Устройство для возбуждения сейсмических волн
Предлагаемое устройство относится к области сейсморазведки и предназначено для возбуждения сейсмических волн невзрывным сейсмоисточником с электромеханическим приводом. В предлагаемом устройстве основная и дополнительная обмотки возбуждения выполнены в виде обмоток возбуждения прямого и обратного хода рабочего органа излучателя. В устройстве введен коммутирующий конденсатор, который через первый коммутирующий тиристор подключен к обмотке возбуждения прямого и обратного хода рабочего органа и через второй коммутирующий тиристор - к обмотке возбуждения прямого и обратного хода рабочего органа, причем коммутирующий конденсатор зашунтирован последовательно включенными третьим диодом и третьей катушкой индуктивности. Технический результат: повышение к.п.д. и частоты повторения силовых воздействий и упрощение регулирования амплитуды и длительности возбуждаемых сейсмических волн. 3 ил.
Предлагаемое устройство относится к области сейсморазведки предназначено для возбуждения сейсмических волн.
Известно устройство для возбуждения сейсмических волн, содержащее ряд электромеханических излучателей с рабочими органами, накопительный конденсатор, дополнительный ключ и индивидуальный коммутирующий ключ [1]. Обмотки возбуждения излучателей последовательно через одну подключены к накопительному конденсатору, а выводы каждой из оставшихся обмоток соединены через индивидуальный коммутирующий ключ с блоком управления. Такое устройство имеет низкие к.п.д. и частоту возбуждения сейсмических волн. Низкий к.п.д. обусловлен большими потерями в электромеханических излучателях из-за отсутствия устройства для регулирования потребляемой энергии и невозможности обеспечения режима форсировки нарастания и гашения электромагнитного поля. Низкая частота повторения силовых воздействий обусловлена тем, что электромеханический излучатель одностороннего действия. При срабатывании устройства его рабочий орган возбуждает сейсмические волны при перемещении в одну сторону. При перемещении рабочего органа в другую сторону происходит холостой ход, на что затрачивается большое время.
Другим недостатком устройства является сложность регулирования амплитуды и длительности возбуждаемых сейсмических волн. Для регулирования необходимо изменять схему подключения обмоток излучателей.
Известно устройство для возбуждения сейсмических волн, содержащее электромеханический излучатель с обмотками возбуждения и рабочим органом (якорем), излучающую плиту, источник энергии, накопительный конденсатор, силовой тиристор и диод, последовательно соединенный с дополнительной катушкой индуктивности [2]. При включении силового тиристора накопительный конденсатор разряжается на обмотки возбуждения электромеханического излучателя, рабочий орган которого при этом осуществляет силовое воздействие на грунт, возбуждая тем самым сейсмические волны. После разряда конденсатор перезаряжается, силовой тиристор закрывается, а накопительный конденсатор вновь перезаряжается до исходной полярности. При этом излучающая плита, грунт и пригруз возвращаются в исходное положение. Недостатками этого устройства являются отсутствие устройства для регулирования амплитуды и длительности возбуждения сейсмических волн, низкие к.п.д. и частота возбуждения сейсмических волн. Низкий к.п.д. обусловлен отсутствием устройства для форсировки и гашения электромагнитного поля электромеханического излучателя и двухполярным режимом работы накопительного конденсатора по току и по напряжению.
Малая частота возбуждения сейсмических волн обусловлена, во-первых, большим временем перезаряда накопительного конденсатора, а во-вторых, тем, что электромеханический излучатель одностороннего действия, у него нет обмотки возбуждения обратного хода рабочего органа.
