Содержание к диссертации
Стр.
ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ТРЕБОВАНИЙ ПРЕДЬЯВЛЯЕМЫХ К СОВРЕ
МЕННЫМ УЛЬТРАЗВУКОВЫМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ УСТА
НОВКАМ (УЗТУ) 12
Классификация и характеристики УЗТУ 12
Исследования параметров пьезокерамики как нагрузки генератора 20
Измерение параметров схемы замещения пьезокерамического
преобразователя 34
Выводы по главе 1 36
ГЛАВА 2. СПОСОБЫ ВОЗБУЖДЕНИЯ ПЬЕЗОКЕРАМИЧЕСКИХ ИЗ
ЛУЧАТЕЛЕЙ 37
Особенности работы пьезокерамических излучателей от источника прямоугольного напряжения. 37
Согласование импедансов источника питания и пьезокерамического излучателя 41
Исследование передаточных характеристик согласующих цепей 43
Исследование энергетических показателей 50
Оптимизация массо - габаритных параметров 61
Стабилизация рабочего режима ультразвукового излучателя 65
Возбуждение пьезокерамических излучателей однотактными
схемами 89
Выводы по главе 2 98
ГЛАВА 3. РЕЗУЛЬТАТЫ РАЗРАБОТКИ СИСТЕМ ПИТАНИЯ И ИССЛЕДОВАНИЕ МОДУЛИРОВАННЫХ РЕЖИМОВ ВОЗБУЖДЕНИЯ
ПЬЕЗОПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 99
3 Л Практические схемы систем питания пьезопреобразователей... 99
3 Л Л Источник питания ультразвуковой технологической установ
ки 99
3.1.2 Ультразвуковая установка для диспергирования жидких сред. 104
3.2 Амплитудно- модулированное питание ультразвуковых техно
логических установок 108
Выводы по главе 3 120
Заключение 122
Литература 124
Приложения 131
Введение к работе
Актуальность работы. Технологии с использованием мощных акустических колебаний ультразвуковой частоты применяются в промышленности уже около 50 лет. При наложении ультразвуковых колебаний многие технологические процессы проходят более эффективно (повышается скорость и/или улучшается качество обработки изделий), идут те процессы, которые без наложения ультразвука вообще не происходят [1], [8], [9].
Основными источниками акустических колебаний являются излучатели на основе пьезокерамики. Данные излучатели работают на мощностях обычно до 1 кВт [2], [7]. Для их питания применяются ультразвуковые генераторы, работающие в линейном или ключевом режиме.
Ультразвуковые технологии постоянно развиваются, появляются новые направления, такие как, например ультразвуковая хирургия, получившая в последние годы бурное развитие [64], [69], [85]. Увеличивается функциональность технологических установок.
Совершенствуются пьезокерамические материалы, увеличивается их номенклатура. Появилось большое количество материалов существенно отличающихся друг от друга по основным параметрам, что позволяет разработчику технологических установок оптимально подбирать пьезокерамику под конкретную задачу [11].
Изменения в ультразвуковой технологии и свойствах пьезокерамических материалов привело к тому, что существовавшие принципы и методики построения и расчета источников питания (ультразвуковых генераторов) в новых условиях оказываются не всегда эффективными (источники питания имеют невысокие КПД, стабильность параметров и надежность).
В связи с этим можно выделить следующие основные недостатки существующих методик разработки источников питания для ультразвуковых пьезокерамических технологических установок:
5 недостаточно полно исследована схема замещения пьезокерамического излучателя для силовых применений. При проектировании источников питания применяется схема замещения пьезокерамического преобразователя вблизи основного резонанса (первой гармоники). Если для источников питания работающих в линейном режиме это вполне приемлемо, то для источников питания, работающих в ключевом режиме, выходное напряжение которых имеет прямоугольную форму с широким спектром, такое допущение является грубым. Поэтому необходимы описание и учет более полной схемы замещения пьезокерамического преобразователя в широкой полосе частот.
применение источника питания, работающего в ключевом режиме, требует схемы согласования по причине того, что пьезокерамика имеет значительную собственную электрическую емкость. Схема согласования позволяет существенно улучшить режимы работы силовых элементов источника питания, избежать бросков тока и скомпенсировать реактивную составляющую сопротивления нагрузки.
Развитие технологий и применение новых пьезокерамических материалов привело и к существенному изменению основных параметров схемы замещения ультразвуковых излучателей (добротность, собственная электрическая емкость, эквивалентное активное сопротивление и др.). По этим причинам существовавшие методы построения и расчета цепей согласования источников питания с излучателями на основе пьезокера-мики оказываются во многих случаях малоэффективными (схемы имеют низкие коэффициент мощности и стабильность параметров при изменении нагрузки).
