автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Силовая электромагнитная импульсная система для наземной сейсморазведки малых глубин

На правах рукописи

ВЫРЫХАНОВ Денис Александрович

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НАЗЕМНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ МАЛЫХ ГЛУБИН

Специальность 05.09.03 — Электротехнические комплексы и системы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2006

Работа выполнена в ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет»

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Угаров Геннадий Григорьевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Митяшин Никита Петрович

доктор технических наук, профессор Ерошенко Геннадий Петрович

Ведущая организация

Тольяттинский государственный университет

Защита состоится 28 декабря 2006 г. в 1400 часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.10 при ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет», корп. 1, ауд. 414.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет».

Автореферат разослан 27 ноября 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Казинсьсий А.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие экономики нашей страны в значительной степени зависит от стабильности работы горнодобывающего комплекса и экспорта углеводородов. В настоящее время разведанные запасы углеводородов составляют одну третью часть от общих ресурсов территории Российской Федерации. Если до 1992 г. объемы воспроизводства нефти и газа на континентальной части страны превышали добычу полезных ископаемых, то в период с 1990 по 1995 гг. произошло резкое падение объемов воспроизводства, вызванное снижением масштабов геологоразведочных работ, соответственно произошла резкая убыль запасов. В результате накапливается дефицит качественных месторождений углеводородного сырья, который уже к 2015 г. может привести к исчерпанию рентабельных запасов нефти. Поэтому прогнозируемый специалистами дефицит стратегических полезных ископаемых требует незамедлительных действий по освоению новых крупных нефтегазоносных провинций.

В настоящее время важной составляющей работ по поиску и прогнозированию залежей полезных ископаемых являются сейсмические исследования. В 50,..60 % случаев данные работы производятся с помощью невзрывных источников сейсмических колебаний — специализированных силовых машин, создающих сейсмические волны в исследуемых слоях грунта. Изначальная конкуренция между невзрывными и взрывными способами генерирования сейсмического воздействия на грунт поставила на первый план повышение мощности невзрывных сейсмоисточников. В связи с этим, а также вследствие совершенствования методологии проведения сейсморазведочных работ, в настоящее время на рынке оборудования наблюдается дефицит маломощных невзрывных сейсмоисточников, предназначенных для исследования малых (до 500 м) глубин. Применение относительно мощных сейсмоисточников для исследования малых глубин нерентабельно, так как только за счет снижения мощности воздействия на грунт возможно получить достаточную степень разрешенное™ сигнала, несущего информацию о малых глубинах. Исходя из этого, а также учитывая, что объемы сейсморазведочных работ за 2005 год возросли в 1,3 раза, следует признать актуальной задачу разработки маломощных, невзрывных сейсмоисточников с энергией воздействия до 1 кДж.

В качестве маломощных, невзрывных сейсмоисточников в настоящее время наибольшее применение получили силовые электромагнитные импульсные системы (СЭМИС) с приводом от линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД). Теоретические основы работы линейного электромагнитного привода и практические методики проектирования и эксплуатации импульсных сейсмоисточников на основе данных двигателей разработаны в работах В.В. Ивашина, И.А. Милорадова, Н.П. Ряшенцева,

А.П. Малахова, Н.П. Бахарева, Ю.А. Бару, H.A. Иванникова, А.Г. Гурина, Г.Г. Угарова, K.M. Усанова и др.

СЭМИС для сейсморазведки малых глубин характеризуются высоким КПД, хорошей управляемостью, простотой и надежностью в работе. В то же время конкуренция между различными модификациями источников сейсмических колебаний ставит задачи по повышению энергетических характеристик СЭМИС до теоретически возможных величин. Это становится возможным в результате анализа процессов энергопреобразования в ЛЭМД, а также при комплексном рассмотрении работы СЭМИС с учетом процессов питания двигателя и передачи механической энергии в грунт.

Целью работы является повышение энергетических показателей СЭМИС (КПД, удельной энергии воздействия) за счет комплексного анализа процессов питания ЛЭМД, электромеханического преобразования в двигателе и передачи механической энергии в грунт.

В соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи исследования:

оптимизировать режим электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД по критерию максимума механической мощности развиваемой двигателем;

определить пути повышения КПД ЛЭМД за счет формирования оптимального режима его питания;

определить массные и геометрические параметры устройства, передающего механическую энергию от ЛЭМД в грунт, с максимальным КПД.

Объектом исследования является силовая электромагнитная импульсная система для сейсморазведки малых глубин земной коры.

Предметом исследования являются рабочие процессы в СЭМИС для сейсморазведки малых глубин.

Методы и средства исследований базировались на применении математического и физического моделирования. Теоретические исследования основывались на применении аппарата математического и векторного анализа, численных методов решения, задач. Расчеты проводились с помощью вычислительной техники. Научно-физическими основами являлись положения теории электрических машин и теоретических основ электротехники. Экспериментальные исследования проводились с использованием специальных стендов, с аналого-цифровым преобразованием и машинной обработкой экспериментальных данных.

На защиту выносятся:

- математическая модель процесса электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД, позволяющая получить расчетные модели, адекватно отражающие рабочие процессы СЭМИС;

- режим электромеханического преобразования в ЛЭМД, обеспечивающий максимум развиваемой ЛЭМД механической мощности;

- режим питания ЛЭМД, обеспечивающий максимум КПД двигателя;

- массные и геометрические характеристики устройства передачи механической энергии от ЛЭМД в грунт, обеспечивающие максимальный КПД передачи механической энергии.

Научная новизна работы:

1) разработана математическая модель электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД, определяющая режим работы двигателя через соотношение величин электрической, магнитной и механической мощностей участвующих в процессе энергопреобразования;

2) определены пути повышения удельных энергетических характеристик СЭМИС за счет формирования специального режима питания ЛЭМД и согласования характеристик устройства, передающего механическую энергию в грунт с характеристиками рабочих процессов СЭМИС.

