CC BY
89
УДК 681.586.48 ББК 31.235
СВ. ЯНКЕВИЧ, Г.В. МАЛИНИН
ОБЗОР СХЕМОТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПРИ ПОСТРОЕНИИ СИЛОВОЙ ЧАСТИ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Ключевые слова: ультразвуковой генератор, пьезоэлектрический излучатель, маг-нитострикционный излучатель, подмагничивание, смещение, автономный последовательный резонансный инвертор, индукция.
В статье рассмотрены тиристорные и транзисторные генераторы ультразвуковых колебаний, работающие на магнитострикционную и пьезоэлектрическую нагрузку. Среди тиристорных генераторов на повышенных частотах находят применение тиристорные резонансные инверторы. Однако применение тиристорных инверторов в качестве источников питания электроакустических преобразователей ограничено из-за низких частотных свойств тиристоров и сложности схемы управления, вследствие чего их преимущества перед транзисторными генераторами проявляются только при большой выходной мощности (выше 4 кВт). Наиболее перспективными являются генераторы на транзисторах вследствие их высокого быстродействия и малой мощности управления. Классические транзисторные генераторы строятся по полумостовой и мостовой схеме. В магнитострикционном преобразователе напряженность магнитного поля пропорциональна току, в пьезоэлектрическом преобразователе - приложенному напряжению. Генераторы в классическом исполнении не способны обеспечить большую акустическую мощность магнитострикцонной нагрузки вследствие характера зависимости амплитуды колебаний от изменения магнитной индукции магнитострикционного излучателя. Поэтому для увеличения акустической мощности необходимо использовать либо свойства колебательного контура, в котором конденсатор является источником энергии, увеличивающим ток через магнитострикционную нагрузку, либо корректировать точку покоя на кривой изменения линейной деформации магнитострикционного материала от изменения магнитной индукции. Авторами обосновано применение подмагничивания магнито-стрикционного преобразователя, которое позволяет сместить точку покоя характеристики магнитострикции от магнитной индукции и обеспечить раскачку маг-нитострикционного излучателя симметричным переменным током. Предложен один из вариантов схемной реализации мостового транзисторного преобразователя с подмагничиванием силовой части.
Ультразвуковые генераторы предназначены для преобразования тока промышленной частоты в ток высокой частоты и применяются для питания электроакустических преобразователей. По типу преобразовательного устройства они делятся на ламповые, полупроводниковые (транзисторные и тиристорные) и машинные. В настоящее время новые ультразвуковые генераторы выполняются в основном на полупроводниковых приборах - транзисторах и тиристорах. В данной статье рассматриваются преимущества и недостатки полумостовых и мостовых схем построения силовой части ультразвуковых генераторов с применением транзисторов и тиристоров.
В зависимости от длины волны и частоты ультразвук обладает специфическими особенностями излучения, приёма, распространения и применения. Диапазон ультразвуковых частот удобно подразделять на три поддиапазона: низкие ультразвуковые частоты (1,5-104-105 Гц), средние (105-107 Гц) и высо-
кие (10 -10 Гц). Ультразвуковые генераторы, работающие на средних и высоких частотах, нашли свое применение в эхолокации, медицинской диагностике, ультразвуковой дефектоскопии, устройствах по обработке твердых тел, акустических преобразователях сигналов и т.д. Генераторы, работающие в низкочастотном ультразвуковом поддиапазоне, применяются в очистке от отложений в теплоэнергетике [10], для воздействия на химические и электрохимические процессы, жидкие среды с целью интенсификации, а также для эмульгирования, диспергирования, коагуляции, кристаллизации жидкой среды. Например, в настоящее время в пищевой промышленности широкое применение нашли ультразвуковые генераторы, работающие в низкочастотном поддиапазоне, в частности при производстве крахмала, белка [3], инулина [9], пастеризации молока, пива, соков [4].
Транзисторные генераторы. Ультразвуковые генераторы на транзисторах строятся по схеме с независимым возбуждением, самовозбуждением, автоматической подстройкой частоты. Каждый каскад усиления таких генераторов работает в режиме переключения. Часто в генераторах на транзисторах используется двухтактная схема, применяемая при мощностях 50-150 Вт. В ней напряжение питания выбирается из условия Е < £/С.доп /2, где £/С.доп - допустимое напряжение сток-исток [5].
При мощностях 100-250 Вт более приемлема полумостовая схема (рис. 1). Здесь источник питания Е подключается к мосту, в котором транзисторы включаются между точками в и г, а выходной трансформатор - между точками а и б. Управление транзисторами УТ1 и УТ2 осуществляется системой управления (СУ) в противофазе. В данной схеме к закрытому транзистору прикладывается все напряжение Е, которое выбирается из условия Е < ис.доп.
