Тиристорный генератор

 

Использование: как источник питания в геофизических скважинных устройствах при проведении геофизических работ в скважине. Техническая задача: создание надежного тиристорного генератора, имеющего широкие функциональные возможности. Сущность: тиристорный генератор содержит источник постоянного тока, инвертор, состоящий из двух последовательных контуров, каждый из которых образован соединенными последовательно фильтровым конденсатором, коммутирующим дросселем, тиристором и коммутирующим конденсатором, формирователь управляющих импульсов с подключенным к нему задающим генератором, при этом питание формирователя управляющих импульсов обеспечивается тем, что в общую диагональ последовательных контуров включен трансформатор тока, зашунтированный конденсатором и нагруженный на выходной усилитель формирователя импульсов, выходы усилителя подключены к соответствующим управляющим входам тиристоров. 1 ил.

Изобретение относится к тиристорным преобразователям частоты и предназначено, например, для использования в геофизических скважинных устройствах при проведении геофизических работ в скважине.

Известен однофазный инвертор с самовозбуждением по А.С. СССР N 1427527, кл. H 02 M 7/515, пр. 01.07.86 г. содержащий тиристорный мост с конденсатором в диагонали переменного тока, дроссель в одной из шин питания моста, четыре диода, каждый из которых катодом подключен к управляющему электроду одного из четырех тиристоров моста, к конденсатору которого параллельно подключена пусковая цепь, а также формирователь управляющих импульсов тиристоров с подключенным к нему задатчиком частоты, при этом формирователь импульсов выполнен в виде цепочки из последовательно включенных ограничительного резистора и вспомогательного тиристора, включенной между выводом постоянного тока моста положительной полярности и точкой объединения анодов указанных четырех анодов.

Данный инвертор позволяет получить на выходе переменное напряжение при обеспечении надежной работы системы возбуждения колебаний.

В зависимости от глубины погружения температура в скважине изменяется от 25 до 30^o С, при этом температуры в различных скважинах могут отличаться на 40-50^o С, т. е. инвертор должен обеспечивать стабильную работу в диапазоне изменения температуры порядка 80^o C, однако данное схемное решение не обеспечивает стабильность частоты при таких перепадах температур. Кроме того, большие габаритные размеры инвертора из-за наличия большого фильтрового дросселя, а также большого числа элементов схемы, не позволяют использовать его в скважинном генераторе.

Ключевым элементом схемы известного инвертора является тиристор, который формирует фронты импульсов управления. Для отпирания тиристоров инвертора необходимо обеспечить ток в импульс от 1 до нескольких А. Ограничительный резистор в данной схеме включен в цепь питания и его мощность при напряжении на входе 300 В составит порядка 300 Вт. Для нормального отпирания тиристора инвертора паспортная длительность его импульса управления должна быть порядка 5 мкс. При выходной частоте 20-22 кГц (в случае магнитострикционной нагрузки) период следования импульсов не превышает 25 мкс. Таким образом, мощность, рассеиваемая ограничительным резистором, будет не менее 150 Вт. При такой мощности резистор является мощным источником тепла, что будет нарушать тепловой режим в замкнутом объеме скважинного генератора и снизит надежность его работы (схема будет неработоспособной).

Кроме того, генератор на основе данного инвертора не обеспечивает работу магнитострикционной нагрузки (магнитострикционных преобразователей), что сужает область его возможного применения (для эффективной работы магнитострикционных преобразователей необходимо одновременное протекание переменного тока тока возбуждения и постоянного тока поляризации).

Перед разработчиками стояла задача создания схемы тиристорного генератора, позволяющей надежно использовать его в геофизических скважинных (погружаемых) устройствах при различных, в том числе, магнитострикционных нагрузках.

Таким образом, техническая задача, решаемая предлагаемым изобретением - создание надежного тиристорного генератора, имеющего широкие функциональные возможности.

