Импульсный индукционно-динамический привод

Изобретение относится к индукционно-динамическим приводам, применяемым для создания импульсных воздействий необходимой величины и длительности, в частности для использования в невзрывных источниках сейсмических волн. Технический результат заключается в снижении тепловых потерь и нагрева обмотки возбуждения индукционно-динамического двигателя и уменьшении длительности заднего фронта создаваемой двигателем силы. Импульсный индукционно-динамический привод содержит индукционно-динамический двигатель, к обмотке возбуждения которого через управляемый ключ присоединен емкостный накопитель с зарядным устройством. К выводам обмотки двигателя присоединены последовательно соединенные диод и резистор, параллельно к которому присоединен конденсатор. 2 ил.

 

Изобретение относится к индукционно-динамическим приводам, применяемым для создания импульсных воздействий необходимой величины и длительности в технологических устройствах общепромышленного назначения, например в электрических аппаратах, при штамповке и формовке деталей, прессовании, а также в импульсных сейсмоисточниках, в которых индукционно-динамический привод обеспечивает импульсное воздействие на грунт или воду с целью формирования в них сейсмических волн.

Известен принятый за аналог индукционно-динамический привод [Л.Н. Карпенко "Быстродействующие электродинамические отключающие устройства." (Изд-во "Энергия", Ленинградское отделение, 1973 г., стр.8-9, рис.156)], содержащий снабженный зарядным устройством емкостный накопитель энергии, управляемый ключ для разряда накопителя на обмотку возбуждения двигателя и присоединенный параллельно обмотке двигателя диод. Работает данное устройство следующим образом: предварительно заряженный от зарядного устройства емкостный накопитель через ключ разряжается на обмотку возбуждения двигателя. При прохождении тока через обмотку возбуждения двигатель создает электромагнитную силу, значение которой пропорционально квадратичному значению тока. В момент полного разряда емкостного накопителя напряжение на диоде изменяет знак, он открывается и ток, протекающий через обмотку двигателя, замыкается через диод. При этом ключ выключается и емкостный накопитель обесточивается, что обеспечивает уменьшение необходимой мощности зарядного устройства при последующем очередном заряде емкостного накопителя.

К недостаткам аналога относится значительное тепловыделение в обмотке при протекании по ней с момента включения диода экспоненциально уменьшающегося тока, что приводит к ее дополнительному нагреву. Привод по аналогу не обеспечивает возможности оперативного изменения длительности создаваемого механического импульса. Эти недостатки снижают технические характеристики привода и ограничивают возможности его применения.

Известно принятое за прототип техническое решение индукционно-динамического привода [Изобретение RU 2485614 C2, опубл. 20.06.2013], которое, как и аналог, содержит емкостный накопитель энергии с зарядным устройством, управляемый ключ для разряда емкости на обмотку возбуждения двигателя и присоединенный к выводам обмотки диод. В отличие от аналога емкостный накопитель выполнен из основной емкости и присоединенной к ней через диод дополнительной емкости. Такое решение позволяет расширить вершину тока в обмотке возбуждения и, соответственно, увеличить создаваемый приводом механический импульс, прикладываемый к технологической нагрузке якорем двигателя.

Однако, как и в аналоге, в течение периода времени, когда ток обмотки протекает через присоединенный к ее выводам диод, в обмотке выделяется в виде тепла значительная доля непреобразованной в механическую энергию магнитного поля обмотки. Кроме этого, протекающий по обмотке и диоду ток характеризуется значительной, в несколько раз превышающий длительность разряда емкостного накопителя на обмотку постоянной времени. В результате, после формирования силы в течение времени разряда емкостного накопителя, привод создает значительную экспоненциально уменьшающуюся силу.

Данные недостатки снижают технические характеристики привода и ограничивают возможности его применения.

Задача изобретения состоит в повышении технических характеристик импульсного индукционно-динамического привода и расширении области его применения.

Технический результат заключается в снижении тепловых потерь и нагрева обмотки возбуждения индукционно-динамического двигателя и уменьшении длительности заднего фронта создаваемой двигателем силы.

Предложенный импульсный индукционно-динамический привод содержит емкостный накопитель энергии с зарядным устройством, индукционно-динамический двигатель с обмоткой возбуждения и управляемый ключ для разряда емкостного накопителя на обмотку возбуждения. К выводам обмотки присоединены последовательно включенные диод и резистор с параллельно подсоединенным к нему конденсатором.

Технический результат достигается за счет того, что между выводами обмотки возбуждения присоединены последовательно включенные диод и резистор, параллельно которому присоединен конденсатор.

На фиг.1 приведена электрическая схема предложенного привода, а на фиг.2 - графики напряжения на обмотке возбуждения двигателя, тока обмотки возбуждения и создаваемой двигателем силы.