Практическая ценность работы, заключается в разработанной методике расчета основных динамических характеристик СЭМИС, позволяющей оптимизировать конструктивные и режимные параметры ЛЭМД, источника питания и устройства, передающего механическую энергию в грунт, в целях получения максимума полезной механической работы сейс-моисточника.

Реализация и внедрение результатов работы.

Разработанная СЭМИС прошла производственные испытания в ФГУП «Саратовская Геофизическая Экспедиция» (филиал ФГУП ЕЖИ ГТ) и рекомендована для применения в геофизике и геологии.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава, аспирантов и научных сотрудников Саратовского государственно технического университета в 2004-2006 гг., на Всероссийской конференции «Прогрессивные технологии в обучении и производстве» (Камышин, 2002), на III и IV Всероссийских конференциях «Инновационные технологии в обучении и производстве», (Камышин, 2005 - 2006).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ. Общий объем публикаций составляет 2,8 п.л., из которых 1,9 п.л. принадлежит лично соискателю.

Структура диссертации включает введение, четыре главы основного материала, список использованных литературных источников и приложение. Объем работы составляет 152 листа, в тексте 50 иллюстраций, 11 таблиц. Список использованных источников включает 124 наименования.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении определены актуальность работы, объект и предмет исследований, структура и содержание диссертационной работы.

В первой главе проведен анализ существующих конструкций невзрывных сейсмоисточников, показаны характерные преимущества СЭМИС. На основании структурной схемы СЭМИС (рис. 1) ставятся задачи по повышению ее геологоразведочной эффективности за счет:

1) оптимизации режима пи-тания ЛЭМД. Актуальность данной задачи является следствием влияния условий питания ЛЭМД на величину преобразуемой им механической энергии;

2) определения критерия оптимального режима работы ЛЭМД, характеризующего максимум развиваемой двигателем механической мощности;

3) повышения эффективности передачи механической энергии, преобразованной ЛЭМД, в грунт;

4) комплексной оптимизации рабочих процессов СЭМИС путем согласования процессов потребления электрической энергии, электромеханического преобразования ее в ЛЭМД и последующей передачи механической энергии в грунт.

Во второй главе производится теоретический анализ и оптимизация процессов электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД на основании разработанной математической модели.

В основе предлагаемой математической модели лежат определения мгновенной, динамической и дифференциальной индуктивностей ЛЭМД, соответствующие некоторой рабочей точке А (рис. 2) на плоскости «ток -потокосцепление», через углы между осью тока О1 и:

- линейной статической характеристикой намагничивания ОС;

- касательной к статической характеристике намагничивания ЛЭМД с учетом некоторой степени насыщения АН;

- вектором скорости рабочей точки АВ.

Энергия от первичного источника питания (злеюромашннного генератора,

аккумуляторной батареи) _

Электрический преобразователь

Конденсаторная батарея

Линейный злектромлгтлный двигатеть

Устройство передачи механической энергии к грунт

-

Нлгрузка«грунт

--

Энергия сейсмических колебаний

. Силовая

Ч» электромагнитная ' нкшульсная система

Рис. 1» Структурная схема СЭМИС

Рабочей точкой ЛЭМД является точка с координатами текущих значений тока и потокосцепления. Пространство плоскости, образованной координатными осями тока и потокосцепления считалось метрическим, для чего принимались равными масштабы физических величин тока и потокосцепления, при их отражении на координатных осях.

Таким образом, величина динамической индуктивности Ьди„, определяемая выражением

где с1у - дифференциал потокосцепления, связанного с обмоткой возбуждения ЛЭМД; ей - дифференциал тока в координатах «ток-потокосцепление» (рис. 2), выразится в виде

где 0 - угол, определяющий мгновенную индуктивность ЛЭМД, Ь = tg(9);

у — угол между вектором скорости движения рабочей точки АВ и касательной к статической характеристике намагничивания ЛЭМД. Добавляя к обозначенным углам угол р (рис. 2), характеризующий степень насыщения стали магнитопровода ЛЭМД, через дифференциальную индуктивность

получаем систему угловых координат на плоскости «ток - потокосцепле-ние», определяющую через величины мгновенной, дифференциальной и динамической индуктивностей режим работы ЛЭМД. Под режимом работы ЛЭМД понимается соотношение между величиной потребляемой двигателем электрической мощности и величинами магнитной и механической мощностей.

Определив величины электрической Рэл, магнитной Рзар и механической Рмсх мощностей электромеханического преобразования в виде

Ьдин =^(8 +у),

(2)

(3)

А '

мех

(4)

где 1 - потребляемый ЛЭМД ток; (14<маг , ^М6Х - противо-ЭДС,

ск <11 ск

соответствующие указанным мощностям, возможно рассмотреть диффе-

ренциал потокосцепления, связанного с обмоткой возбуждения двигателя, в виде суммы двух составляющих:

<1ч' = ^маг+<1х]/мех. (5)

При этом значения ^Умех определяются проекциями на ось по-

токосцепления (рис. 2) слагаемых вектора скорости перемещения рабочей точки АВ, отложенных на линейную характеристику намагничивания АС и касательную к линии уровня магнитной энергии АЕ) соответственно. Касательной к линии уровня магнитной энергии, исходя из определения величины магнитной энергии ЧУ,, в виде является прямая, проходящая через рабочую точку А под углом гс-Э к оси тока Оь

электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД

В свою очередь, выражение (5) позволило рассматривать результат процесса электромеханического преобразования энергии в виде суммы результатов условно разделенных процессов преобразования электрической энергии в магнитную и в механическую формы. При этом магнитная мощность определится как произведение производной от величины магнитной энергии по направлению статической характеристики намагничивания

