Тема: ТИРИСТОРНАЯ СИСТЕМА ПИТАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ ВИБРАЦИОННОЙ УСТАНОВКИ С ИЗМЕНЯЕМОЙ ЧАСТОТОЙ КОЛЕБАНИЙ

Различают несколько способов возбуждения сейсмических волн. Один из способов позволяющих вызвать колебания грунта заключается в использовании падающего груза. Груз массой 1-3 тонны поднимается на высоту 2-10 метра и оттуда осуществляет свободное падение. Таким образом, источником сейсмических волн является потенциальная энергия груза.
Наиболее устоявшимся является взрывной метод, в котором сейсмические волны возникают за счет взрывов в скважинах. Взрывчатым веществом обычно являются газ или тротил. Однако возникает необходимость постоянной доставки взрывчатого вещества на место производимых работ. Требуется специальное оборудование для бурения скважин, что определяет его низкую производительность. Этот метод требует повышенной осторожности и не позволяет проводить работы в близи населенных пунктов, являясь не только опасным, но и разрушительным для окружающей среды.
Лучшими показателями с точки зрения геологической и экономической эффективности сейсморазведки обладают невзрывные методы.
Невзрывные сейсмоисточники бывают вибрационные и импульсные. Вибрационные подразделяются на вибраторы (непрерывного действия) и кодоимпульсные (дискретного действия).
В импульсном методе сейсмоисточник осуществляет кратковременные единичные воздействия на грунт. Сравнительно маломощные, по отношению с взрывами тротила, эти воздействия могут периодически повторятся. Накопление результатов отдельных воздействий и суммирование их при обработке сейсмического материала позволяет получить сейсмограммы, не уступающие по качеству сейсмограммам, полученным с помощью взрыва.
В вибрационном методе сейсмоисточник возбуждает в грунте гармонические колебания, частота которых изменяется по известному закону. Для получения сейсмограмм в вибрационном методе зарегистрированные сейсмоприемниками сигналы подвергаются специальной математической обработке.
В кодоимпульсном методе сейсмоисточник генерирует единичные воздействия на грунт, которые чередуются в определенной последовательности (коде). По сравнению с импульсными источниками у кодоимпульсных большая производительность работ, а у вибраторов - намного упрощеннее методы и время обработки сейсмограмм сокращено.
Важнейший элемент сейсмоисточника - возбудитель сейсмических колебаний, который определяет эксплуатационные и технические показатели сейсмоисточников. Среди разработанных возбудителей механических колебаний важное место занимают электромеханические преобразователи энергии (ЭМПЭ). К достоинствам электромеханических преобразователей можно отнести использование дешевого, доступного и легко управляемого вида энергии, простота конструкции, технологичность, высокие энергетические показатели, возможность регулирования рабочего процесса, удобства в эксплуатации. В сейсмоисточниках используются, как правило, импульсные двигатели возвратно-поступательного действия, требующие специальных систем питания.
Вибрационные сейсмоисточники, модель которого является предметом данной темы, создают гармоническое воздействие с частотой от 10 до 80 (иногда и выше, до сотен герц) с максимальным силовым усилием на грунт до 5 тонн-силы (иногда и более, до 50 тонн-силы). Преимущества вибрационных источников перед другими источниками сейсмических сигналов в значительной степени определяются точностью работы системы управления вибраторов. Теоретическая и элементная базы на данный момент позволяют создавать системы управления с высокой точностью.
Наиболее известные схемотехнические решения промышленных резонансных вибраторов с электромагнитными возбудителями, используемые в промышленности, имеют ряд недостатков. Известно, что наибольшего эффекта вибрационного воздействия можно достичь на резонансной частоте. Объект вибрационного воздействия является частью системы и влияет на величину резонансной частоты. Однако заранее никто не знает параметров нагрузки, поэтому для достижения резонанса необходимо настраивать систему прямо на месте проведения работ. Обычно это достигается изменением податливости пружин, что увеличивает время подготовки вибраторов. Еще к ряду недостатков можно отнести недолговечность пружинной части и изменение податливости пружин со временем, что снижает эффективность и усложняют эксплуатацию вибраторов, а так же существенно ограничивают расширение области их применения. Это относится, например, к случаям, когда требуется синфазная работа нескольких вибраторов на общую нагрузку, или оперативное и независимое изменение амплитуды и частоты колебаний.
Одним из путей решения задачи является создание колебательной системы с регулируемой резонансной частотой путем применения в ней упругого элемента с управляемой жесткостью. Предложено использовать такой упругий элемент в виде герметичной камеры, давление и объем воздуха в которой изменяются от объема закаченного в нее масла. При практической реализации этого предложения возникали сложные задачи с системой обеспечения закона подачи масла в камеру.
Принципиально новым и более простым в технической реализации решением может быть применение упругого элемента с регулируемой жесткостью в виде магнитной пружины (МП) [38]. В энергию магнитного поля упругого элемента полностью или частично периодически переходит кинетическая энергия. С помощью специальной системы питания (СП) в обмотках формируется ток необходимой формы. Таким образом происходит управляемый разворот по частоте в колебаниях вибратора.
В случае использования двухтактного электромагнитного привода возвратно-поступательного движения в качестве источника силы, он может взять на себя функции магнитной пружины, что позволит упростить конструкцию сейсмоисточника, сохранив ее эффективность. Разработка схемы питания и является темой данной работы.
Для описания работы рассмотрим конструктивную схему исследуемой вибрационной установки, которая приведена на рис.1.1. Его плита-излучатель массой m3установлена на грунте, параметры которого s3и £3. s3(Сопротивление грунта) является эквивалентом диссипации (потерь) энергии, которая уходит на создание сейсмических волн и потерями на его неупругие деформации под излучающей плитой при перемещении. Податливость £3 характеризуется упругими свойствами грунта. Пригруз опирается на плиту через податливость £2-3. Назначение пригруза - поджатие плиты силой веса P2gи обеспечение возможности безотрывнго режима работы от поверхности. Масса m2в реальной конструкции является массой транспортного средства системы вибратора. Части, которые жестко связаны с индукторными частями двигателя, дают массу m1. Масса якоря двигателя входит в массу m3, так как он жестко соединен с плитой. Масса mi опирается на плиту через пружины £1-3. С целью центрирования якорных и индукторных частей в них находятся подшипники скольжения. Потери в пружинах £1-3 и подшипниках при их работе указано на рис. 1.1 эквивалентной величиной s1-3.
Упругость £2-3 обладает большой податливостью и используется для статического прижатия излучающей плиты . В результате, резонансная частота для контура £2-з - т2 оказывается в несколько раз ниже рабочей частоты вибратора.
Работа сейсмоисточника заключается в следующем. От системы электропитания поочередно в верхнюю и нижнюю обмотки (рис.1.1) подают импульсы тока 1В и щ, которые приводят к возникновению магнитных потоков Фв и Фн. При поочередном появлении потоков электромагнит создает знакопеременные силовые воздействия между индуктором и якорем , что вызывает их относительные колебания. Через жестко соединенную излучающую плиту якорь передает на грунт знакопеременные силовые воздействия, возбуждая сейсмические волны. Амплитуда и частота воздействий, а значит и возбуждаемых волн, определяется частотой и амплитудой токовых импульсов, которые формируются системой электропитания в обмотках электромагнита. Упругие элементы £1-3 (связывающие индуктор с излучающей плитой), компенсируют вес индуктора и жестко связанных с ним частей и практически не влияют на динамику работы сейсмоисточника, для этого необходимо, чтобы резонансная частота была несколько меньше минимальной рабочей частоты. 
Интенсивное развитие сейсморазведки с применением невзрывных источников выдвинуло ряд исследовательских задач, решение которых необходимо для повышения эффективности сейсморазведки. Одной из перспективных проблем является динамический анализ взаимодействия источника и геологической среды, оценка энергетической эффективности источника с учетом типа полезных сейсмических волн.
Моделирование источник - геологическая среда затруднено в силу необходимости совместного расчета сложной контактной задачи колебаний заданной упругой среды и системы уравнений, описывающих источник. С целью упрощения теоретических расчетов и облегчения практического использования результатов используется метод конечномерной аппроксимации, позволяющий для конкретной модели грунта в заданном частотном диапазоне ввести приближенную операторную связь между амплитудой усилия, прилагаемого к поверхности среды, и движением (перемещением, скоростью и т.д.) точек грунта. Это позволяет, без ограничений точности, описать системой обыкновенных дифференциальных уравнений систему источник - геологическая среда. Для получения математической модели, позволяющей рассчитать систему в динамике, можно воспользоваться методом электромеханических аналогий [9]. Однако геологическая среда представляет собой сложную систему с распределенными параметрами и не рассматривается в данной работе, но определение динамики работы сейсмовибратора является не менее важной задачей, что и проделано в данной работе.