Поэтому существует необходимость в разработке методики построения и расчета цепей согласования под каждую конкретную задачу, особенностью ультразвуковых излучателей технологических установок является то, что параметры схемы замещения излучателя в течение тех-
нологического процесса изменяются в значительной степени. Например, в ультразвуковом инструменте для озвучивания металлов, эквивалентное электрическое сопротивление при работе на металл и на воздух (такое чередование является особенностью многих технологических процессов) отличаются на порядок и выше. При этом изменяются и другие параметры излучателей. Тем не менее, в литературе нет сравнительного анализа методов регулирования и стабилизации режима [1], [7], [23]. В предлагаемой диссертационной работе предпринята попытка осветить пробелы в этой области.
Цель работы. Теоретические и экспериментальные исследования источников питания пьезокерамических излучателей ультразвуковых технологических установок, создание методики их расчета и оптимизации режима работы.
Методы исследования. В основе метода исследования лежит классический способ анализа источников питания. На разных этапах исследования применялись дифференциальное и интегральное исчисления, спектральный анализ и др. Для решения поставленных задач использовались методы оптимизации и машинного моделирования. Проверка теоретических результатов осуществлялась с помощью экспериментальных исследований. Научная новизна.
Доказано, что при разработке источников питания ультразвуковых технологических установок необходимо учитывать наличие резонансов пьезокерамического преобразователя кратных основному, что позволит повысить точность расчетов элементов инвертора и их режимов.. Приведены результаты исследований схем замещения, а также амплитудно-частотные и фазо- частотные характеристики пьезокерамических излучателей. Предложена методика определения параметров многорезонансной схемы замещения пьезокерамического преобразователя.
Исследованы режимы возбуждения пьезокерамического излучателя. В результате было выяснено, что для возникновения незатухающих колебаний в из-
7 лучателе необходимо возбуждать его только переменным или содержащим переменную составляющую напряжением. При этом необходимо обеспечивать двунаправленное протекание тока через нагрузку.
Проведен анализ способов регулирования и стабилизации режима работы
ультразвукового излучателя в двухтактных преобразователях. На основе мате
матических моделей источника питания и нагрузки исследованы способы регу
лирования и стабилизации с помощью широтно- импульсной модуляции
(ШИМ) без нуля в паузе, частотного регулирования (изменение рабочей часто
ты относительно резонансной ультразвукового излучателя) и ШИМ с нулем в
паузе. Приведены регулировочные характеристики для каждого из способов
стабилизации. Доказано, что наибольшим КПД и наименьшими потерями в
коммутирующих элементах источника питания характеризуются частотный
способ регулирования и ШИМ с нулем в паузе.
Возбуждение пьезопреобразователей однотактными схемами возможно, если
выходная часть преобразователя обеспечивает протекание разнополярного то-
ка. Одним из способов обеспечения данного свойства может являться наличие
на выходе инвертора дросселя, трансформатора или двунаправленного, замы
кающего нагрузку ключа. При этом данные схемы возбуждения имеют худшие
энергетические характеристики, чем двухтактные при работе на пьезокерами-
ческий излучатель.
В результате практических исследований установлено, что введение ампли
тудной модуляции на оптимальной частоте для конкретного технологического
процесса позволяет повысить равномерность распределения акустического по
ля по объему озвучиваемой жидкой среды.
Краткое содержание работы. В первой главе проведен обзор ультразвуковых технологических установок, их классификация, основные параметры и особенности применения. Сформулированы основные требования к схеме замещения и предложена методика определения ее параметров. Показано, что схема замещения имеет не один, а множество резонансов.
Проведены исследования схем замещения, амплитудно- частотных и фазо- частотных характеристик пьезокерамических излучателей, как отдельно, так и в составе технологических установок.
Вторая глава посвящена разработке схем согласования и способов стабилизации и регулирования режима. Рассмотрены особенности возбуждения пьезоэлектрических излучателей двухтактными и однотактными схемами.
В качестве цепей согласования проанализированы Г- образные LC-фильтры нижних частот. Исследованы их энергетические и массо - габаритные характеристики.
Проведен анализ способов регулирования и стабилизации режима работы ультразвукового излучателя в двухтактных преобразователях. На основе математических моделей источника питания и нагрузки исследованы способы регулирования и стабилизации с помощью широтно- импульсной модуляции (ШИМ) с рекуперацией, частотного регулирования (изменение рабочей частоты относительно резонансной ультразвукового излучателя) и ШИМ без рекуперации. Приведены регулировочные характеристики для каждого из способов стабилизации. Проведен сравнительный анализ мощности высокочастотного фильтра источника питания инвертора, коммутируемой энергии и КПД инвертора для различных способов регулирования.
