Способ генерации электрических квазигармонических колебаний в индуктивно-резистивной нагрузке

Изобретение относится к области электротехники и может быть использовано для питания током ультразвуковой частоты индукционных нагревателей, акустических излучателей или иных индуктивно-резистивных нагрузок, расположенных внутри нефтяных скважин. Заявлен способ генерации сигнала на базе полумостового преобразователя, в диагональ которого включен колебательный контур из последовательно включенных конденсатора и индуктивно-резистивной нагрузки. Способ базируется на поочередной коммутации силовых транзисторов полумоста, вследствие которой происходит преобразование энергии постоянного тока, поступающей от наземного источника питания, в квазигармонические колебания тока в нагрузке. Коммутация ключей происходит в близкой окрестности момента перехода тока нагрузки через 0: размыкание одного - накануне перехода, замыкание другого - после него. Гарантированная временная пауза между активными фазами преобразования сохраняется неизменной, минимально-необходимой для надежной работы силовых ключей. Это позволяет обеспечить режим максимальной мощности полезного сигнала при сохранении высокого кпд и умеренных требованиях к элементам силовой цепи преобразователя. Управление частотой выходного тока, необходимое для нагрузок в виде генератора акустической волны, осуществляется путем изменения полной индуктивности силового колебательного контура преобразователя. 2 ил.

 

Предлагаемое техническое решение относится к области электротехники и может быть использовано для питания индуктивно-резистивной нагрузки переменным током квазигармонической формы. Такой нагрузкой могут быть индукционные нагреватели обсадной трубы скважины с тяжелой высоковязкой нефтью или устройства ультразвукового акустического воздействия на нефтяной коллектор, которым требуется питание от близко расположенного генератора сигналом с частотой ~10⁴ Гц и мощностью ~10³ Вт [1]. Это указывает на необходимость разработки новых способов преобразования энергии и создания на этой основе компактных генераторов электрических колебаний, обладающих высокой энергетической эффективностью и надежностью работы в условиях нефтяной скважины.

Известен способ генерации электромагнитных колебаний, реализованный на основе полумостового преобразователя энергии [2], в котором осуществляется ключевой режим работы переключающих элементов. Его недостатком является ступенчатый характер напряжения на нагрузке, что нежелательно при генерации акустических волн из-за непроизводительных затрат энергии на возбуждение высших гармоник сигнала.

Известен способ генерации колебаний в полумостовом преобразователе, который описан в [3] и выбран в качестве прототипа. Здесь постоянное входное напряжение подается на два последовательно включенных переключающих элемента и симметричный емкостной делитель, переключающие элементы включаются поочередно с временной паузой Δt и передают энергию в колебательный контур, включенный между общими точками двух переключающих элементов и конденсаторов делителя, возбуждая в нем квазигармонические электромагнитные колебания. Коммутация переключающих элементов здесь производится в моменты нулевого тока в контуре, что позволяет существенно снизить коммутационные потери, увеличить к.п.д. и надежность преобразователя.

В прототипе осуществляется плавная регулировка и стабилизация напряжения выходного сигнала, достигаемая изменением частоты переключения транзисторов посредством принудительного регулирования временной паузы Δt между их рабочими импульсами. Это снижает среднюю мощность генерации, увеличивает требования к элементам силовой цепи, затрудняет ее размещение в погружаемой капсуле, что является недостатком прототипа. Другим недостатком является невозможность его использования для питания генератора ультразвуковых акустических волн, так как в этом случае от источника питания требуется квазигармонический сигнал с возможностью подстройки его частоты под рабочий акустический резонанс.

Техническим результатом предлагаемого способа является повышение мощности генератора электрических квазигармонических колебаний за счет сокращения временной паузы между рабочими импульсами и обеспечения управления частотой выходного сигнала посредством изменения полной индуктивности колебательного контура.

Сущность изобретения заключается в том, что в известном способе, когда постоянное напряжение подается на два последовательно включенных переключающих элемента и симметричный емкостной делитель напряжения, осуществляется поочередное включение переключающих элементов с временной паузой Δt и возбуждаются колебания в контуре, включенном между общими точками двух переключающих элементов и конденсаторов делителя, причем колебания возбуждают в резонансном режиме в контуре, состоящем из последовательно соединенных индуктивно-резистивной нагрузки и конденсатора, переключающие элементы поочередно выключают за время Δt₁ до момента перехода тока нагрузки через 0, а включают спустя время Δt₂ после перехода тока нагрузки через 0 при выполнении условия Δt₁ + Δt₂ ≥ Δt, временную паузу Δt фиксируют на уровне минимально-необходимого времени срабатывания переключающих элементов, а управляют частотой колебаний путем изменения полной индуктивности L контура в пределах

где С - емкость контура, ƒ₀ - номинальная частота, а - требуемый диапазон ее перестройки.