Повторное возбуждение сейсмических волн таким устройством возможно после возврата инерционной массы в первоначальное положение, на что также требуется много времени.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому является устройство для возбуждения сейсмических волн, содержащее электромеханический излучатель двухстороннего действия с основной и дополнительной обмотками возбуждения, два накопительных конденсатора, два силовых тиристора, два диода, две катушки индуктивности [3]. Первая катушка индуктивности через первый диод соединена с первым накопительным конденсатором, который через первый силовой тиристор подключен к основной обмотке возбуждения электромеханического излучателя. Вторая катушка индуктивности через второй диод соединена с вторым накопительным конденсатором, который через второй силовой тиристор подключен к дополнительной обмотке возбуждения. Оба конденсатора через соответствующие диод и катушку индуктивности подключены к источнику питания.
Недостатком устройства по прототипу (по а.с. №636570) является отсутствие устройства для регулирования амплитуды и длительности возбуждаемых сейсмических волн, что усложняет достижение такой цели. К другим недостаткам относятся низкие к.п.д. и частота возбуждения сейсмических волн. Низкий к.п.д. обусловлен тем, что устройство не обеспечивает режим форсировки нарастания и гашения электромагнитного поля электромеханического излучателя. Такие режимы, как известно [4], повышают к.п.д. С другой стороны, низкий к.п.д. обусловлен тем, что независимо от нагрузки электромеханического излучателя (будь то мягкий или жесткий грунт, т.е. будь то малая или большая нагрузка на излучатель) энергия, потребляемая им, постоянна. При этом накопительные конденсаторы работают в двухполярном режиме по напряжению и по току.
Низкая частота возбуждения сейсмических волн устройства по прототипу вызвана значительным временем затухания тока в основной и дополнительной обмотках возбуждения (отсутствием форсировки гашения поля электромеханического излучателя после возбуждения сейсмических волн) и большим временем, затрачиваемым на перезаряд накопительных конденсаторов до исходных полярности и величины напряжения.
Целью предлагаемого устройства является увеличение к.п.д., частоты возбуждения сейсмических волн и упрощение регулирования амплитуды и длительности возбуждаемых излучателем сейсмических волн.
Поставленная цель достигается тем, что основная и дополнительная обмотки возбуждения выполнены в виде обмоток возбуждения прямого и обратного хода рабочего органа излучателя, в устройство введен коммутирующий конденсатор, который через первый коммутирующий тиристор подключен к обмотке возбуждения прямого хода рабочего органа и через второй коммутирующий тиристор - к обмотке возбуждения обратного хода рабочего органа, причем коммутирующий конденсатор зашунтирован последовательно включенными третьим диодом и третьей катушкой индуктивности.
Авторам неизвестны технические решения, обладающие всей совокупностью отличительных признаков предлагаемого устройства, а именно в известных технических решениях отсутствуют заявляемые связи между элементами.
Предлагаемое устройство иллюстрируется чертежами: на фиг.1 изображено предлагаемое устройство для возбуждения сейсмических волн; на фиг.2 - кривые токов и напряжений на элементах устройства при его работе в режиме форсировки гашения электромагнитного поля электромеханического излучателя; на фиг.3 - кривые токов и напряжений на элементах устройства при его работе в режиме форсировки возбуждения и гашения электромагнитного поля электромеханического излучателя.
Предлагаемое устройство (фиг.1) состоит из источник питания 1, первого 2 и второго 3 накопительных конденсаторов, подключенных к источнику питания 1 через первую 4 и вторую 5 катушки индуктивности и первый 6 и второй 7 диоды соответственно. Первый накопительный конденсатор 2 через первый силовой тиристор 8 подключен к обмотке возбуждения 9 прямого хода электромеханического излучателя 10 с рабочим органом 11. Второй накопительный конденсатор 3 через второй силовой тиристор 12 подключен к обмотке возбуждения 13 обратного хода рабочего органа излучателя. Коммутирующий конденсатор 14 через первый коммутирующий тиристор 15 подключен к обмотке возбуждения 9 прямого хода рабочего органа и через второй коммутирующий тиристор 16 к обмотке возбуждения 13 обратного хода рабочего органа 11. Коммутирующий конденсатор 14 зашунтирован последовательно включенными катушкой индуктивности 17 и третьим диодом 18. Электромеханический излучатель 10 закреплен на излучающей плите 19, установленной на поверхности грунта. Рабочий орган 11 излучателя удерживается в крайних положениях демпферами 20.