ЛЭМД в координатах «ток - потокосцепление» -— на скорость переме-

<к

сЬ

щения рабочей точки — вдоль данной характеристики (рис. 2):

«к 1.„ т Ч<К ... - — = —1(Ь + Ь„, ,)—. (6)

аэ <11 2 V диф'ск

Представив вектор скорости перемещения рабочей точки ЛЭМД в координатах «ток-потокосцепление» в виде векторной суммы косоугольных проекций данного вектора на статическую характеристику намагничивания и на линию уровня магнитной энергии (рис. 2), получаем зависимости относительных величин электрической, магнитной и механической мощностей, потребляемых (выделяемых) в процессе работы ЛЭМД, от угла у:

Р,м =8ш(в + т)-|К|, (7)

Р*ар = 8Ш(6)

/со5(у)+ £'П(У) |.|И|, (8)

Р^ = 8Ш(Э)| - соз(2е + у) + В^((229 д}У)] • К1. (9)

где К = АВ — вектор скорости перемещения рабочей точки ЛЭМД на плоскости «ток - потокосцепление» (рис. 2). При этом угол у становится критерием, характеризующим режим работы двигателя.

Анализ выражения (9) определяет критерий максимума развиваемой ЛЭМД механической мощности в виде у = 90 Данное условие, согласно (2), определяет величину динамической индуктивности при работе ЛЭМД, которую необходимо сформировать за счет режима питания и характера механической нагрузки двигателя в целях получения максимальной механической мощности, развиваемой двигателем. На основании выражения величины динамической индуктивности ЛЭМД (2) и учитывая, что Ь = tg(6), полученный критерий максимума механической мощности можно интерпретировать в виде зависимости:

Ьдин=1В(агс1Е(Ь) + |), (10)

которую необходимо сформировать в процессе срабатывания ЛЭМД в целях получения максимума механической мощности, развиваемой двигателем.

На основании выражения (4) и разработанной модели электромеханического преобразования энергии впервые вводятся противо-ЭДС, соответствующие магнитной и механической мощностям, определяемые в виде

¿Умаг ^ 1 ' <11 2

дУмех _ 1 Г¿V

<И 21 Л Л

<1\|/ е„

где —— противо-ЭДС, определяющая соотношение между магнитной А

и механической мощностями. Данная противо-ЭДС отражает баланс мощностей при электромеханическом преобразовании энергии, записываемый в виде

Рмех = Рзар ~ •—^^

Выражение (13) является следствием закона сохранения энергии в процессе электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД.

Выражения (11), (12) отражают разложение противо-ЭДС ЛЭМД на механическую и магнитную составляющие, тем самым определяя соотношения соответствующих мощностей при электромеханическом преобразовании энергии в ЛЭМД. Схема разложения иллюстрируется рис. 3. Зависимость величины противо-ЭДС от режима работы двигателя, опре-

&

деляемого динамической индуктивностью (1,2) имеет вид

^ = 5т(е/со8(у) + соз(29 + у) + ^(у) ~ 5т(26 + у) ^

Шп-С!)

¿Ух*

л

¿Уж

л

Рис. 3. Составляющие противо-ЭДС ЛЭМД

Зависимость (14) в относительных к величине —- представлена на рис. 4.

А

Отсутствие в выражении (14) величины угла р определяет независимость соотношений между магнитной и механической мощностями от степени насыщения стали магнитопровода, определяемой дифференциальной индуктивностью (3).

Математическая модель процесса электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД, разработанная во второй главе диссертации, легла в основу методики расчета основных динамических характеристик двигателя (тока и рабочего воздушного зазора), изложенной в третьей главе диссертации.

dt 9-70 V/

/

/А

У, гр»д.

О 30 ДО 90 120 130 100 210 240 270 300 ЭЭО 3«0

du/s„

Рис. 4. Зависимость противо-ЭДС ——— от угла у

Третья глава посвящена оптимизации режима питания ЛЭМД по критерию максимума КПД двигателя. Сравниваются схемы питания ЛЭМД от аккумуляторной батареи (АБ), от конденсаторной батареи (КБ) и по схемам последовательного или параллельного включения в различные моменты времени двух КБ.

Цель, поставленная в главе, достигается за счет математического моделирования рабочих процессов ЛЭМД в условиях его питания по указанным схемам. Для этого была разработана методика расчета основных динамических характеристик энергетического состояния ЛЭМД: зависимости тока и положения якоря двигателя от времени. Для расчета указанных характеристик на основании изложенной во второй главе математической модели электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД была решена система дифференциальных уравнений, описывающая рабочие процессы двигателя:

ш —= F —F

2 зл-м А сопр >

dt

1Т . , Ш

ипт. = 111 + 1— + Ь —. пит <11 сЦ

где т - масса якоря ЛЭМД; 5 - текущая величина рабочего воздушного зазора; Рэл.м. - электромагнитное усилие, развиваемое двигателем; РС0Пр - сила сопротивления движению якоря; ипит — напряжение питания; И. — активное сопротивление обмотки возбуждения ЛЭМД. Решение системы уравнений (15, 16) определено в виде дифференциалов тока и рабочего воздушного зазора, записываемых в виде

(ипит -¡л)* (к

-Б

ЭЛ.М сопр

сН = 2-

¡ь

1 •

1(рэлм

к сопр

-■диф

+ 1

(^"эл.м ^сопр)

I t

~ /(Рэл.м — ^сопр

ш

(11,

(17)

аз =

Л. (18)

Численное интегрирование выражений (17), (18) осуществлено с помощью математической модели, реализованной в программной среде инженерных расчетов динамики технических систем, с применением метода Рунге-Кутта (рис. 5).

Корректность результатов расчетов подтверждается их сходимостью с экспериментальными данными, полученными для физической модели ЛЭМД, используемой в СЭМИС. Сравнение экспериментальных и расчетных данных представлено на рис. 6, 7. Величина погрешности составила 11 %.