Поставленная задача решается тем, что в тиристорном генераторе, содержащем два последовательно соединенных через цепь нагрузки тиристора, первый коммутирующий конденсатор, подключенный к точке соединения катода первого тиристора с цепью нагрузки, формирователь импульсов с подключенным к нему задающим генератором, первый и второй входы которого соединены с вентилем, включенным последовательно с резистором. В тиристорный генератор, кроме того, введены четыре фильтровых конденсатора, диод, два коммутирующих дросселя и второй коммутирующий конденсатор, соединенный одной обкладкой с точкой соединения анода второго тиристора с цепью нагрузки, а другой обкладкой со свободной обкладкой первого коммутирующего конденсатора и с общей точкой двух последовательно соединенных первого и второго фильтровых конденсаторов, подключенных к выводам источника постоянного тока и через коммутирующие дроссели к свободным электродам тиристоров, а формирователь тока выполнен в виде включенной в цепь, соединяющую пары коммутирующих и фильтровых конденсаторов, первичной обмотки трансформатора тока, ко вторичной обмотке которого подключен выпрямитель с третьим фильтровым конденсатором на выходе, соединенный положительной обкладкой с первым входом выходного усилителя, подключенного к управляющим электродам тиристоров, а отрицательной обкладкой - с отрицательным выводом источника, подключенным к четвертому фильтровому конденсатору и аноду упомянутого вентиля, в качестве котоpого использован стабилитрон, соединенный катодом со свободной обкладкой четвертого фильтрового конденсатора, через резистор с положительным выводом источника, а через диод с первым входом выходного усилителя, ко второму входу которого подключен задающий генератор.

При таком схемном решении тиристорного генератора ток, протекающий через нагрузку, имеет переменную и постоянную составляющие, т.к. при любом из двух включенном тиристоре ток (его постоянная составляющая) через нагрузку всегда имеет одно и то же направление, а именно: от вывода, имеющего общую точку с выводом первого тиристора, к выводу, имеющему общую точку со входом второго тиристора.

Т.е. схема позволяет использовать в качестве нагрузки также и магнитострикционные преобразователи без применения дополнительного источника для их подмагничивания (поляризации).

Для обеспечения оптимального режима работы тиристорного генератора при магнитострикционной нагрузке необходимо настроить преобразователь на оптимальный режим работы (обеспечивающий максимальную мощность излучения), для чего необходимо согласовывать импеданс электрической части тиристорного генератора и импеданс магнитострикционного преобразователя. Данного согласования добиваются при определенных конкретных значениях переменного тока возбуждения и постоянного тока поляризации. Согласование работы двух источников питания преобразователя требует наличия дополнительных устройств и схемных решений, что ухудшает надежность и значительно увеличивает массогабаритные параметры генератора.

Предлагаемое техническое решение, исключив необходимость в дополнительном источнике тока для обеспечения магнитострикционной нагрузки, позволяет при одном источнике питания осуществлять согласование импеданса генератора (электрической части генератора) и магнитострикционной нагрузки путем подбора параметров элементов схемы генератора для конкретной магнитострикционной нагрузки, в дальнейшем нет необходимости контролировать импеданс электрической части генератора и нагрузки, т.к. их соотношение будет постоянным, определяемым только параметрами элементов схемы генератора.

Таким образом, обеспечивается надежная и стабильная работа генератора при включении его в схему магнитострикционной нагрузки.

Кроме того, в предлагаемом генераторе его высокочастотная часть, состоящая из двух последовательных контуров и нагрузки, отделена от источника питания постоянного тока фильтровыми конденсаторами, для этого емкость фильтровых конденсаторов выбирается значительно большей, чем емкость коммутирующих конденсаторов. Следовательно, для надежной работы генератора не требуется дополнительного фильтрового дросселя, что позволяет снизить массогабаритные параметры генератора.

Для обеспечения надежной работы генератора в скважине необходимо иметь систему управления тиристорами, работающую эффективно в условиях замкнутого пространства скважины и не ухудшающую массогабаритные параметры генератора.

Система управления тиристорами не будет ухудшать массогабаритные параметры генератора, если в ней будут отсутствовать мощные, потребляющие значительную энергию, схемные элементы. С этой целью в предлагаемом генераторе источник питания, обеспечивающий работу системы управления тиристорами, разделили таким образом, чтобы не было необходимости иметь большую мощность на входе системы управления для обеспечения на ее выходе тока, достаточного для отпирания тиристоров.

Для снижения установленной мощности системы питания тиристорами в предлагаемом генераторе обеспечили промежуточный источник для питания выходного усилителя, с выходом которого на тиристоры поступают управляющие импульсы.