Импульсный привод содержит емкостный накопитель энергии 1 с зарядным устройством 2. Управляемый ключ 3 включен в цепь разряда емкостного накопителя на обмотку возбуждения 4 двигателя, которая помещена в пазу индуктора 5 индукционно-динамического двигателя, а якорь двигателя выполнен в виде прилегающей к плоскости обмотки 4 пластины 6 из материала высокой электропроводности. К выводам обмотки 4 через диод 7 присоединен резистор 8, параллельно которому включен конденсатор 9.

Работает привод следующим образом. Перед началом работы емкостный накопитель 1 (фиг.1) заряжается от зарядного устройства 2 до необходимого напряжения. При открытии в момент t₀ (фиг.2) от системы управления (на фиг.1 не показана) управляемого ключа 3 накопитель 1 за время t₁ разряжается на обмотку возбуждения 4 двигателя, что приводит к приложению к обмотке импульса напряжения 10, протеканию по обмотке импульса тока 11 (фиг.2) и созданию вокруг обмотки магнитного потока 12 (фиг 1). За счет экранирования магнитного потока электропроводящей пластиной 6 якоря, поток проходит через область прилегания якоря к обмотке и между обмоткой и якорем создается расталкивающая их электродинамическая сила 13 (фиг.1 и 2).

где i(t) - ток 11 обмотки возбуждения;

L_Э - эквивалентное значение индуктивности обмотки, зависящее от зазора между обмоткой и пластиной и коэффициента магнитной связи между ними.

Сила 13 имеет квадратичную зависимость от тока в обмотке. Из-за влияния активного сопротивления 14 обмотки ток 11 и, соответственно, сила 13 достигают максимального значения несколько раньше момента t₁ изменения знака напряжения 10 на обмотке 4.

С момента t₁ включения диода 7 и, соответственно, выключения управляемого ключа 3, ток 11 обмотки проходит через диод 7 и резистор 8 и уменьшается по близкому к экспоненциальному закону с постоянной времени τ.

где I₁ - ток в обмотке в момент t₁, a

В (3) L_Э - индуктивность обмотки, значение которой может быть принято постоянным, а , где r₁ - сопротивление обмотки 4, а r₂ - добавочного резистора 8.

Потери A_r в обмотке и резисторе пропорциональны квадратичному значению тока:

С учетом (3)

и, следовательно, потери A_r не зависят от величины добавочного сопротивления r₂ и равны энергии магнитного поля обмотки двигателя с индуктивностью L_Э при токе I₁ в момент t₁.

За счет включения последовательно с диодом 7 резистора 8 с сопротивлением r₂ общие потери A_r разделяются на потери A_r1 в сопротивлении r₁ обмотки и потери A_r2 в резисторе 8 в зависимости от значения Их относительные значения

В реальных технических решениях значение сопротивления r₂ может в 2-4 и более раз превышать значение r₁, т.е. n≈2÷4. При n=2 потери в обмотке уменьшаются до 1/3, а при n=4 - до 1/5 от потерь A_r, выделяемых в обмотке при n=0 (r₂=0).

Развиваемая двигателем сила Р пропорциональна квадратичному значению тока и может быть записана как

т.е. сила Р изменяется с постоянной времени

На фиг.2 для сравнения приведена сила 13, развиваемая двигателем с момента времени t₁ при значениях n=0 и n=2. В сравнении со случаем n=0 при n=2 задний фронт создаваемой силы 13 характеризуется более быстрым снижением силы, с постоянной времени τ/6.

При увеличении n снижается создаваемый с момента t₁ механический импульс N между индуктором 5 с обмоткой 4 и якорем двигателя 6. Его величина N пропорциональна интегральному значению создаваемой силы и уменьшается с увеличением τ.

Относительное значение механического импульса, характеризуемое отношением его значений при n≠0 и n=0:

которое аналогично соотношению (6) для определения относительного значения потерь в обмотке возбуждения двигателя.

Управляемый ключ 3 может быть выполнен с использованием одного или нескольких последовательно-параллельно соединенных (в зависимости от мощности привода) однооперационных или двухоперационных (выключаемых) тиристоров. Применение параллельно подключенного к добавочному сопротивлению 8 конденсатора 9 снижает коммутационные потери в тиристорах и повышает надежность их работы.

Таким образом, предложенное техническое решение импульсного индукционно-динамического привода обеспечивает достижение поставленной задачи за счет уменьшения тепловых потерь в обмотке возбуждения двигателя привода и уменьшения после момента выключения управляемого ключа создаваемого двигателем механического импульса силы.

Импульсный индукционно-динамический привод, содержащий индукционно-динамический двигатель, к обмотке возбуждения которого через управляемый ключ присоединен емкостной накопитель с зарядным устройством, отличающийся тем, что к выводам обмотки присоединены последовательно соединенные диод и резистор, параллельно к которому присоединен конденсатор.