Исходя из достаточной точности проведенных расчетов, данная методика расчетов была применена к двум аналогичным конструкциям ЛЭМД в СЭМИС, обозначенным под №1 и №2. Отличие исследуемых конструкций ЛЭМД заключалось в масштабной 1:1,1 разнице размеров их магнитопроводов, различии статических характеристик намагничивания, величин активного сопротивления обмоток возбуждения II, масс якоря тях а, также величин рабочего хода 5. Величины жесткости возвратной пружины кпр у обоих конструкций ЛЭМД были равны. Указанные данные приведены в таблице 1. •

Рис. 5. Визуализация модели расчета динамических характеристик тока и рабочего воздушного зазора ЛЭМД

Таблица 1

Сравнение конструкционных параметров исследуемых ЛЭМД

№ СЭМИС R, Ом т„к,кг kn„, Н/м 5, м

1 0,083 32 3530 0,1

2 0,028 42 3530 0,11

Для сравнения эффективности работы ЛЭМД от различных схем питания были решены оптимизационные задачи по определению максимума КПД работы ЛЭМД в зависимости от параметров режима питания двигателя. При этом за базовую величину потребляемой ЛЭМД энергии принята величина потребленной двигателем энергии от АБ, которая для других режимов питания двигателя оставалась неизменной. Результаты расчетов энергетических параметров цикла работы ЛЭМД №1 от АБ представлены в таблице 2. При оптимизации питания ЛЭМД №1 от КБ были построены расчетные зависимости величин преобразованных ЛЭМД №1 энергий от напряжения заряда КБ при условии неизменности базовой величины энергии, запасаемой в ней. Данные зависимости (рис. 8) определили оптимальные характеристики КБ, формирующие максимальный КПД работы ЛЭМД №1. Энергетические данные питания ЛЭМД №1 при полученных характеристиках КБ приведены в таблице 2. При оптимизации комбинированных режимов питания ЛЭМД №1 от двух включаемых КБ искомыми характеристиками являлись напряжения заряда и величины емкости конденсаторных батарей, момент времени включения второй КБ.

Рис. б. Сравнение расчетных и экспериментальных динамических зависимостей тока в обмотке возбуждения ЛЭМД

Рис. 7. Сравнение расчетных и экспериментальных зависимостей рабочего воздушного зазора ЛЭМД

Искомые характеристики были определены на основании итерационного способа решения. Соотношения величин преобразованных ЛЭМД №1 энергий при питании от КБ с найденными обозначенными характеристиками представлены в табл. 2. Аналогичные задачи оптимизации режима питания ЛЭМД были решены для конструкции ЛЭМД №2, результаты расчетов представлены в табл. 2.

Анализ и сравнение результатов различных схем питания ЛЭМД позволило теоретически выявить лучший режим питания ЛЭМД, заключающийся в поочередном последовательном подключении двух КБ к обмоткам двигателя. При этом наблюдается повышение КПД на величину от 1,4 % (для ЛЭМД №1) до 6,8 % (для ЛЭМД №2) относительно аккумуляторного режима питания по сравнению со схемой питания от одной КБ от 1,1 (ЛЭМД №1) до 2,2 % (ЛЭМД №2). Питание ЛЭМД от двух включаемых параллельно КБ обеспечивает превышение КПД на 1,3...4,6 % по сравнению с аккумуляторным режимом и до 1 % по сравнению с режимом питания от одной КБ. Получение указанных результатов становится возможным при согласовании соотношений емкостей и начальных напряжений заряда КБ, а также момента времени включения второй КБ с параметрами ЛЭМД в процессе математического моделирования его рабочих процессов.

Рис. 8. Величины энергий преобразованных ЛЭМД при конденсаторном питании в условиях неизменности электрической энергии, запасенной в КБ, Аэл = 2018 Дж

Таблица 2

Сравнение режимов питания ЛЭМД

Режим питания ЛЭМД Аэл, Амех> Ас.ост, Амаг.ост» А-геп.» П,%

Дж Дж Дж Дж Дж

ЛЭМД №1

Аккумуляторный 2018 276 - 340 1402 13,7

Конденсаторный 2018 282 47 157 1538 14,0

Последовательное включение КБ 2018 304 0 188 1526 15,1

Параллельное включение КБ 2018 302 7 181 1542 15,0

ЛЭМД №2

Аккумуляторный 2696 564 - 1178 954 20,9

Конденсаторный 2696 688 0 812 1196 25,5

Последовательное включение КБ 2696 746 0 847 1103 27,7

Параллельное включение КБ 2696 687 0 978 1031 25,5

В четвертой главе рассматриваются процессы передачи механической энергии преобразованной ЛЭМД в грунт.

Процесс взаимодействия СЭМИС с грунтом описывается системой уравнений механического равновесия присоединенной массы грунта тгр, массы статической части СЭМИС т^ и массы якоря тяк:

(12хгр (^гр

тгр -= ^СЭМИС ~ Нф ■ + Сгр0с.гр _хгр)> 09)

ё2х

тст —~ = + Рэл.м -8т„ - Са(1Св - хяк + хСТ), (20)

т.

сЛ

'як '

як

Ск2

= -рэл.м -ет

1як +Св(1Св —Хяк + ХСТ),

(21)

т ш

ж~гтг

Рио. 9. Механическая схема взаимодействия ЛЭМД с грунтом

где х — координата местоположения присоединенной массы грунта, якоря и статической части СЭМИС; Рсэмис - сила воздействия СЭМИС на присоединенный объем грунта; Нгр — демпферная сосредоточенная характеристика фунта; Сгр, С„ — жесткость упругой сосредоточенной характеристики грунта и возвратной пружины соответственно; g - ускорение свободного падения.

