устройство для заряда емкостного накопителя схемы питания электромагнитного привода сейсмоисточника

Формула изобретения

1. Устройство для заряда емкостного накопителя схемы питания электромагнитного привода сейсмоисточника, содержащее источник постоянного напряжения, емкостной накопитель энергии, схему управления ключами, мостовую схему коммутации, в первую диагональ которой присоединен конденсатор, а в плечи - управляемые ключи, первый вывод второй диагонали мостовой схемы соединен с первыми выводами источника постоянного напряжения и емкостного накопителя энергии, отличающееся тем, что второй вывод второй диагонали мостовой схемы соединен со вторым выводом источника постоянного напряжения, в каждую из образующих пару смежных плеч, присоединяемых ко второму выводу второй диагонали мостовой схемы, введена обмотка дросселя, последовательно соединенная с управляемым ключом, а их общие точки соединения соответственно через первый и второй ключевые приборы присоединены ко второму выводу емкостного накопителя энергии.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дроссели снабжены дополнительными обмотками, а первый и второй ключевые приборы соответственно подключены к общим точкам соединения обмоток дросселей и управляемых ключей через упомянутые дополнительные обмотки дросселей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к сейсморазведке, в частности к системам питания электромагнитного привода источников сейсмических колебаний.

Известен зарядный блок импульсного источника сейсмических сигналов, содержащий выпрямитель, ключевое устройство, емкостной накопитель энергии, схему управления, шунтирующие диоды и токоограничивающие индуктивности. (А.с. СССР №1383252, кл. G 01 V 1/157, 1988).

Недостатком данной схемы является ограниченность выходного напряжения на емкостном накопителе, которое не может быть выше амплитудного значения фазного напряжения питающей сети, а также ограниченность скорости заряда, поскольку в данной схеме частота зарядных импульсов соизмерима с частотой питающей сети.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству является устройство для заряда емкостного накопителя схемы питания источника сейсмических колебаний, содержащее источник постоянного напряжения, емкостной накопитель энергии, схему управления ключами, мостовую схему коммутации, в одну диагональ которой присоединен конденсатор, в плечи -управляемые ключи, первый вывод второй диагонали соединен с первым выводом источника постоянного напряжения и первым выводом емкостного накопителя, второй вывод второй диагонали присоединен ко второму выводу источника питания через обмотку дросселя и через ключевой прибор ко второму выводу емкостного накопителя (А.с. СССР №1140073, кл. G 01 V 1/157).

Недостатком прототипа является низкая эффективность работы зарядного устройства: большие пульсации тока, потребляемого из источника постоянного напряжения, приводят к повышенным потерям; прерывистая передача энергии в емкостной накопитель снижает технические характеристики устройства заряда.

Цель изобретения - повышение частоты работы и улучшение повторяемости выходных импульсов источника сейсмических колебаний путем увеличения эффективности работы устройства для заряда емкостного накопителя энергии.

Техническим результатом изобретения являются уменьшение пульсаций тока, потребляемого от источника постоянного напряжения, и тока заряда емкостного накопителя энергии, что приводит к снижению потерь в элементах устройства, уменьшению их загрузок импульсными токами, сокращению времени заряда и достижению более высокого уровня стабилизации напряжения на емкостном накопителе энергии.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для заряда емкостного накопителя схемы питания электромагнитного привода сейсмоисточника, содержащем источник постоянного напряжения, емкостной накопитель энергии, схему управления ключами, мостовую схему коммутации, в первую диагональ которой присоединен конденсатор, а в плечи - управляемые ключи, первый вывод второй диагонали мостовой схемы соединен с первыми выводами источника постоянного напряжения и емкостного накопителя энергии, второй вывод второй диагонали мостовой схемы соединен со вторым выводом источника постоянного напряжения, в каждую из образующих пару смежных плеч, присоединяемых ко второму выводу второй диагонали мостовой схемы, введена обмотка дросселя, последовательно соединенная с управляемым ключом, а их общие точки соединения соответственно через первый и второй ключевые приборы присоединены ко второму выводу емкостного накопителя энергии.

Возможно, выполнение устройства, в котором дроссели снабжены дополнительными обмотками, а первый и второй ключевые приборы соответственно подключены к общим точкам соединения обмоток дросселей и управляемых ключей через упомянутые дополнительные обмотки дросселей.

На фиг.1 показана электрическая схема предлагаемого устройства заряда емкостного накопителя; на фиг.2 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу устройства; на фиг.3 - модификация электрической схемы устройства заряда с дополнительными обмотками дросселей; на фиг.4 - временные диаграммы, иллюстрирующие работу схемы по фиг.3; на фиг 5 - вариант подключения устройства заряда к секционированному емкостному накопителю.