Индуктивность L в формуле (1) определяется суммой L=L₁+L₂, где L₁ - эквивалентная индуктивность нагрузки, L₂ - индуктивность катушки настройки. Емкость составляют емкости С₁ конденсатора колебательного контура и С₂ каждого из конденсаторов емкостного делителя напряжения. Ток в нагрузке носит квазигармонический характер. Резонансная круговая частота колебательного контура определяется следующим выражением

а формула (1) является его прямым следствием.

Варьируя индуктивность катушки настройки, можно осуществлять изменение частоты генерируемых электромагнитных колебаний. Оптимальное значение частоты генерации электромагнитных колебаний лежит в пределах (10-25) кГц.

Возможный вариант реализации предлагаемого технического решения поясняется схемой, представленной на фиг. 1, в которой приняты следующие обозначения: 1, 2 - переключающие элементы в виде силовых транзисторов со встречными диодами, 3 - емкостной делитель напряжения, 4 - колебательный контур из катушки 5 и конденсатора 6, 7 - датчик тока нагрузки, 8 - устройство управления силовыми транзисторами.

Ток i(t), - см. временную диаграмму фиг. 2, - протекая по первичной обмотке трансформатора датчика тока 7, формирует на выходе датчика тока напряжение u(t), которое действует на входе устройства управления 8. Сигнал преобразуется от аналоговых уровней переключения u₁ и u₂ к цифровому виду с логическими уровнями «0» и «1», - см. диаграмму U_CK на фиг. 2, - последний используется для формирования импульсов управления силовыми ключами 1 и 2. Таким образом, в предлагаемом способе осуществляется формирование в нагрузке квазигармонического тока с частотой, которую подстройкой индуктивности можно сделать равной частоте, обеспечивающей оптимальный (резонансный) режим преобразования электромагнитной энергии в энергию акустической волны.

Надежность реализации предлагаемого способа обусловлена существованием временной паузы Δt. Поскольку величина паузы регулируется надлежащим выбором уровней u₁ и u₂, она может быть сделана минимально необходимой, тогда мощность выходного электромагнитного сигнала преобразователя будет близка к максимально возможной.

Таким образом, заявленный способ генерации квазигармонических колебаний в индуктивно-резистивной нагрузке обеспечивает повышение полезной мощности и возможность управления их частотой при сохранении к.п.д. на уровне прототипа.

Источники информации:

1. Патент РФ на полезную модель №168526 «Формирователь температурного и акустического полей в скважине». Авт. Богданович Б.Ю. и др. Дата регистрации в Гос. реестре РФ 07.02.2017.

2. Б.Ю. Семенов. Силовая электроника для любителей и профессионалов. Солон-Р. М., 2001 г., 327 с.

3. S. Yang, G. Castino. Резонансный преобразователь мощностью 500 Вт с частотой 100 кГц на МОП-транзисторах. http://irf.ru/pdf/articles/AN-965.pdf, с. 328.

Способ генерации электрических квазигармонических колебаний в индуктивно-резистивной нагрузке, заключающийся в том, что подается постоянное напряжение на два последовательно включенных переключающих элемента и симметричный емкостной делитель напряжения, осуществляется поочередная коммутация переключающих элементов с временной паузой Δt, возбуждаются колебания в контуре, включенном между общими точками двух переключающих элементов и конденсаторов делителя, отличающийся тем, что возбуждают колебания в резонансном режиме в контуре в виде последовательно соединенных индуктивно-резистивной нагрузки и конденсатора, причем выключают переключающие элементы поочередно за время Δt₁ до момента перехода тока нагрузки через 0, а включают спустя время Δt₂ после перехода тока нагрузки через 0 при выполнении условия Δt₁+Δt₂≥Δt, временную паузу Δt фиксируют на уровне минимально-необходимого времени срабатывания переключающих элементов и управляют частотой колебаний путем изменения полной индуктивности L контура в пределах

,

где С - емкость контура, - номинальная частота, а - требуемый диапазон ее перестройки.