Система уравнений (19)-(21) описывает схему взаимодействия СЭМИС с грунтом представленную на рис. 9. В целях решения системы уравнений (19)-(21), в среде инженер-

ных расчетов «ЭттИпк» была разработана расчетная модель процесса взаимодействия СЭМИС с грунтом. Посредством данной модели были рассчитаны зависимости величины передаваемой от СЭМИС в грунт механической энергии в зависимости от радиуса используемой подложки гпл и величины заряда КБ ис (рис. 10). Сравнение полученных данных с данными эксперимента (рис. 11) определило их качественное сходство и позволило предложить оптимальную величину радиуса подложки 0,12...0,2 м.

Для определения влияния величин статической и ударной масс на эффективность работы СЭМИС были получены расчетные зависимости механической энергии, передающейся в грунт, от этих показателей при неизменном уровне энергии, запасаемой в КБ (рис. 12). Результаты расчетов получены в ходе комплексного моделирования всей работы СЭМИС. Первоначально рассчитывался процесс питания ЛЭМД (согласно модели рис. 5) с учетом варьирования величины массы якоря. Результаты расчета - динамическая зависимость электромагнитной силы, развиваемой ЛЭМД, записывалась в специальный файл. Затем информация из данного файла использовалась при моделировании процесса взаимодействия ЛЭМД с грунтом.

Анализ полученных результатов (рис. 12) показывает незначительное изменение величины полезной механической энергии, передающейся в

грунт при увеличении статической и ударной масс СЭМИС, что позволяет говорить о нерациональности изменений данных масс.

Рис. 10. Расчетные зависимости >Ук.„л=13(г„„, ис)

Рис. 11. Экспериментальные зависимости амплитуды сигнала с сейсмического датчика ГЕОФОН от величины заряда конденсаторной батареи и радиуса используемой подложки

(II 0 №

тис-Отит

Рис. 12. Зависимость

'Мк.гр=А(т,к, при Цс=100 В,С = 1 Ф

т «к ^ 32 кг

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

Основные результаты диссертационной работы в кратком изложении можно сформулировать следующим образом:

1. Предложена новая математическая модель электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД, позволившая выявить неизвестные ранее закономерности процесса электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД:

1.1. В структуре противо-ЭДС ЛЭМД выявлена составляющая

5н , характеризующая эффективность режима работы двигателя через Л

соотношение величин магнитной и механической мощностей, развиваемых двигателем в процессе электромеханического преобразования энергии.

1.2. Определен режим работы ЛЭМД, формирующий максимум величины развиваемой двигателем механической мощности, характеризующийся зависимостью между динамической и мгновенной индуктивностя-

%

ми, записываемой в виде: Ьдин = 1§(аг^(Ь) + —).

2. Предложен комбинированный цикл питания ЛЭМД от двух поочередно включаемых конденсаторных батарей, показано его преимущество перед аккумуляторным и конденсаторным режимами питания. Теоретический анализ рассмотренных режимов питания ЛЭМД показал преимущество предложенной схемы питания двигателя по сравнению с аккумуляторной схемой питания на 1,4...6,8 % по КПД, а по сравнению со схемой питания от одной конденсаторной батареи - на 1,1.. .2,2 %.

3. Показана нерациональность повышения эффективности передачи механической энергии в грунт за счет согласования масс бойка и статической части СЭМИС вследствие значительного утяжеления сейсмоисточни-ка. Установлено, что радиус подложки необходимо выбирать в диапазоне от 0,12 до 0,2 м из условия передачи в грунт максимума энергии.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих печатных работах:

1. Вырыханов Д. А. Анализ мощностных и энергетических структур линейного электромагнитного двигателя / Д. А. Вырыханов, Г. Г Угаров // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 2004.-С. 192- 198.

2. Вырыханов Д. А. Оптимизация режимов энергопреобразования в линейном электромагнитном двигателе / Д. А. Вырыханов, Г. Г. Угаров // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 2004. - С. 213 -218.

3. Вырыханов Д. А. Оценка энергетических показателей линейных электромагнитных двигателей / Д. А. Вырыханов, А. А. Егоров, Г. Г. Угаров // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов,

2005.-С. 112-117.

4. Вырыханов Д. А. Энергопреобразование в линейном электромагнитном двигателе при постоянстве тока / Д. А. Вырыханов // Проблемы электроэнергетики : межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 2005. - С. 118 - 122.

5. Егоров А. А. Экспериментальное исследование линейного электромагнитного двигателя при питании от емкостного накопителя / А. А. Егоров, Д. А. Вырыханов // Электротехнические комплексы и силовая электроника. Анализ, синтез и управление: межвуз. науч. сб. / СГТУ. -Саратов, 2005. - С. 4 - 8.

6. Егоров А. А. Влияние предыстории импульсного намагничивания магнитной системы линейного электромагнитного двигателя на энергетические показатели привода / А. А. Егоров, Г. Г. Угаров, Д. А. Вырыханов // Вестник СГТУ - 2006. - № 1. - С. 44 - 49.

7. Егоров А. А. Способ повышения стабильности энергии удара в линейном электромагнитном двигателе / А. А. Егоров, Д. А. Вырыханов // Проблемы электроэнергетики: межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов,

2006. - С. 133 - 138.

8. Егоров А. А. Оптимизация режима питания импульсного линейного

электромагнитного двигателя от емкостного накопителя / А. А. Егоров, Д. А. Вырыханов И Проблемы электроэнергетики : межвуз. науч. сб. / СГТУ. - Саратов, 2006. - С. 128 - 133.

9. Егоров A.A. Методика определения оптимальных параметров емкостного накопителя для питания импульсного линейного электромагнитного двигателя / А. А. Егоров, Д. А. Вырыханов // Анализ, синтез и управление в сложных системах: сб. науч. тр. / СГТУ. - Саратов, 2006. -

С. 84 - 87.

