Статья посвящена разработке источника питания генератора импульсного напряжения (ГИН) на основе линейного импульсного трансформатора (ЛИТ-генератора) для электроимпульсного бурения горных пород напряжением 2 кВ и мощностью 2 кВт. Приведена упрощенная принципиальная схема разработанного источника питания и результаты ее моделирования и проверки работоспособности на основе макетного образца.
Ключевые слова: электроимпульсный способ разрушения и бурения горных пород, генератор импульсного напряжения, импульсный источник питания.
Весьма перспективным является электроимпульсный (ЭИ) способ разрушения и бурения горных пород. Разрушающим инструментом ЭИ способа является плазма канала разряда в толще породы. В самой сущности ЭИ способа заложена возможность достижения более высокой эффективности разрушения в сравнении с механическими способами.
Согласно большому числу исследований [1,2] электроимпульсное бурение является наиболее перспективным для сверхглубоких скважин. Его эффективность и скорость бурения слабо зависят от глубины. Низкий износ долота снижает число обходов бурового инструмента и наряду с высокой скоростью электроимпульсного бурения в твердых породах (около 6, 7 м / ч) делает этот метод наиболее выгодным.
Электроимпульсное бурение заключается в следующем. Внутренняя часть металлической коронки, которая выполняет роль отрицательного электрода электроимпульсного бура, выполнена в виде эллиптического параболоида. В центре бура размещен положительный электрод. При подаче разряда на поверхности грунта появляется очень большое давление, которое приводит к измельчению камней на более мелкие куски. Для осуществления электроимпульсного разряда полость бура заполняется технической водой. Разрушенные и раздробленные куски каменного грунта удаляются проточной водой [3,4].
Для обеспечения данной технологии необходим генератор импульсного напряжения (ГИН). Который обеспечивает формирование высоковольтных импульсов.
Авторами [5] рассматривается возможность проектирования и использования ГИН на основе линейного импульсного трансформатора (ЛИТ-генератора) для электроимпульсного бурения горных пород напряжением 2 кВ и мощностью 2 кВт. Предварительные лабораторные испытания на различных образцах горных пород показали, что генератор ЛИТ обеспечивает на 30 % более высокую удельную мощность по сравнению с генераторами Маркса, традиционно используемыми в данной технологии. Конструкция генератора ЛПТ достаточно проста и допускает меньшее количество переключателей, что повышает его надежность и срок службы.
Схема одного из таких генераторов показана на рисунке 1.
Рис. 1. Схема ГИН на базе импульсных трансформаторов
Генератор предназначен для использования в электроразрядных технологиях, таких как дезинтеграция горных пород, снятия поверхностного слоя железобетонных конструкций, дробления мелкодисперсных частиц в растворах и т. п. мощными искровыми разрядами, канал которых внедряется в твердое тело, разрушая его. Генератор содержит многоканальный искровой разрядник, емкостный накопитель и импульсный трансформатор, размещенные в одном цилиндрическом корпусе и соединенные последовательно. При этом каждый искровой промежуток многоканального искрового разрядника снабжен управляющим электродом, соединенным через резистор (10) с заземленным электродом и через конденсатор (11) и кабель (12) с анодом дополнительно введенного стартового разрядника (13). Заземленный электрод служит крышкой многоканального искрового разрядника (2). Емкостный накопитель (3) выполнен из параллельно соединенных цилиндрических конденсаторов (14). По сравнению с другими схемами генераторов, данная схема имеет увеличенную крутизну фронта импульса, малое волновое сопротивление, повышенную надежность и ресурс генератора [6]
Для обеспечения работоспособности схемы ГИН необходимо наличие первичного зарядного устройства, как правило, напряжением несколько единиц-десятков киловольт. Эти зарядные устройства являются важным компонентом схем ГИН, от которых в том числе зависит надежность всей установки.
На рисунке 9 показана упрощенная принципиальная схема разрабатываемого источника питания. Принцип действия импульсного источника питания можно объяснить следующим образом. Входное напряжение частотой 50 Гц поступает на выпрямитель. Выпрямитель собран по мостовой схеме, поскольку такая схема имеет низкое напряжение на диодах и более равномерное распределение тока диодов по сравнению с другими вариантами схем выпрямителей.
Выпрямленное постоянное напряжение далее поступает на инвертор, который преобразует его в переменное напряжение высокой частоты. Для мощности более 1 кВт рекомендуется использовать мостовую схему инвертора и полевые транзисторы в качестве ключевых элементов [7].
Далее переменное напряжение с помощью импульсного трансформатора преобразуется до нужной величины и снова выпрямляется выпрямителем. В качестве выходного выпрямителя также использована мостовая схема, поскольку мостовой инвертор передает мощность в обоих полупериодах работы схемы.