Устройство заряда емкостного накопителя схемы питания электромагнитного привода сейсмоисточника (фиг.1) содержит источник постоянного напряжения 1, соединенный с мостовой схемой коммутации, в первую диагональ которой присоединен конденсатор 2, в верхние смежные плечи включены обмотки дросселей 3 и 4 с управляемыми ключами 5 и 6, и управляемыми ключами, образующими нижние плечи 7 и 8. Общие точки соединения обмоток дросселей 3, 4 и управляемых ключей 5, 6 соответственно через первый ключевой прибор 9 и второй ключевой прибор 10 присоединены ко второму выводу емкостного накопителя 11, первый вывод которого соединен с первым выводом источника постоянного напряжения и общей точкой соединения управляемых ключей 7 и 8, образующих первый вывод второй диагонали мостовой схемы. Коммутация управляемых ключей производится схемой управления 12. Емкостной накопитель 11 подключен к источнику сейсмических колебаний 13 со схемой разряда.

На фиг.2 обозначены: ось 14 - график тока обмотки дросселя 3; ось 15 - график тока обмотки дросселя 4; ось 16 - график зарядного тока емкостного накопителя 11; ось 17 - график напряжения конденсатора 2; ось 18 - график напряжения емкостного накопителя; ось 19 - график тока потребляемого от источника постоянного напряжения 1.

Устройство заряда емкостного накопителя работает следующим образом.

В исходном состоянии емкостной накопитель 11 заряжен до требуемого напряжения (ось 17 на фиг.2), превышающего напряжение источника питания 1, конденсатор 2 заряжен до напряжения емкостного накопителя 11 в полярности, показанной на фиг.1, управляемые ключи 5, 6, 7, 8 (например, тиристоры) выключены, ключевые приборы 9 и 10 (например, диоды) выключены отрицательным напряжением, равным разности напряжений на емкостном накопителе 11 и источнике постоянного напряжения 1. Далее в момент времени ₀ сигнал со схемы управления 12, поступающий на пару тиристоров противоположных плеч мостовой схемы, например тиристоры 5 и 7, включает их. По цепи источник постоянного напряжения 1 - обмотка дросселя 3 - тиристор 5 - конденсатор 2 - тиристор 7 - источник постоянного напряжения 1 начинает протекать ток (ось 14), перезаряжающий конденсатор 2 в полярности, противоположной показанной на фиг.1. В течение процесса перезаряда конденсатора 2 в обмотке дросселя 3 запасается электромагнитная энергия. В момент t₁ напряжение конденсатора 2 (ось 18) становится равным напряжению источника питания 1, значение тока, протекающего через обмотку дросселя 3, максимально. По достижении напряжением конденсатора 2 величины напряжения на емкостном накопителе 11 (момент времени t₂) диод 9 включается. Ток обмотки дросселя 3 перехватывается через диод 9 в цепь емкостного накопителя 11, подзаряжая его. Энергия, запасенная в магнитном поле дросселя 3, сбрасывается в емкостной накопитель 11. Далее в момент времени t₃, сигнал со схемы управления 12 включает другую пару тиристоров противоположных плеч мостовой схемы - тиристоры 6 и 8 (момент t₃ аналогичен моменту t₀ для тиристоров 5 и 7). По цепи источник постоянного напряжения 1 - обмотка дросселя 4 - тиристор 6 - конденсатор 2 - тиристор 8 - источник постоянного напряжения 1 начинает протекать ток (ось 15), перезаряжая конденсатор 2 в полярности, показанной на фиг.1. В течение процесса перезаряда конденсатора 2 в обмотке дросселя 4 запасается электромагнитная энергия. В момент t₄ напряжение конденсатора 2 становится равным напряжению источника питания 1, значение тока, протекающего через обмотку дросселя 4 максимально (момент t₄ аналогичен моменту t₁ для тока обмотки дросселя 3). По достижении напряжением конденсатора 2 величины напряжения на емкостном накопителе 11 (момент времени t₅) включается диод 10. Ток обмотки дросселя 4 перехватывается через диод 10 в цепь емкостного накопителя 11, подзаряжая его. Энергия, запасенная в магнитном поле дросселя 4, сбрасывается в емкостной накопитель 11. Далее процессы в схеме повторяются. По достижении напряжением емкостного накопителя требуемого значения сигналы со схемы управления 12 блокируются, запрещая работу мостовой схемы коммутации. Процесс заряда емкостного накопителя 11 прекращается.