10. Оптимизация режима конденсаторного питания линейного электромагнитного двигателя в приводе ударных машин / Д. А. Вырыханов, А. А. Егоров, Г. Г. Угаров, К. М. Усанов // Вестник СГТУ. 2006. № 3. С. 78 - 83.

ВЫРЫХАНОВ Денис Александрович

СИЛОВАЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ ИМПУЛЬСНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ НАЗЕМНОЙ СЕЙСМОРАЗВЕДКИ МАЛЫХ ГЛУБИН

Автореферат

Корректор Л.А. Скворцова

Подписано в печать 20.11.06 Формат 60x84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ.л. 1,0 Уч.-издл. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 533 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отпечатано в РИЦ СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77

J

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. СЕЙСМОИСТОЧНИКИ ДЛЯ НЕВЗРЫВНОЙ

СЕЙСМОРАЗВЕДКИ. И

1.1. Аналитический обзор невзрывных источников сейсмических колебаний для сейсморазведки малых глубин земной коры.

1.1.1. Требования, предъявляемые к сейсмоисточникам при исследованиях малых глубин земной коры.

1.1.2. Классификация невзрывных сейсмоисточников.

1.1.3. Обзор конструкций существующих невзрывных сейсмоисточников.

1.2. Силовая электромагнитная импульсная система для наземной сейсморазведки.

Выводы.

Глава 2. РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ЛИНЕЙНОГО

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ДВИГАТЕЛЯ.

2.1. Определение энергетической структуры, режима и этапов работы ЛЭМД. Постановка задачи повышения удельных показателей ЛЭМД.

2.2. Принимаемые допущения математической модели электромеханического преобразования энергии.

2.3. Математическая модель электромагнитного преобразования энергии в ЛЭМД.

2.4. Математическая модель электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД.

2.5. Критерий оптимальности режима работы линейного электромагнитного двигателя.

Выводы.

Глава 3. ИСТОЧНИКИ И СПОСОБЫ ПИТАНИЯ ЛИНЕЙНОГО

ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГОДВИГАТЕЛЯ В СЭМИС.

3.1. Анализ схем питания электромагнитного генератора сейсмических волн.

3.1.1. Особенности питания СЭМИС. Определение критериев согласованной работы источника питания и ЛЭМД, постановка задачи их оптимизации.

3.1.2. Аккумуляторная схема питания СЭМИС.

3.1.3. Конденсаторная схема питания СЭМИС.

3.1.4. Схема питания СЭМИС од двух КБ включаемых в различные промежутки времени.

3.2. Математическое моделирование процессов питания ЛЭМД.

3.2.1. Определение пути решения задачи оптимизации процесса совместной работы ИП и ЛЭМД.

3.2.2. Математическая модель и методика расчета процесса электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД с учетом особенностей источника питания.

3.2.3. Реализация математической модели расчета с помощью системы инженерных расчетов «Simulink», принимаемые допущения и исходные данные.

3.3. Оптимизация параметров источника питания СЭМИС.

3.3.1. Аккумуляторный режим питания ЛЭМД.

3.3.2. Конденсаторный режим питания ЛЭМД.

3.3.3. Питание ЛЭМД от двух КБ включаемых в различные промежутки времени.

3.4. Расчет динамических характеристик ЛЭМД с повышенными энергетическими показателями.

Выводы.

Глава 4. ПРОЦЕСС ПЕРЕДАЧИ КИНЕТИЧЕСКОЙ ЭНЕРГИИ, ПРЕОБРАЗУЕМОЙ В ИСТОЧНИКЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ КОЛЕБАНИЙ, В ИССЛЕДУЕМЫЕ СЛОИ ГРУНТА.

4.1. Определение полезной работы совершаемой источником сейсмических колебаний.

4.2. Оптимизация процесса передачи механической энергии от источника сейсмических колебаний в грунт.

4.2.1. Математическая модель процесса взаимодействия ЛЭМД с грунтом.

4.2.2. Численные расчет эффективности передачи механической энергии, преобразуемой СЭМИС, в грунт.

4.3. Экспериментальное исследование процесса передачи механической энергии от СЭМИС в грунт.

4.4. Апробация СЭМИС для сейсморазведки малых глубин.

Выводы.

Развитие экономики нашей страны в значительной степени зависит от стабильности работы горнодобывающего комплекса и экспорта углеводородов. Общие ресурсы территории Российской Федерации оцениваются в 251,6 млрд. тонн условного топлива, при этом разведанные запасы к настоящему времени составляют 89,4 млрд. тонн. Если до 1992 г. объемы воспроизводства нефти и газа на континентальной части страны превышали добычу полезных ископаемых, то в период с 1990 по 1995 гг. произошло резкое падение объемов воспроизводства, вызванное, снижением объемов геологоразведочных работ, соответственно произошла резкая убыль запасов. В настоящее время средние запасы одного открываемого на суше месторождения по сравнению с 1975 г. снизились в пять раз. В результате накапливается дефицит качественных месторождений углеводородного сырья, который уже к 2015 г. может привести к исчерпанию рентабельных запасов нефти. Поэтому прогнозируемый специалистами дефицит стратегических полезных ископаемых требует незамедлительных действий по освоению новых крупных нефтегазоносных провинций [113].

В настоящее время важной составляющей работ по поиску и прогнозированию залежей полезных ископаемых являются сейсмические исследования. Основным инструментом экспериментальной геологии, науки занимающейся вышеприведенными вопросами, является сейсмический метод исследования подземных слоев грунта [1], основанный на возбуждении в грунте упругих механических колебаний, с последующей регистрацией и изучением отражающихся от границ различных пластов породы сейсмических волн. Основы теории и практики сейсморазведочных работ рассмотрены в трудах М.И. Балаш-канда, М.Б. Шнеерсона, Г.А. Гамбурцева, , И.И. Гурвича, В.В. Майорова, Л. Гелдарта, В.В. Федынского, И.С. Чичинина, Р. Шеррифа, и др.