На фиг.2 приведены кривые токов и напряжений на элементах устройства при прямом и обратном ходе якоря в режиме форсировки гашения электромагнитного поля электромеханического излучателя: 21 - ток в обмотках возбуждения 9, 13 прямого и обратного хода рабочего органа 11 излучателя 10; 22 - напряжение на коммутирующей емкости 14; 23 - напряжение на первом 2 и втором 3 накопительных конденсаторах; 24 - ток в катушке индуктивности 17.
На фиг.3 приведены кривые напряжений и токов на элементах устройства при перемещении рабочего органа в одно из двух крайних положений в режиме форсировки возбуждения и гашения электромагнитного поля электромеханического излучателя: 25 - ток в обмотке возбуждения 9 или 13; 26 - напряжение на коммутирующей емкости 14; 27 - напряжение на первом 2 или втором 3 накопительных конденсаторах; 28 - ток в катушке индуктивности 17.
Работает устройство в режиме форсировки гашения электромагнитного поля следующим образом. В исходном положении конденсаторы 2, 3, 14 заряжены полярностью, указанной на фиг.1 без скобок. Заряд конденсатора 2 осуществляется от источника питания 1 через последовательно включенные диоды 6 и катушку индуктивности 4, а конденсатор 3 - через диод 7 и катушку индуктивности 5. Первоначальный заряд конденсатора 14 осуществляется от источника 1, например, через активное сопротивление. Цепь заряда конденсатора 14 на фиг.1 не показана. Для возбуждения сейсмических волн в момент времени t0 от схемы уравнения (на фиг.1 не показана) подают отпирающий импульс на первый силовой тиристор 8. Тиристор 8 открывается и первый накопительный конденсатор 2 разряжается на обмотку возбуждения 9 прямого хода рабочего органа 11 электромеханического излучателя 10. При этом напряжение на конденсаторе 2 уменьшается (см. кривую 23), ток в обмотке возбуждения 9 нарастает (см. кривую 21). Рабочий орган (якорь) 11, ускоряясь, под действием электромагнитных сил перемещается в крайнее левое положение, отталкивая от корпуса излучателя 10, установленного неподвижно на излучающей плите 19. Электромагнитное усилие, действующее на рабочий орган 11 и корпус излучателя 10, через излучающую плиту 19 передается на грунт, возбуждая в нем сейсмические волны. В момент времени t1 включают первый коммутирующий тиристор 15. Тиристор 15 открывается, а к тиристору 8 прикладывается разность напряжений Δ U на конденсаторах 14 и 2, большая нуля. Тиристор 8 закрывается, конденсатор 2 отключается от обмотки возбуждения 9 и по цепи диода 6 и катушки индуктивности 4 заряжается от источника питания 1 за время t>t1 до исходного напряжения. После закрытия тиристора 8 ток обмотки возбуждения 9 перехватывается в цепь конденсатора 14 и тиристора 15, обеспечивая на интервале времени t1...t2 рекуперацию непреобразованной в механическую электромагнитной энергии электромеханического излучателя в электрическую энергию конденсатора 14. Поскольку емкость конденсатора 14 в 40-60 раз меньше емкости конденсатора 2, то рекуперация энергии в конденсатор меньшей емкости протекает в форсированном режиме, характеризующемся меньшими потерями и временем уменьшения тока в обмотке 9 до нуля. За время t1...t2 рекуперации энергии конденсатор 14 перезаряжается (полярностью, указанной в скобках). В момент времени t2 ток обмотки 9 становится равным нулю. Конденсатор 14 по цепи катушки индуктивности 17 и диода 18 за время t2...t3 перезаряжается до исходных полярности и напряжения. Если к моменту времени t=t3 накопительный конденсатор 3 окажется заряженным до исходного напряжения, то устройство при t≥ t3 готов к повторному возбуждению сейсмических волн. Для этого включают тиристор 12 и конденсатор 3 за время t4...t5 разряжается на обмотку 13 обратного хода рабочего органа 11 электромеханического излучателя 10. Напряжение U на конденсаторе 3 уменьшается (см. кривую 23). Ток в обмотке возбуждения 13 нарастает по закону, описываемому кривой 21, а рабочий орган 11 излучателя 10 под действием электромагнитных сил ускоряется влево до демпфера 20, создавая силовое воздействие на излучающую плиту 19 и на грунт, возбуждая тем самым сейсмические волны. В момент времени t5 процесс возбуждения сейсмических волн завершается, т.