Слаботочный (8-10 мА) задающий генератор, включающий систему распределения импульсов, запитан через цепочку ограничительный резистор - стабилитрон. При этом мощность резистора выбрана такой, чтобы обеспечить питание данного задающего генератора (при напряжении источника постоянного тока 300 В достаточно иметь резистор 40-50 кОм, при этом выделяемая мощность составит 3-5 Вт) и не более того.

Для питания выходного усилителя (или усилителей) используется источник, представляющий собой трансформатор тока, включенный в диагональ переменного тока инвертора, с выхода трансформатора через выпрямитель ток поступает на третий фильтровый конденсатор и далее на выходной усилитель. Для того, чтобы в случае обрыва цепи трансформатор тока не сгорел, применяют гасящую емкость, которую подключают к выводам вторичной обмотки трансформатора.

При подаче напряжения на вход инвертора через ограничительный резистор происходит заряд четвертого фильтрового конденсатора, при этом напряжение его заряда, являющееся питающим для задающего генератора контролируется первым входом задающего генератора и генерация не разрешается, пока напряжение не достигнет заданного значения, после чего импульсы с выхода задающего генератора поступают на вход выходного усилителя.

Одновременно с началом заряда четвертого фильтрового конденсатора через ограничительный резистор и диод происходит заряд третьего фильтрового конденсатора, напряжение которого является питающим для выходного усилителя. При достижении напряжения на разрешающем входе задающего генератора заданной величины начинается генерация, при этом задающий генератор формирует импульсы требуемой частоты и распределяет их на два такта. Импульсы каждого такта усиливаются выходным усилителем. При этом энергии, запасенной в третьем фильтровом конденсаторе оказывается достаточно для того, чтобы включить тиристоры инвертора. Одновременно с включением тиристоров одного из плеч инвертора ток диагонали инвертора через трансформатор тока и выпрямитель подпитывает третью фильтровую емкость и с этого момента источником питания выходного усилителя является трансформатор тока.

Диод служит для исключения разряда третьей фильтровой емкости через входные цепи задающего генератора, а также разделяет источник питания задающего генератора и выходного усилителя.

Мощность введенного ограничительного резистора не превышает 3-6 Вт, что не повлияет на нарушение теплового режима в скважине в месте расположения скважинного геофизического прибора, снабженного данным генератором (ограничительный резистор при такой мощности не будет являться дополнительным источником тепла, нарушающим нормальное функционирование скважинного прибора). При работе генератора данный резистор будет служить лишь для подпитывания слаботочной системы питания задающего генератора.

Необходимый для отпирания тиристоров ток, обеспечивается параметрами трансформатора тока, выпрямителя, третьего фильтрового конденсатора и выходного усилителя, обеспечение такого направленного питания (отсутствуют затраты энергии, связанные с питанием других функциональных узлов схемы) позволяет выбрать минимально необходимые и достаточные для нормального фукционирования схемы параметры данных элементов.

Предлагаемая схема тиристорного преобразователя не имеет больших и громоздких элементов схемы (фильтровых дросселей, мощных резисторов и конденсаторов и т.п.), что позволяет выполнить генератор в малых объемах. Введенные элементы также не имеют значительных габаритных размеров и поэтому их введение не повлияет на значительное увеличение массо-габаритных параметров генератора, поэтому предложенная схема тиристорного генератора позволит использовать его в качестве скважинного.

Таким образом, предлагаемое техническое решение позволяет минимизировать размеры тиристорного генератора, что делает возможным его использование в качестве скважинного для питания скважинных геофизических устройств и, тем самым, также расширяет его функциональные возможности, а обеспечение нормального режима работы такого генератора в условиях замкнутого пространства скважины позволяет повысить стабильность и надежность его работы.

На чертеже изображена схема предлагаемого тиристорного генератора.

Тиристорный генератор содержит входной выпрямитель 1, подключенный к последовательно соединенной паре фильтровых конденсаторов 2, 3, которые через коммутирующие дроссели 4, 5 подключены соответственно к аноду тиристора 6 и к катоду тиристора 7. К катоду тиристора 6 и к аноду тиристора 7 подключена пара последовательно соединенных коммутирующих конденсаторов 8, 9, зашунтированных нагрузкой 10 магнитострикционным преобразователем. Общие точки фильтровых конденсаторов 2, 3 и коммутирующих конденсаторов 8, 9 соединены между собой через первичную обмотку трансформатора 11. Управляющие выводы тиристоров 6, 7 подключены к выходам выходного усилителя 12.