При включении сейсмоисточника 13 емкостной накопитель 11 разряжается. В случае разряда емкостного накопителя 11 до напряжения меньшего величины напряжения источника питания 1, при использовании в качестве ключевых приборов 9 и 10 диодов, возможно их включение и резонансный заряд емкостного накопителя 11 от источника питания 1 через дроссели 3, 4 и ключевые приборы (диоды) 9, 10 на фазе разряда накопителя на нагрузку. Для исключения резонансного заряда емкостного накопителя 11 на фазе разряда последнего на нагрузку ключевые приборы 9 и 10 могут быть выполнены управляемыми (фиг.3). Алгоритм коммутации управляемых ключей 5, 6, 7, 8 сохраняется, коммутация ключей 9 и 10 в исходном состоянии, в моменты времени t₂, t₄ и далее осуществляется схемой управления. В момент достижения напряжения на емкостном накопителе требуемого значения сигналы со схемы управления 12 выключают управляемые ключи мостовой схемы коммутации 5, 6, 7, 8 и выключают ключи 9 и 10, запрещая работу устройства заряда в цикле разряда емкостного накопителя 11.

В ходе работы устройства заряда в очередной момент включения пары управляемых ключей противоположных плеч мостовой схемы коммутации (5, 7 или 6, 8) к ним прикладывается прямое напряжение, равное сумме напряжений источника питания 1 и конденсатора 2. Перезаряд конденсатора 2 в каждом цикле коммутации ключей производится до величины напряжения емкостного накопителя 11, значение которого в конце процесса заряда может значительно превышать напряжение источника питания 1. Это приводит к необходимости использования в мостовой схеме коммутации приборов с классом по напряжению, превышающим уровень напряжения источника питания 1. Для снижения величины напряжения на конденсаторе 2 в конце каждого цикла перезаряда дроссели 3, 4 могут быть снабжены дополнительными обмотками, как показано на фиг.3. Ключевые приборы 9 и 10 соответственно подключаются к общим точкам соединения обмоток дросселей 3, 4 и управляемых ключей 5, 6 через упомянутые дополнительные обмотки дросселей.

На фиг.4 обозначены: ось 20 - график тока обмоток дросселя 3; ось 21 - график тока обмоток дросселя 4; ось 22 - график зарядного тока емкостного накопителя 11; ось 23 - график напряжения конденсатора 2; ось 24 - график напряжения емкостного накопителя; ось 25 - график тока потребляемого от источника постоянного напряжения 1.

Устройство заряда емкостного накопителя (фиг.3) с дополнительными обмотками дросселей 3, 4 и управляемыми ключевыми приборами 9, 10 работает следующим образом.

В исходном состоянии емкостной накопитель 11 заряжен до требуемого значения напряжения (ось 23 на фиг.4), равного или превышающего напряжение источника питания 1, конденсатор 2 заряжен до напряжения емкостного накопителя 11 в полярности, показанной на фиг.3, управляемые ключи 5, 6, 7, 8 и ключевые приборы 9, 10 выключены. Далее в момент времени t₀ сигнал со схемы управления 12, поступающий на пару управляемых ключей противоположных плеч мостовой схемы, например ключи 5 и 7, включает их. По цепи источник постоянного напряжения 1 - основная обмотка дросселя 3 - управляемый ключ 5 - конденсатор 2 - управляемый ключ 7 - источник постоянного напряжения 1 начинает протекать ток (ось 20), перезаряжающий конденсатор 2 в полярности, противоположной показанной на фиг.3. В течение процесса перезаряда конденсатора 2 (ось 24) в основной обмотке дросселя 3 запасается электромагнитная энергия, на дополнительной обмотке дросселя 3 появляется напряжение, обусловленное влиянием эдс взаимной индукции. В момент t₁ значение тока, протекающего через обмотку дросселя 3, максимально. Напряжение на перезаряжающемся конденсаторе 2 суммируется с напряжением на дополнительной обмотке дросселя 3. По достижении этой суммы напряжений величины, равной напряжению на емкостном накопителе 11 (момент времени t₂), со схемы управления 12 поступает сигнал, включающий ключевой прибор 9. Ток обмотки дросселя 3 перераспределяется между основной и дополнительной обмоткой дросселя 3 при сохранении магнитодвижущей силы и, протекая по цепи источник питания 1 - основная обмотка дросселя 3 - дополнительная обмотка дросселя 3 - ключевой прибор 9 - емкостной накопитель 11 - источник питания 1, подзаряжает емкостной накопитель 11. Энергия, запасенная в магнитном поле дросселя 3, сбрасывается в емкостной накопитель 11. Со схемы управления 12 приходит сигнал, выключающий управляемый ключи 5 и 7. Далее в момент времени t₃ сигнал со схемы управления 12 включает другую пару управляемых ключей противоположных плеч мостовой схемы - ключи 6 и 8 (момент t₃ аналогичен моменту t₀ для управляемых ключей 5 и 7). По цепи источник постоянного напряжения 1 - основная обмотка дросселя 4 - управляемый ключ 6 - конденсатор 2 - управляемый ключ 8 - источник постоянного напряжения 1 начинает протекать ток (ось 21), перезаряжая конденсатор 2 в полярности, показанной на фиг.3. В течение процесса перезаряда конденсатора 2 в основной обмотке дросселя 4 запасается электромагнитная энергия, на дополнительной обмотке дросселя 4 появляется напряжение, обусловленное влиянием эдс взаимной индукции. В момент t₄ значение тока, протекающего через обмотку дросселя 4, максимально (момент t₄ аналогичен моменту t₁ для тока обмотки дросселя 3). Напряжение на перезаряжающемся конденсаторе 2 суммируется с напряжением на дополнительной обмотке дросселя 4. По достижении этой суммы напряжений величины, равной напряжению на емкостном накопителе 11 (момент времени t₅), со схемы управления 12 поступает сигнал, включающий ключевой прибор 10. Ток обмотки дросселя 4 перераспределяется между основной и дополнительной обмоткой дросселя 4 при сохранении магнитодвижущей силы и, протекая по цепи источник питания 1 - основная обмотка дросселя 4 - дополнительная обмотка дросселя 4 - ключевой прибор 10 - емкостной накопитель 11 - источник питания 1, подзаряжает емкостной накопитель 11. Энергия, запасенная в магнитном поле дросселя 4, сбрасывается в емкостной накопитель 11. Со схемы управления 12 приходит сигнал, выключающий управляемые ключи 6 и 8. Далее процессы в схеме повторяются. По достижении напряжением емкостного накопителя требуемого значения сигналы со схемы управления 12 выключают управляемые ключи мостовой схемы коммутации и ключи 9, 10, запрещая работу устройства заряда. Процесс заряда емкостного накопителя 11 прекращается.

