Силовая электромагнитная импульсная система для наземной сейсморазведки малых глубин тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.09.03, кандидат технических наук Вырыханов, Денис Александрович

• Вырыханов, Денис Александрович
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вырыханов, Денис Александрович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Силовая электромагнитная импульсная система для наземной сейсморазведки малых глубин»

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.

Заключение диссертации по теме «Электротехнические комплексы и системы», Вырыханов, Денис Александрович

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 = +.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вырыханов, Денис Александрович, 2006 год

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 +