+• + С3 Е = 300В Г"^
СУ
УТ1
УТ2
УШ _
Л
УБ2_
2\
С1
а 1
С2
Рис. 1. Структурная схема полумостового транзисторного инвертора
в
Т
Z
Н
б
Мостовая схема генератора (рис. 2) состоит из четырех транзисторов. Источник питания включен в диагональ аб, а нагрузка - в диагональ вг. Плечи моста составлены из транзисторов УТ1-УТ4. Управление подается на диагональные транзисторы в противофазе. Конденсаторы С1-С4 служат для
«мягкого» переключения транзисторов УТ1 - УТ4. Для защиты транзисторов УТ1 - УТ4 от перенапряжений, обусловленных индуктивным характером нагрузки, необходимы диоды УБ1 - УБ4. Эти диоды, как правило, интегрированы внутрь самого М08БЕТ транзистора. Конденсаторы С3 и С6 в схемах на рис. 1 и 2, соответственно, играют роль емкостного накопителя энергии и стоят на выходе выпрямительного диодного моста (на рис. 1 и 2 не показан).
а
Напряжение питания, так же как и в полумостовой схеме, определяется из условия Е < иС.доп. Основное преимущество мостовой схемы перед полумостовой заключается в том, что мощность, выделяемая в нагрузке, в два раза превышает мощность, отдаваемую полумостовой схемой.
Известно, что в магнитострикционном преобразователе напряженность магнитного поля пропорциональна току, в пьезоэлектрическом преобразователе, наоборот, напряженность электрического поля пропорциональна приложенному напряжению [6], поэтому пьезоэлектрические ультразвуковые излучатели возбуждаются переменным напряжением, а магнитострикцион-ные ультразвуковые излучатели - переменным током. Магнитострикционные излучатели по сравнению с пьезоэлектрическими имеют большую индуктивность, и вследствие этого «раскачать» до максимальной амплитуды магнито-стрикционный излучатель, представленный нагрузкой 2Н, мостовым или полумостовым транзисторным инвертором, невозможно. Это видно из рис. 3, где представлена зависимость изменения линейной деформации 5 магнитост-рикционного излучателя от изменения индукции В при воздействии симметричным переменным током, формируемым мостовым или полумостовым транзисторным инвертором [1].
Вследствие этого использование силовых схем, представленных на рис. 1 и 2, при построении ультразвуковых генераторов, работающих на магнито-стрикционную нагрузку, не имеет смысла, так как амплитуда колебания торца магнитострикционного преобразователя будет незначительной. Показан-
ные схемы имеет смысл использовать только при построении ультразвуковых генераторов, работающих на пьезоэлектрическую нагрузку, так как там не требуется большой ток на «раскачку» излучателя.
д 5 г 5
У '\/\ЛЛЛ
с -> 8 —■ Вт В ю8
Рис. 3. Изменение линейной деформации 5 от изменения индукции в магнитострикционном материале при воздействии симметричным переменным током
Тиристорные генераторы. Наиболее перспективными для применения на повышенных частотах являются тиристорные резонансные инверторы. В них элементы схемы выбираются таким образом, чтобы собственная частота резонансной цепи превышала частоту управления, вследствие чего выключение проводящего тиристора происходит до момента включения отпираемого тиристора [2].
По своему схемному построению автономные инверторы делятся на параллельные и последовательные. Недостатком параллельного резонансного инвертора является скачкообразный переход от рабочего режима к режиму с меньшим углом восстановления управляющих свойств тиристора, что может иметь место при неправильно выбранных параметрах схемы, изменении параметров нагрузки или изменении собственной частоты электроакустического преобразователя [5]. Использование параллельного инвертора, работающего на переменную нагрузку, возможно только при автоматической подстройке частоты.
Последовательные резонансные инверторы без обратных диодов могут выполняться по полумостовой, мостовой или трансформаторной схемам. Эти схемы утрачивают свое доминирующее значение для создания ультразвуковых генераторов повышенной частоты из-за невозможности обеспечения режима холостого хода и существенной зависимости режима работы от параметров нагрузки. В этом частотном диапазоне преобладают схемы транзисторных или тиристорных резонансных инверторов с обратными диодами, у которых нет ограничений, связанных с обеспечением времени на восстановление управляющих свойств силовых ключей после интервала их проводимости.