Схема управления задает частоту работы инвертора, а также защищает схему от короткого замыкания за счет обратной связи по току и напряжению.
Рис. 2. Упрощенная принципиальная схема импульсного источника питания
Для нашей схемы мы разделили блоки трансформатора, выходного выпрямителя и фильтра на три одинаковых модуля, включенных параллельно на входе и последовательно на выходе. В этом случае в каждом звене напряжение получается менее 1000 вольт, в результате это облегчит подбор компонентов в выходных цепях и увеличит надежность. Ток на входе этих устройств будет равен 1/3 суммарного тока, а напряжение равно напряжению выхода инвертора. На выходе этих устройств напряжение равно 1/3 выходного напряжения, а ток равен току нагрузки.
Чтобы проверить работоспособность схемы, было проведено моделирование работы схемы. На рисунке 3 представлено моделирование схемы инвертора и спользованием программы моделирования электронных схем LTSpice.
Рис. 3. Моделирование схемы в программе моделирования электронных схем LTSpice: 1)- Транзистор Irf740; 2)- Резистор; 3)- Источник напряжение; 4)- Диод; 5)- Конденсатор
Параметры элементов схемы соответствуют расчетным. В LTSpice нет модели именно тех транзисторов, которые мы выбрали. Поэтому здесь использованы другие, но с такими же характеристиками. К затворам транзисторов подключены импульсные источники, которые будут имитировать схему драйвера управления ключами [8].
На рисунке 4 изображено напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора.
Рис. 4. Напряжение на первичной и вторичной обмотках трансформатора
На рисунке 5 представлен фронт управляющего и управляемого сигнала. В осциллограмме видно, что открытие транзисторов происходит приблизительно за 40 нс.
Рис. 5. Фронт управляющего и управляемого сигнала
Результаты моделирования показывают работоспособность принятых решений для построения схемы ГИН. В результате разработан макетный образец источника питания и проверена его работоспособность.
Рис. 6. Макет источника питания ГИН. 1- Инвертор; 2- Повышающий трансформатор; 3- Эквивалент нагрузки; 4-Драйвер; 5- Шим контроллер; 6- Входной выпрямитель
На рисунок 7) показаны осциллограммы напряжений транзисторов инвертора.
Рис. 7. Напряжение на стоке (красный) и затворе (синий) транзистора: а) открытие транзистора; б) закрытие транзистора
Как видно из представленных осциллограмм открытие транзистора происходит за 40 нс, что совпадает с данными моделирования.
В результате испытания определили работоспособность трансформатора и схемы выпрямления. Результаты измерения показаны на рисунке 8.
Рис. 8. Осциллограммы напряжения на первичной (снизу) и вторичной (сверху) обмотках трансформатора: а)- без емкостного фильтра; б)- при наличии емкостного фильтра
Видно, что на вторичной обмотке трансформатора возникает высокочастотный резонанс на паразитных параметрах обмотки. Это негативный фактор, поскольку всплеск напряжения может привести к пробою трансформатора или компонентов схемы. Однако видно, что при подключении емкостного фильтра выбросы значительно уменьшаются. На выходе фильтра присутствует постоянное напряжение без значительных пульсаций, что свидетельствует о работоспособности схемы.
Литература:
- B. V. Semkin. The principles of electric impulse destruction of materials// Nauka/ S.-Petersburg. — 1993.
- A. Rodland. Deep Geothermal Energy; Photonics for Harvesting // Proceedings Swissphotonics-Workshop Photonics for Deep Geothermal Energy Harvesting. — 2012.
- Кусаиынов К. и др. О способе электроимпульсного бурения скважин и разрушения твердых тел //Журнал технической физики. — 2017. — Т. 87. — №. 6. — С. 852–855.
- Yudin A. S. et al. Electrical discharge drilling of granite with positive and negative polarity of voltage pulses //International Journal of Rock Mechanics and Mining Sciences. — 2019. — Т. 123. — С. 104058.
- D.Molchanov; V. Vazhov; I. Lavrinovich; V. Lavrinovich; N. Ratakhin. Downhole generator based on a line pulse transformer for electro pulse drilling. IEEE 21st International Conference on Pulsed Power (PPC). — 2017
- Канаев Г. Г. и др. Высоковольтный импульсный генератор для электроразрядных технологий. — 2010.
- Вдовин С. С. Проектирование импульсных трансформаторов// — 2-е изд.Л: Энергоатомиздат, 1991г.
- Сохор Ю. Н. Моделирование устройств в LTspice: учебно-методическое пособие/ Сохор Ю. Н. — Псковск. гос.политехн. ин-т. — Псков: Издательство ППИ, 2008. — C.165.