Первоначально, в качестве источника, возбуждающего сейсмические волны, наибольшее распространение получило ударное воздействие на грунт детонации взрывчатых веществ. Данному способу возбуждения сейсмических волн свойствен ряд недостатков: относительная сложность работ по закладке заряда; опасность работ; значительный экологический вред, наносимый окружающей среде; невозможность обеспечения непрерывного (вибрационного) или кодоимпульсного характера воздействия на грунт, что снижает информационную насыщенность регистрируемого сигнала [2, 3, 5]. В связи с этим, в последнее время все большее распространение находят невзрывные сейсмоисточ-ники, вопросы, повышения эффективности работы которых, являются актуальными [2, 3, 5, 13 - 16, 19, 20 - 27, 32 - 34, 38, 40]. К преимуществам невзрывных сейсмоисточников следует отнести их способность обеспечить высокую стабильность и управляемость сейсмического излучения [4]. Это позволяет расширить методику проведения сейсморазведочных работ [2, 3]. В настоящее время до 50.60% случаев сейсморазведочные работы производятся с помощью невзрывных источников сейсмических колебаний - специализированных силовых машин создающих сейсмические волны в исследуемых слоях грунта. Изначальная конкуренция между невзрывными и взрывными способами генерирования сейсмического воздействия на грунт, поставила на первый план повышение мощности проектируемых невзрывных сейсмоисточников. В связи с этим, а также вследствие расширения методологии проведения сейсморазведочных работ, в настоящее время на рынке оборудования наблюдается дефицит маломощных невзрывных сейсмоисточников, предназначенных для исследования малых (до 500 м) глубин. Применение относительно мощных сейсмоисточников для исследования малых глубин нерентабельно, так как только за счет снижения мощности воздействия на грунт, возможно получить достаточную степень разрешенности сигнала несущего информацию о малых глубинах. Исходя из этого а, также учитывая, что объемы сейсморазведочных работ за 2005 год возросли в 1,32 раза [113], следует признать важность задачи проектирования маломощных, невзрывных сейсмоисточников.

В качестве маломощных, невзрывных сейсмоисточников, в настоящее время наибольшее применение получили силовые электромагнитные импульсные системы (СЭМИС) с приводом от линейных электромагнитных двигателей (ЛЭМД). Теоретические основы работы линейного электромагнитного привода и практические методики проектирования и эксплуатации импульсных сейсмоисточников на основе данных двигателей разработаны в работах В.В. Ивашина, И.А. Милорадова, Н.П. Ряшенцева, А.П. Малахова, Н.П. Бахарева, Ю.А. Бару, H.A. Иванникова, А.Г. Турина, Г.Г. Угарова, K.M. Усанова и др.

СЭМИС для сейсморазведки малых глубин характеризуются высоким КПД, хорошей управляемостью, простотой и надежностью в работе. В то же время, конкуренция между различными модификациями источников сейсмических колебаний ставит задачи по повышению энергетических характеристик СЭМИС до теоретически возможных величин. Это становится возможным в результате анализа процессов энергопреобразования в ЛЭМД, а также при комплексном рассмотрении работы СЭМИС учитывая процессы питания двигателя и передачи механической энергии в грунт.

Целью работы является повышение энергетических показателей СЭМИС (КПД, удельной энергии воздействия), за счет комплексного анализа процессов питания ЛЭМД, электромеханического преобразования в двигателе и передачи механической энергии в грунт.

Объектом исследования является силовая электромагнитная импульсная система для сейсморазведки малых глубин земной коры.

Предметом исследования являются рабочие процессы в СЭМИС для наземной сейсморазведки малых глубин.

В соответствии с целью в работе поставлены следующие задачи исследований:

1. оптимизировать режим электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД по критерию максимума механической мощности развиваемой двигателем;

2. определить пути повышения преобразуемой ЛЭМД механической энергии за счет формирования оптимального режима его питания;

3. определить массные и геометрические параметры устройства передающего механическую энергию от ЛЭМД в грунт, формирующие максимальный КПД работы СЭМИС.

Методы и средства исследований базировались на применении математического и физического моделирования. Теоретические исследования основывались на применении аппарата математического и векторного анализа, численных методов решения задач. Расчеты проводились с помощью вычислительной техники. Научно-физическими основами являлись положения теории электрических машин и теоретических основ электротехники. Экспериментальные исследования проводились с использованием специальных стендов, с аналого-цифровым преобразованием и машинной обработкой экспериментальных данных.

Научные положения, защищаемые в диссертации:

- оптимальный режим работы ЛЭМД, обеспечивающий максимум механической мощности, характеризуется зависимостью между динамической ЬДИ1, и мгновенной Ь индуктивностями записанной в виде

- существуют величины емкости и начального напряжения заряда конденсаторной батареи, питающей ЛЭМД, формирующие максимум механической энергии преобразуемой двигателем и характерные для каждой отдельной конструкции ЛЭМД и его механической нагрузки;

- повышение КПД работы ЛЭМД на величину порядка до 6,8 % становится возможным при изменении режима его питания с аккумуляторного (при котором величина напряжения питания неизменна) на режим питания от двух, последовательно подключаемых в различные моменты времени, конденсаторных батарей. Момент времени включения второй конденсаторной батареи, величины емкости и напряжения заряда конденсаторных батарей должны быть согласованы для каждой конкретной конструкции ЛЭМД и его механической нагрузки; Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждаются удовлетворительной сходимостью результатов теоретических и экспериментальных исследований физической модели и оригинала СЭМИС. Научная новизна работы:

1. разработана математическая модель электромеханического преобразования в ЛЭМД, определяющая режим работы двигателя через соотношение величин электрической, магнитной и механической мощностей, участвующие в процессе энергопреобразования;

2. определены пути повышения удельных энергетических характеристик СЭМИС за счет формирования специального режима питания ЛЭМД и согласования характеристик устройства передающего механическую энергию в грунт с характеристиками рабочих процессов СЭМИС. Практическая ценность работы заключается: в разработанной методике расчета основных динамических характеристик СЭМИС, позволяющей оптимизировать конструктивные и режимные параметры ЛЭМД, источника питания и устройства передающего механическую энергию в грунт, в целях получения максимума полезной механической работы сейсмоисточника.