е. грунт сдеформирован. Для рекуперации (непреобразованной в механическую) энергии магнитной системы излучателя 10 в коммутирующую емкость 14 открывают второй коммутирующий тиристор 16. При этом разность напряжений Δ U на конденсаторах 14 и 3 &γτ; 0. Тиристор 12 закрывается, а ток обмотки возбуждения 13 при t=t5 перехватывается в цепь конденсатора 14 и тиристора 16. Конденсатор 3 от источника 1 через диод 7 и катушку индуктивности 5 за время t>t5 заряжается до исходного напряжения. На интервале времени t5...t6 конденсатор 14 перезаряжается, обеспечивая форсированный режим гашения электромагнитного поля излучателя 10 и рекуперацию непреобразованной энергии в конденсатор 14. В момент времени t6 ток обмотки возбуждения 13 становится равным нулю, процесс рекуперации заканчивается, после чего за время t6...t7 конденсатор 14 током, изменяющимся по закону, описываемому кривой 24, по цепи катушки индуктивности 17 и диода 18 перезаряжается до исходных полярности и напряжения. В момент времени t≥ t7 устройство для возбуждения сейсмических волн готово к повторному срабатыванию.
Регулирование амплитуды и длительности возбуждаемых сейсмических волн осуществляется изменением времени t0...t1 (фиг.2) от момента открытия силового тиристора 8 (12) и до момента его закрытия. Это время равно длительности разряда конденсатора 2 (3) на обмотку 9 (10). С увеличением этого времени накопительный конденсатор 2 (3) разряжается до большего напряжения. Энергия Wэ, потребляемая двигателем источника сейсмических волн из конденсатора 2 (3), при этом возрастает, что обуславливает увеличение амплитуды усилия
(х - перемещение рабочего органа двигателя), действующего источником на грунт, вызывающего его деформацию и возбуждение сейсмических волн. Естественно, увеличение времени t0...t1 приводит к увеличению длительности силового воздействия источником на грунт и в конечном итоге к увеличению длительности возбуждаемых сейсмоисточником сейсмических волн.
С уменьшением времени t0...t1 уменьшаются потребляемая источником энергия и развиваемое им усилие 
При этом уменьшаются длительность t0...t2 импульса тока в обмотках возбуждения двигателя, длительность силового воздействия источником на грунт и длительность возбуждаемых сейсмоисточником сейсмических волн.
Предлагаемое устройство работает и в режиме форсировки возбуждения и гашения электромагнитного поля. Такой режим работы возможен, если перед срабатыванием устройства напряжение на конденсаторе 14 будет выше напряжения на конденсаторе 2 (3). Для срабатывания устройства в момент времени t0 (фиг.3) открывают тиристор 15 (16). При этом на обмотку возбуждения 9 (13) разряжается коммутирующий конденсатор 14, напряжение на котором уменьшается (см. кривую 26). Поскольку емкость конденсатора 14 во много (в 20... 40) раз меньше емкости конденсатора 2 (3), а напряжение на нем выше напряжения на конденсаторах 2 и 3, то при разряде конденсатора 14 на обмотку возбуждения 9 (13) имеем высокочастотный контур, составленный из элементов 14 и 9 (13) устройства. Это обеспечивает быстрый ввод энергии из конденсатора 14 в магнитную систему электромеханического излучателя, быстрое нарастание тока (поля) (см. кривую 25) и электромагнитных усилий, развиваемых электромеханическим излучателем. При этом рабочий орган (якорь) под действием быстронарастающих электромагнитных усилий начинает перемещаться с большим ускорением, что способствует уменьшению времени трогания якоря и времени срабатывания двигателя и увеличению КПД энергопреобразования [4].