Если по окончании процесса заряда до включения сейсмоисточника 13 и начала разряда на нагрузку напряжение на емкостном накопителе 11 снижается ниже требуемого, система управления 12 согласно описанному выше алгоритму работы включает соответствующие управляемые ключи противоположных плеч мостовой схемы коммутации и ключевые приборы. Осуществляется дозаряд емкостного накопителя 11 необходимым количеством единичных зарядных импульсов до требуемого уровня напряжения, после чего сигналы с системы управления 12 выключают управляемые ключи устройства заряда, запрещая его работу. Таким образом, напряжение на емкостном накопителе 11 поддерживается на заданном уровне. Точность стабилизации напряжения на емкостном накопителе 11 определяется энергией единичного зарядного импульса тока, формируемого данным устройством заряда в конце процесса заряда.

Независимое накапливание энергии каждым дросселем в ходе поочередной коммутации ключей 5, 7 и 6, 8, и дальнейшее формирование зарядных импульсов, описанным устройством заряда позволяет вдвое повысить частоту коммутации ключей мостовой схемы и увеличить, по сравнению с прототипом, частоту следования зарядных импульсов, что сокращает время заряда при требуемой точности стабилизации. За счет увеличения частоты следования зарядных импульсов количество энергии единичного зарядного импульса тока оказывается меньшим, что увеличивает точность стабилизации напряжения на емкостном накопителе энергии 11. Формирование импульсов зарядного тока осуществляется в режиме непрерывных токов, что приводит к меньшим, по сравнению с прототипом, пульсациям тока, снижению потерь в элементах устройства и сокращению времени заряда. Таким образом, повышение точности стабилизации и увеличение скорости заряда емкостного накопителя энергии 11 достигается повышенной частотой формирования зарядных импульсов тока мостовой схемой коммутации в режиме непрерывных токов.

В системе питания электромагнитного привода сейсмоисточника емкостной накопитель может быть выполнен из двух или более параллельно соединенных секций, каждая из которых может разряжаться на нагрузку независимо от других секций. Такое решение обеспечивает поочередную работу частей электромагнитного привода, увеличивает надежность работы сейсмоисточника и улучшает условия эксплуатации и ремонта системы питания. Вариант подключения предлагаемого устройства заряда к секционированному емкостному накопителю (фиг.5) следующий: первый вывод емкостного накопителя 11, являющийся общим для секций, подключается к точке соединения ключей 7, 8 и первому выводу источника постоянного напряжения, а другие выводы секций емкостного накопителя через ключевые приборы 9 и 10 соответственно подключены к общим точкам соединения обмоток дросселей 3, 4 и управляемых ключей 5, 6. Каждый вывод секции емкостного накопителя 11 подключен к источнику сейсмических колебаний 13, включающему в себя схему разряда 26 и нагрузку 27. Для равномерного и независимого заряда секций емкостного накопителя выводы секций могут подключаться к ключевым приборам 9 и 10 через полупроводниковые ключи 28 и 29, например диоды. Таким образом, предлагаемое решение позволяет осуществлять заряд секций емкостного накопителя равномерно, сохраняя необходимую точность стабилизации напряжения на секциях.