Купить

В данной работе была разработана система питания для электромагнитной вибрационной установки с регулируемой частотой. В результате чего был произведён расчет магнитной системы, выбор и расчет системы питания для электромагнитного вибрационной установки с регулируемой частотой, расчет мощности потерь установки. А так же проведено математическое моделирование.
В первой главе рассмотрено состояние вопроса, сформулированы цели и задачи работы, произведен обзор существующих вибрационных установок и их систем питания.
Во второй главе описана геометрия, осуществлен расчет и математическое моделирование (в программе Elcut) магнитной системы вибрационной установки. Произведен расчет мощности потерь в установке.
В третьей главе разработана и рассчитана силовая часть системы питания электромагнитной вибрационной установки с изменяемой частотой колебаний. Использование в системе питания тиристоров, современных IGBT транзисторов и реализация системой управления эффективных алгоритмов работы позволит обеспечить хорошую управляемость и стабильную работу установки при формировании им усилий необходимой формы, амплитуды и частоты.
В четвертой главе произведено математическое моделирование работы системы питания установки совместно с ее магнитной и механической системой.
Полученные результаты подтверждают возможность создания системы питания, где используется формирователь токов, построенный на силовых тиристорах. Таким образом, данная система питания имеет меньшую стоимость, чем аналогичная схема питания, разработанная в НИЛ-6 ТГУ, на полностью управляемых силовых приборах - IGBT-транзисторах.
В результате расчета параметров, по которым выбирали силовые тиристоры в формирователе токов, выяснилось, что при аналитическом расчете среднего тока через максимально загруженный тиристор с применением различных допущений, получены следующие результаты: средний ток имеет максимальное значение 787А на частоте f=53 Гц. А результаты расчета в математической модели среднего тока показали, что максимальный средний ток равен 698А на частоте f=68 Гц. Таким образом математическое моделирование позволяет получить более точный расчет параметров схемы, учитывающий все особенности формы тока, которые аналитически трудно произвести.
Результаты работы опубликованы на конференциях «Студенческие Дни науки в ТГУ» (Тольятти, 1-25 апреля 2016 года) [1] и конференции «Энергоэффективность и энергобезопасность производственных процессов» (Тольятти, 2016 год) [2].

Купить