Примерами ультразвуковых тиристорных генераторов являются ультразвуковые устройства серии И8Р [7]. В них ультразвуковые генераторы выполнены по трансформаторной схеме тиристорного автономного последовательного резонансного инвертора с удвоением выходной частоты (рис. 4).
Повышенная акустическая мощность магнитострикционной нагрузки в таком генераторе обеспечивается за счет разрядного тока конденсатора коле-
бательного контура. Однако при этом и конденсатор С2, и тиристоры должны быть выбраны на значительное допустимое напряжение.
Рис. 4. Структурная схема тиристорного автономного последовательного резонансного инвертора
Основными недостатками такого тиристорного ультразвукового генератора является следующее:
1) время включения и выключения тиристора (у современных высоковольтных быстродействующих тиристоров время включения находится в пределах 0,4-10 мкс, а время выключения - в пределах 5-63 мкс; такие характеристики позволяют использовать тиристоры только на частотах до 20 кГц [8]);
2) низкая граничная частота тиристоров и сложность построения системы управления (СУ) тиристорами;
3) большое потребление энергии цепью управления;
4) сильная чувствительность схемы к параметрам элементов С2, Ь1, Ь2, 2Н;
5) узкое использование различных моделей ультразвуковых магнито-стрикционных излучателей, подключаемых к такому тиристорному генератору (к нему можно подключать только один тип магнитострикционного преобразователя).
Таким образом, использование классических транзисторных схем ультразвуковых генераторов имеет смысл только при использовании пьезоэлектрической нагрузки, а применение тиристорных генераторов оправдано только при больших мощностях. Актуальным является построение транзисторного ультразвукового генератора, который по эффективности акустической мощности сравним с тиристорным генератором, а его функциональные возможности включали бы работу на разную ультразвуковую нагрузку (пьезоэлектрическую и магнитострикционную). Очевидно, что из двух транзисторных схем, представленных на рис. 1 и 2, для проектирования нового ультразвукового генератора предпочтительна силовая схема, представленная на рис. 2, так как ее мощность в два раза выше.
Известно, что для работы на более крутом участке кривой изменения линейной деформации от изменения индукции (рис. 3) и получения большей амплитуды колебаний торца магнитострикционного излучателя должно осуществляться смещение положения рабочей точки на кривой 5(5), что может быть достигнуто за счет введения источника постоянного магнитного поля, создающего подмагничивание магнитострикционного излучателя [1].
При воздействии постоянным током постоянная магнитная индукция В0 выбирается посередине петли гистерезиса магнитострикционного материала (рис. 5) [1]. В этом случае на магнитострикционный излучатель должно воздействовать два силовых поля:
1) переменное электрическое поле, возбуждаемое силовым инвертором, построенным по схеме на рис. 2;
2) постоянное магнитное поле, возбуждаемое внешним независимым источником питания или постоянным магнитом, обеспечивающее постоянный ток подмагничивания.
Рис. 5. Изменение линейной деформации 5 от изменения индукции в магнитострикционном материале при воздействии симметричным переменным током с подмагничиванием магнитострикционного материала
Таким образом, ток магнитострикционного излучателя содержит две составляющие, обеспечивающие «раскачку» магнитострикционного излучателя до максимальной амплитуды. Необходимо отметить, что для каждого конкретного магнитострикционного излучателя силовой ток инвертора и ток подмагничивания генератора настраиваются индивидуально так, чтобы излучатель не вошел в насыщение. Настройка на резонанс в схеме производится независимо от элементов самой схемы генератора, что затруднительно в ти-ристорных генераторах.
Один из вариантов введения подмагничивания в силовую схему на рис. 2 представлен на рис. 6. Здесь Е1 - это независимый источник питания, гальванически изолированный от сети переменного тока, на выходе которого включены разделительный диод УБ5 и накопитель на конденсаторе С7. Мощность такого источника может быть незначительной, главное, чтобы поддерживался необходимый ток подмагничивания в пределах порядка 10^40 А.
Силовой дроссель Ь подключен параллельно нагрузке 2н и вместе с источником питания Е1 переводит входную цепь подмагничивания в режим источника постоянного тока. Настройка ультразвукового генератора для каждого магнитострикционного излучателя происходит при неизменных параметрах колебательного контура (С5, 2н, Т) путем подбора частоты управляющих импульсов транзисторов УТ1-УТ4. Данное техническое решение опробовано на практике и показало свою состоятельность [3,4].
Другой способ введения подмагничивания в силовую часть мостового транзисторного инвертора представлен в зарубежной литературе [11], за счет чего мощность транзисторного генератора удалось увеличить до 2 кВт, что уже сравнимо с тиристорными генераторами.