В момент времени t1, когда напряжение на конденсаторе 2 (3) становится больше напряжения на конденсаторе 14 на величину Δ U1, необходимую для запирания тиристора 15 (16), а якорь двигателя набрал скорость V0, открывают силовой тиристор 8 (12). При этом тиристор 15 (16) обратным напряжением Δ U1 закроется. Разряд конденсатора 2 (3) на обмотку возбуждения 9 (13) электромеханического излучателя, описываемый кривой 27 изменения напряжения на конденсаторе, обеспечивает на интервале времени t1...t2 эффективное преобразование электрической энергии конденсатора в механическую энергию сейсмоисточника путем поддержания тока (электромагнитного поля) на оптимальном уровне. Характер изменения тока на интервале времени t1...t2 зависит от емкости конденсатора 2 (3) и может увеличиваться, уменьшаться или оставаться постоянным (как это показано на фиг.3). Поскольку в момент времени t1 якорь 11 имеет некоторую начальную скорость V>0, то на отрезке времени t1...t2 якорь двигателя разгоняется до больших скоростей. Это улучшает энергопреобразование, увеличивает к.п.д. и развиваемое источником усилие на грунт, а также уменьшает время перемещения якоря на рабочем ходе, что способствует повышению частоты повторения силовых воздействий. При этом быстро нарастающее электромагнитное усилие, действующее на якорь 11 и корпус 10 излучателя, через излучающую плиту 19 передается на грунт, возбуждая в нем сейсмические волны.
В момент времени t2, когда необходимая часть энергии конденсатора 2 (3) преобразуется в механическую энергию излучателя 10 и в энергию сейсмических волн, конденсатор 2 (3) отключают от обмотки возбуждения 9 (13), обеспечивая форсировку гашения ее поля. Для этого в момент времени t2 открывают коммутирующий тиристор 15 (16). Разностью напряжений Δ U2 на конденсаторах 2 (3) и 14 тиристор 8 (12) закрывается. Конденсатор 2 (3) по цепи диода 6 (7) и катушки индуктивности 4 (5) заряжается от источника питания за время t>t2 до исходного напряжения. Оставшаяся энергия обмотки 9 (13) рекуперирует в конденсатор 14, перезаряжая его до напряжения, большего, чем напряжение на конденсаторе 2 (3) (см. кривую 26), и обеспечивая на интервале времени t2...t3 форсировку гашения поля двигателя сейсмоисточника. В момент времени t3 ток обмотки 9 (13) (см. кривую 25) становится равным нулю.
Конденсатор 14 по цепи катушки индуктивности 17 и диода 18 за время t3...t4 перезаряжается до исходных полярности и напряжения, необходимых при повторном срабатывании устройства для возбуждения упругих колебаний.
Следует отметить, что предлагаемое устройство остается работоспособным при условии, что индуктивность катушки 17 больше индуктивности обмотки возбуждения 9(13), то есть L9(13)≤L17.
Можно показать это теоретически: после отключения тиристора 8 (12) обмотка 9 (13) возбуждения с начальным током i01 подключается к цепям, состоящим из конденсатора 14 и тиристора 15 (16), катушки 17 индуктивности, диода 18.
В этом случае при начальном напряжении U0 на конденсаторе 14, равном нулю, имеем: напряжение U14 на конденсаторе 14 (С14) равно
где 
- частота;
C14 - величина конденсатора 14.