Личный вклад автора заключается в участии в постановке задач исследования, решении принципиальных вопросов по теоретическому анализу процесса электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД, разработке методики и программной реализации проведенных вычислений, участии в экспериментальных исследованиях.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ. Общий объем публикаций составляет 2,8 п.л., из которых 0,9 п.л. принадлежит лично соискателю.

Структура и объем диссертации включает в себя введение, четыре главы основного материала, библиографический список использованных литературных источников и приложения. Объем работы составляет 152 листа, в тексте 50 иллюстраций, 11 таблиц. Список использованных источников включает 124 наименования.

Выводы.

1. Разработана новая математическая модель электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД, позволившая выявить неизвестные ранее закономерности процесса электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД и положенная в основу методики расчета динамики рабочих процессов в ЛЭМД;

2. В структуре противо-ЭДС ЛЭМД выявлена составляющая ха

11 растеризующая эффективность режима работы двигателя через соотношение величин магнитной и механической мощностей, развиваемых двигателем в процессе электромеханического преобразования энергии;

3. Определен режим работы ЛЭМД формирующий максимум величины развиваемой двигателем механической мощности, характеризующийся зависимостью между динамической и мгновенной индуктивностями, записываемой в виде: Ьдим = +.

1.1. Анализ схем питания электромагнитного генератора силовых импульсов.31.1. Особенности питания СЭМИС. Определение критериев согласованной работы источника питания и ЛЭМД.

2. Особенности эксплуатации СЭМИС диктуют необходимость выполнения со стороны ИП ряда требований:

3. Отдаленность работы СЭМИС от промышленных районов не позволяет использовать промышленную электрическую сеть, поэтому геологическая партия должна иметь автономные источники электропитания;

4. ИП должен обеспечить возможность отбора ЛЭМД мощных, кратковременных импульсов тока.

5. Критерий эффективности работы ИП и ЛЭМД на единичном цикле срабатывания СЭМИС кэф.ед., по аналогии с выражением (3.2), запишем в виде:кэф,д.= — • (3.4)1. Л тах

6. Таким образом, эффективность совместной работы ИП и ЛЭМД, определяется коэффициентами (3.2) и (3.4), учитывающими не только величину электрической энергии потребленной двигателем, но и остаточную величину неиспользованной энергии в ИП.

7. Рассмотрим существующие схемы питания электромагнитного СЭМИС, определив их достоинства и недостатки.31.2. Аккумуляторная схема питания СЭМИС.

8. Достоинством данной схемы питания ЛЭМД является относительная простота эксплуатации АБ.

9. Вопросы питания ЛЭМД от аккумуляторных батарей рассматриваются в81.31.3. Конденсаторная схема питания СЭМИС.

10. Количество циклов заряда-разряда КБ значительно превосходит данную величину у АБ;

11. Простота процесса заряда КБ, так как не требуется поддержание определенных величин тока;

12. К недостаткам КБ следует отнести:

13. Значительные величины токов утечки у традиционных КБ, не позволяющие хранить запасенную в них электрическую энергию продолжительное время. Применение электрохимических конденсаторов устраняет этот недостаток, но повышает стоимость ИП;

14. Снижение частоты срабатывания СЭМИС за счет необходимости предварительного заряда КБ;

15. Инвертирование уровня напряжения поступающего от источника энергии на КБ, требует применения относительно сложного и дорогостоящего оборудования.

16. Рис. 3.1. Аккумуляторная схема питания ЛЭМД

17. Рис. 3.2 Конденсаторная схема питания ЛЭМД

18. Рис. 3.3 Схема питания ЛЭМД от двух конденсаторных батарей

19. Математическое моделирование процессов питания линейного электромагнитного двигателя.32.1. Определение пути решения задачи оптимизации процесса совместной работы ИП и ЛЭМД.

20. Для определения влияния схемы питания на КПД ЛЭМД должны быть известны величины потребленной электрической и преобразованной механической энергий за цикл срабатывания СЭМИС. Проведем анализ существующих методов решения данной задачи.

21. Основными динамическими характеристиками ЛЭМД, определяющими динамику его энергетического состояния, являются зависимости тока \ в обмотке возбуждения и величины рабочего воздушного зазора 8 от времени V.

22. Определение зависимости между составляющими выражений (3.5) и (3.6) во время срабатывания ЛЭМД, является одной из основных задач анализа функционирования ЛЭМД 88 90, 96-98, 103, 105, 110.

23. Известные методы определения взаимосвязи между выражениями (3.5) и (3.6) можно разделить на четыре основных группы, различающиеся методом решения системы уравнений (3.7, 3.8):

24. РсопР=^5) характеристик двигателя, а также, в отдельных случаях, пренебрежении активным сопротивлением обмотки возбуждения. В этих условиях, расчет имеет большую погрешность или показывает только качественную картину происходящих в ЛЭМД процессов.

25. Алгоритм расчета рабочих характеристик электромагнитного механизма включает две последовательные математические задачи:

26. Определим алгоритм и методику расчета динамических зависимостей (3.5) основанную на предложенной во второй главе теоретической модели электромеханического преобразования энергии в ЛЭМД 124.

27. На основании (2.11), учитывая (2.15) и (2.28) запишем баланс мощностей в ЛЭМД:

28. У|/=.<1\|/МеХ | 1 .¿У|/маг.н.1. Л (11 2 Л1 +