поле электромагнита из дросселя. Уменьшение площади сечения пазов на индукторе (и их ширины) при заданных габаритных размерах электромагнита позволит увеличить площадь полюсов и за счет этого увеличить механическую силу, дополнительно к описанному выше эффекту трансформации энергии дросселя в энергию магнитного поля электромагнита.