Выводы. Рассмотрены основные схемотехнические решения построения силовых схем ультразвуковых генераторов на полупроводниковых элементах, применяемых на сегодняшний день в промышленности, и указаны их основные недостатки. Предложено новое техническое решение применения подмагничивания в мостовом транзисторном ультразвуковом генераторе для улучшения технических характеристик генератора и расширения области применения такого генератора в ультразвуковой технике.
Литература
1. Афанасьев В.А., Янкевич С.В. Магнитострикционные преобразователи и способы воздействия на колебательные системы // Информационные технологии в электротехнике и электроэнергетике: материалы IX Всерос. науч.-техн. конф. Чебоксары: Изд-во Чуваш. ун-та, 2014. С. 38-42.
2. БальянР.Х. Тиристорные генераторы и инверторы. Л.: Энергоиздат, 1982. 223 с.
3. Гольдштейн В.Г. Определить технологические параметры экстракции белков из гороховой муки с применением ультразвука: отчет о НИР. Красково, 2019.
4. Давадов Ф.Д. Исследование влияния ультразвука на качество непастеризованного пива // XXI век: итоги прошлого и проблемы настоящего плюс. 2019. № 2(46), т. 8. С. 136-139.
5. Донской А.В. Ультразвуковые электротехнологические установки. Л.: Энергоиздат, 1982. 208 с.
6. Кикучи Е. Ультразвуковые преобразователи. М.: Мир, 1972. 424 с.
7. Николаев А.А. Моделирование тиристорного автономного последовательного резонансного инвертора с магнитострикционной ультразвуковой колебательной системой в качестве нагрузки // Вестник Чувашского университета. 2009. № 2. С. 223-231.
8. Тиристоры быстродействующие частотно-импульсные: каталог продукции ООО «Алек-сма-ПРО» [Электронный ресурс]. URL: http://alexma.ru/diody-1шstory-i-moduli/тиристор^]/1mstory-bystrodejstvuyushchie-chastotno-impulsnye.html (дата обращения 30.12.2019).
9. Шепелева Н.С., Кареткин Б.А. Интенсификация выделения инулина из клубней топинамбура с помощью ультразвука // Успехи в химии и химической технологии: сб. науч. тр. Т. XXI, № 5(73). М.: Изд-во РХТУ имени Д.И. Менделеева, 2007.
10. Jun Xu, Helai Li, Bo You. Design of Ultrasonic Scaler Based on Embedded Microcontroller. The Ninth International Conference on Electronic Measurement & Instruments ICEMI'2009, 2009, vol. 2, pp. 184-188. DOI: 10.1109/ICEMI.2009.5274603.
11. Qiang Peng, Haixia Wang, Xuecheng Su, Xiao Lu. A New Design of the High-power Ultrasonic Generator. Chinese Control and Decision Conference (CCDC 2008), 2008, pp. 3800-3803. DOI: 10.1109/CCDC.2008.4598042.
ЯНКЕВИЧ СЕРГЕЙ ВЛАДИМИРОВИЧ - аспирант кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (ds3617@mail.ru).
МАЛИНИН ГРИГОРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ - кандидат технических наук, доцент кафедры промышленной электроники, Чувашский государственный университет, Россия, Чебоксары (malgrig6@mail.ru).
S. YANKEVICH, G. MALININ
SCHEMATIC SOLUTIONS OVERVIEW FOR CONSTRUCTION OF ULTRASONIC GENERATORS POWER UNIT
Key words: ultrasonic generator, piezoelectric transducers, magnetostrictive transducers, magnetic biasing, shift, autonomous serial resonance inverter, induction.
The paper considers thyristor and transistor generators of ultrasonic vibrations operating on a magnetostrictive and piezoelectric load. Thyristor resonant inverters find their application among thyristor generators at high frequencies. However, the use of thyristor inverters as power sources for electro-acoustic transducers is limited due to the low frequency properties of thyristors and the complexity of the control circuit. Therefore, their advantages over transistor generators are manifested only with a large output power (above 4 kW). The most promising are transistor generators because of their high speed and low control power. Classic transistor generators are built on a half-bridge and full-bridge circuit. In a magnetostrictive transducer, the magnetic field is proportional to the current and in a piezoelectric transducer - to the applied voltage. Classical generators are not able to provide a large acoustic power of the magnetostrictive load due to the nature of the dependence of the oscillation amplitude on the change in the magnetic induction of magnetostrictive transducer. Therefore, to increase the acoustic power, it is necessary to use either the properties of the oscillatory circuit, in which the capacitor is an energy source that increases the current through the magnetostrictive load, or adjust the quiescent point on the curve of the linear deformation of the magnetostrictive material from changes in magnetic induction. The authors substantiated the use of magnetic biasing magnetostrictive transducer, which allows to shift the resting point of the magnetostriction characteristics from magnetic induction and provide a large excitation of oscillations of the magnetostrictive transducer with symmetrical alternating current. One of the variants of the circuit implementation of a full-bridge transistor converter with magnetic biasing of the power circuit is proposed.