Вторичная обмотка трансформатора 11 зашунтирована конденсатором 13 и подключена к входным зажимам выпрямителя 14 (например, однофазный мостовой выпрямитель на диодах). Выпрямитель 14 зашунтирован конденсатором 15, одна обкладка которого соединена с отрицательным выводом источника питания, а положительная обкладка соединена с клеммой питания (первым входом) усилителя 12. Между положительным и отрицательным выводами источника питания (между выходами выпрямителя 1) включена цепочка из резистора 16 и стабилитрона 17, зашунтированного конденсатором 18. Общая точка стабилитрона 17 и конденсатора 18 через резистор 16 соединена с положительным выводом источника питания и одновременно подключена к первому (разрешающему) входу задающего генератора 19, ко второму входу которого подключена другая общая точка конденсатора 18 и стабилитрона 17.

Первый вход задающего генератора 19 подключен к аноду диода 20, катод которого соединен с первым входом усилителя 12.

Генератор работает следующим образом.

В исходном состоянии переменное напряжение питающей сети промышленной частоты, поданное на входные выводы выпрямителя 1, преобразуется в постоянное. Конденсаторы 2, 3 заряжаются в сумме примерно до амплитудного значения напряжения питающей сети.

Одновременно через ограничительный резистор 16 (50 кОм) происходит заряд конденсатора 18, при этом задающий генератор 19 не начинает генерации, пока напряжение заряда конденсатора 18 не достигнет заданного уровня. Одновременно с началом заряда конденсатора 18 через резистор 16 и диод 20 происходит заряд конденсатор 15. При достижении напряжения на разрешающем входе задающего генератора 19 заданной величины начинается генерация, импульсы задающего генератора 19 поступают на второй вход усилителя 12. При этом энергии, запасенной за этот период времени в конденсаторе 15 оказывается достаточно, чтобы включить через усилитель 12 тиристоры инвертора. При включении одного из тиристоров ток диагонали инвертора через трансформатор тока 11 и выпрямитель 14 подпитывают конденсатор 15. Далее источником питания выходного усилителя является трансформатор тока 11.

Задающий генератор 19 распределяет импульсы по двум тактам с тем, чтобы в плечи инвертора импульсы поступали не одновременно, а в определенной заданной последовательности.

При подаче импульсов управления с выхода усилителя 12 на тиристоры 6, 7 происходит процесс преобразования входного постоянного тока в ток высокой частоты.

При включении тиристора 6 полуволна тока, близкая по форме к синусоидальной, протекает по контуру: При переключении тиристоров (с тиристора 6 на тиристор 7) ток будет протекать по контуру: При протекании тока по магнитострикционной нагрузке последняя начинает работать в режиме, определяемом параметрами схемы тиристорного генератора.

Формула изобретения

Тиристорный генератор, содержащий два последовательно соединенных через цепь нагрузки тиристора, первый коммутирующий конденсатор, подключенный к точке соединения катода первого тиристора с цепью нагрузки, формирователь импульсов с подключенным к нему задающим генератором, первый и второй входы которого соединены с вентилем, включенным последовательно с резистором, отличающийся тем, что в него введено четыре фильтровых конденсатора, диод, два коммутирующих дросселя и второй коммутирующий конденсатор, соединенный одной обкладкой с точкой соединения анода второго тиристора с цепью нагрузки, а другой обкладкой со свободной обкладкой первого коммутирующего конденсатора и с общей точкой двух последовательно соединенных первого и второго фильтровых конденсаторов, подключенных к выводам источника постоянного тока и через коммутирующие дроссели к свободным электродам тиристоров, а формирователь тока выполнен в виде включенной в цепь, соединяющую пары коммутирующих и фильтровых конденсаторов, первичной обмотки трансформатора тока, к вторичной обмотке которого подключен выпрямитель с третьим фильтровым конденсатором на выходе, соединенный положительной обкладкой с первым входом выходного усилителя, подключенного к управляющим электродам тиристоров, а отрицательный обкладкой с отрицательным выводом источника, подключенным к четвертому фильтровому конденсатору и аноду упомянутого вентиля, в качестве которого использован стабилитрон, соединенный катодом со свободной обкладкой четвертого фильтрового конденсатора, через резистор с положительным выводом источника, через диод с первым входом выходного усилителя, к второму входу которого подключен задающий генератор.

РИСУНКИ

Рисунок 1