Ток i14 конденсатора 14 равен:
Напряжение на катушке 17 индуктивности и обмотке 9 (13) равно напряжению U14(t). Ток iL катушки индуктивности 17 равен
Ток i1 нагрузки 9(13) равен
Устройство (фиг.1) будет работоспособным, если при i1=0 (окончание процесса гашения поля) точки iL и i14, а также напряжение конденсатора 14 (U14) были отличны от нуля. Как только ток i1 станет равным нулю, тиристор 15 (16) закроется, а в конденсаторе 14 на интервале времени t2...t3 будет накапливаться энергия, соответствующая напряжению U14≠0. Время t2, при котором ток i1=0, определим из (4)
Откуда следует, что L17≥L9. При этом напряжение на конденсаторе 14
где 
- волновое сопротивление,
а его энергия 
при повторном срабатывании используется для форсировки возбуждения поля обмотки 9 (13). Из (6) также следует, что L9≤L17.
Таким образом, при L9≤L17 в предлагаемом устройстве нет необходимости в элементах, обеспечивающих подзарядку конденсатора 14 при последующих срабатываниях устройства для возбуждения упругих колебаний.
Выполнение основной и дополнительной обмоток возбуждения в виде обмоток возбуждения прямого и обратного хода рабочего органа излучателя, а также введение в устройство коммутирующего конденсатора, который через первый коммутирующий тиристор подключен к обмотке возбуждения прямого хода рабочего органа и через второй коммутирующий тиристор - к обмотке возбуждения обратного хода рабочего органа, шунтирование коммутирующего конденсатора последовательно включенным диодом и катушкой индуктивности выгодно отличает предлагаемое устройство от известного. Это позволяет обеспечить форсированный ввод и вывод электромагнитной энергии из накопителя в электромеханический излучатель, что дает увеличение КПД, а также частоты возбуждения сейсмических волн. Изменение времени t0...t1 разряда основного (накопительного) конденсатора 2 (3) на обмотку возбуждения 9 (10) при работе устройства в режиме форсировки гашения электромагнитного поля позволяет регулировать амплитуду и длительность возбуждаемых устройством сейсмических волн. При работе устройства в режиме форсировки возбуждения и гашения электромагнитного поля обмоток 9 (13) двигателя регулировка амплитуды и длительности возбуждаемых устройством сейсмических волн достигается изменением отрезка времени t1...t2 между запиранием тиристора 15 (16) и повторным его открытием. Это время равно времени разряда накопительного (основного) конденсатора 2 (3) на обмотку возбуждения.
ЛИТЕРАТУРА
1. Устройство для возбуждения сейсмических колебаний. А.с. №1046726. БИ №37, 1983 г.
2. Устройство для возбуждения сейсмических колебаний. А.с. №1038896. БИ №32, 1983 г.
3. Устройство для возбуждения упругих колебаний. А.с. №636570. БИ №45, 1978 г. (прототип)
4. Б.Е.Коц. Электромагниты постоянного тока с форсировкой. М.: Энергия, 1973 г.
Устройство для возбуждения сейсмических волн, содержащее электромеханический излучатель с рабочим органом, основной и дополнительной обмотками возбуждения, соединенными через первый и второй силовые тиристоры с первым и вторым накопительными конденсаторами, которые через первую и вторую катушки индуктивности и первый и второй диоды соединены с источником питания, отличающееся тем, что, основная и дополнительная обмотки возбуждения выполнены в виде обмоток возбуждения прямого и обратного хода рабочего органа излучателя, в устройство введен коммутирующий конденсатор, который через первый коммутирующий тиристор подключен к обмотке возбуждения прямого хода рабочего органа и через второй коммутирующий тиристор - к обмотке возбуждения обратного хода рабочего органа, причем коммутирующий конденсатор зашунтирован последовательно включенными третьим диодом и третьей катушкой индуктивности.