В третьей главе рассмотрены вопросы применения амплитудной модуляции в технологических установках и предложены способы их ввода. Приведены результаты экспериментов. Также представлены разработки практических устройств источников питания ультразвуковых технологических установок с пье-зокерамическим преобразователем в основе.
Положительным эффектом от введения модуляции при озвучивании жидкости является более равномерное распределения акустического поля по ее объему, что в свою очередь весьма важно при некоторых технологических процессах, таких как диспергирование, эмульгирование, ультразвуковая очистка и т. д. [1], [7], [20]. Экспериментально исследована зависимость распределения
9 акустического поля по объему жидкости при различных частотах и глубине модуляции.
Основные положения, выносимые к защите.
1. При использовании для возбуждения мощных пьезокерамических из
лучателей ключевых генераторов необходимо учитывать, что схема замещения
излучателя представляет собой резонансную нагрузку не только на основной,
но и на ряде кратных частот.
Стабилизацию и регулирование режима работы ультразвуковой технологической установки можно производить не только ШИМ с рекуперацией, но и частотным регулированием или ШИМ без рекуперации. Наибольшим КПД и наименьшими потерями в коммутирующих элементах источника питания характеризуются частотный способ регулирования и ШИМ без рекуперации.
Однотактные схемы возбуждения ультразвуковых излучателей на основе пьезокерамики обладают худшими энергетическими характеристиками по сравнению с двухтактными.
Введение амплитудной модуляции на требуемой для конкретного технологического процесса частоте позволяет повысить равномерность распределения акустического поля по объему озвучиваемой жидкой среды.
Апробация работы.
Материалы диссертационной работы обсуждались на следующих конференциях:
Система питания ультразвуковых технологических установок. Научно-практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии". Томск, 1998.
Система возбуждения ультразвуковых преобразователей с обратной связью по току. Научно- практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии". Томск, 1999.
10 3. Способы согласования ультразвуковых пьезокерамических преобразователей с генераторами, работающими в режиме переключений. Научно- практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии". Томск, 2000.
Положения диссертационной работы изложены в следующих опубликованных работах:
Редько В. В., Багинский Б. А. Источник питания ультразвуковой технологической установки. Журнал: "Приборы и техника эксперимента" №4, 2000 г., с. 154- 157.
RecTko V. V., Baginskyi В. A. Power supply of ultrasonic technological installation. Instruments and Experimental Techniques. Vol. 43, № 4, 2000, pp. 576- 579.
Редько В. В., Багинский Б. А. Способы согласования ультразвуковых пьезокерамических преобразователей с генераторами, работающими в режиме переключений. Принята к печати в журнале "Электротехника".
Редько В. В. Способы возбуждения пьезокерамических излучателей. Деп. в ВИНИТИ № 3311-1300, 2000.
Редько В. В. Способы возбуждения пьезокерамических излучателей од-нотактными схемами инверторов. Деп. в ВИНИТИ № 402- В2001.
Багинский Б. А., Жуков В. К., Редько В. В. Свидетельство на полезную модель № 15057 "Устройство для управления ультразвуковым генератором".
Редько В. В. Система питания ультразвуковых технологических установок. Четвертая областная научно- практическая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии". Сб. статей - Томск: Изд- во ТПУ, 1998.
Редько В. В. Система питания ультразвуковых технологических установок с обратной связью по току. Пятая областная научно- практическая
конференция студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии". Сб. статей - Томск: Изд- во ТПУ, 1999. 9. Редько В. В. Способы согласования ультразвуковых пьезокерамических преобразователей с генераторами, работающими в режиме переключений. Труды шестой областной научно- практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых "Современные техника и технологии". Сб. статей - Томск: Изд.- во ТПУ, 2000.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработана и внедрена установка для ультразвукового диспергирования
жидких сред на кафедре общей и неорганической химии Томского политехни
ческого университета.
Разработан и внедрен источник питания пьезокерамических излучателей для ультразвуковой установки подготовки поверхностей перед нанесением гальванических покрытий на Томском заводе приборных подшипников.
Разработанный источник питания использовался на кафедре воєнно- полевой хирургии Томского воєнно- медицинского института в качестве источника питания дистанционного ультразвукового элиминатора, применяемого для мало-инвазивной элиминации пульпозного ядра межпозвонкового диска позвоночного столба человека.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из 3-х глав и 3-х приложений, содержит 134 страницы, включая 72 иллюстрации, 3 таблицы и список литературы из 85 наименований.