References
1. Afanas'ev V.A., Yankevich S.V. Magnitostriktsionnye preobrazovateli i sposoby vozdeistviya na kolebatel'nye sistemy [Magnetostrictive transducers and methods of action on oscillating systems]. In: Informatsionnye tekhnologii v elektrotekhnike i elektroenergetike: materialy IX Vseros. nauch.-tekhn. konf [Proc of 9th Russ. Conf. «Information technologies in electronics and power»]. Cheboksary, Chuvash State University Publ., 2014, pp. 38-42.
2. Bal'yan R.Kh. Tiristornye generatory i invertory [Thyristor generators and inverters]. Moscow, Energoizdat Publ., 1982, 224 p.
3. Gol'dshtein V.G. Opredelit' tekhnologicheskie parametry ekstraktsii belkov iz gorokhovoi muki s primeneniem ul'trazvuka: otchet o NIR [Determine process parameters of protein extraction from pea flour using ultrasound. Research report]. Kraskovo, 2019.
4. Davadov F.D. Issledovanie vliyaniya ul'trazvuka na kachestvo nepasterizovannogo piva [Study the ultrasound effect on unpasteurized beer quality]. XXI vek: itogi proshlogo i problemy nastoyashchegoplyus, 2019, vol. 8, no. 2(46), pp. 136-139.
5. Donskoi A.V. Ul'trazvukovye elektrotekhnologicheskie ustanovki [Ultrasonic electrofabrica-tion systems]. St. Petersburg, Energoizdat Publ., 1982, 208 p.
6. Kikuchi E. Ul'trazvukovye preobrazovateli [Ultrasonic transducers]. Moscow, Mir Publ., 1972, 424 p.
7. Nikolaev A.A. Modelirovanie tiristornogo avtonomnogo posledovatel'nogo rezonansnogo invertora s magnitostriktsionnoi ul'trazvukovoi kolebatel'noi sistemoi v kachestve nagruzki [Modeling of a thyristor autonomous resonant inverter with magnetostrictive ultrasonic oscillating system as burden]. Vestnik Chuvashskogo universiteta, 2009, no. 2, pp. 223-231.
8. Tiristory bystrodeistvuyushchie chastotno-impul'snye [Thyristors are high-speed pulse-frequency]. Available at: http://alexma.ru/diody-tiristory-i-moduli/tiristory/tiristory-bystrodejstvuyushchie-chastotno-impulsnye.html (Accessed 30 December 2019).
9. Shepeleva N.S., Karetkin B.A. Intensifikatsiya vydeleniya inulina iz klubnei topinambura s pomoshch'yu ul'trazvuka [Intensification of inulin release from girasol tubers by ultrasound]. In: Uspekhi v khimii i khimicheskoi tekhnologii: sb. nauch. tr. Tom XXI. №5 (73) [Collection of scientific papers «Advances in Chemistry and Chemical Technology», vol. XXI, no. 5 (73)]. Moscow, D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia Publ., 2007.
10. Jun Xu, Helai Li, Bo You. Design of Ultrasonic Scaler Based on Embedded Microcontroller. The Ninth International Conference on Electronic Measurement & Instruments ICEMI'2009, 2009, vol. 2, pp. 184-188. DOI: 10.1109/ICEMI.2009.5274603.
11. Qiang Peng, Haixia Wang, Xuecheng Su, Xiao Lu. A New Design of the High-power Ultrasonic Generator. Chinese Control and Decision Conference (CCDC 2008), 2008, pp. 3800-3803. DOI: 10.1109/CCDC.2008.4598042.
YANKEVICH SERGEY - Post-Graduate Student of Industrial Electronics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (ds3617@mail.ru).
MALININ GRIGORIY - Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor of Industrial Electronics Department, Chuvash State University, Russia, Cheboksary (malgrig6@mail.ru).
Формат цитирования: Янкевич С.В., Малинин Г.В. Обзор схемотехнических решений при построении силовой части ультразвуковых генераторов // Вестник Чувашского университета. - 2020. - № 1. - С. 212-220.
