高聲強(qiáng)度高可靠超聲波管道清洗系統(tǒng)可靠性問題的解決

1、高聲強(qiáng)度高可靠超聲波管道清洗系統(tǒng)可靠性問題的解決摘要:本文從問題的提出、設(shè)計(jì)思想、模塊選擇、設(shè)計(jì)線路與調(diào)試等結(jié)構(gòu)特征及應(yīng)用等幾個(gè)方面來分析說明高聲強(qiáng)度高可靠超聲波管道清洗系統(tǒng)可靠性技術(shù)的解決方案.1、 問題的提出-高聲強(qiáng)度超聲波管道清洗系統(tǒng)最大的困擾是可靠性問題 應(yīng)用“空化效應(yīng)”除垢防垢機(jī)理的一種新型的高聲強(qiáng)度高可靠超聲波管道清洗系統(tǒng)已經(jīng)聞世,并在石油、化工、冶金或制藥等領(lǐng)域獲得了應(yīng)用。而管道超聲波管道清洗機(jī)主要由高頻高壓大功率的超聲波發(fā)生器及能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的管道式高聲強(qiáng)換能器組成(從圖0所示可以看出，高聲強(qiáng)度超聲波管道清洗系統(tǒng)主要由高頻高壓大功率電信號(hào)的超聲波發(fā)生器（或稱信號(hào)源）、傳輸

2、電纜、管道式高聲強(qiáng)壓電換能器組成，其換能器放置于管道內(nèi))。 實(shí)踐證明，該換能器技術(shù)比賽成熟,其主要指標(biāo)能得到保證,而要確保超聲波管道清洗系統(tǒng)性能的高可靠高聲強(qiáng)其關(guān)鍵是高頻高壓大功率的超聲波發(fā)生器.為什么這么說呢？這是因?yàn)榉至⑹礁哳l高壓大功率開關(guān)電源實(shí)用性差.由于換能器需要的超聲波發(fā)生器.均必須是高頻高壓大功率開關(guān)電源，雖然此類開關(guān)電源均是用單個(gè)集成電源控制芯片和MOSFET或IGBT大功率全橋式組成，但是多個(gè)分立元器件的組合,連線間分布電容所形成的尖峰干擾時(shí)刻或特別在大負(fù)載開閉情況下會(huì)造成大功率管的信擊穿或燒毀，故此類開關(guān)電源非但效率低，而且故障率高、難維護(hù)、壽命短、實(shí)用性差。為徹底改變此現(xiàn)狀

3、，最緊迫的是需要高可靠模塊化的高頻高壓大功率開關(guān)電源(即DC-AC)。2、電力電子技術(shù)的發(fā)展給“高可靠”提供了條件縱觀目前市場，由于國內(nèi)在此方面起步較晚,因而高可靠高頻高壓大功率開關(guān)電源還處于開發(fā)研制(包括國外廠商在內(nèi))之中，即使有,也只是AC_DC或DC_DC的±48v、±24v、等常用通訊用的開關(guān)電源.面對(duì)這新的桃戰(zhàn)和機(jī)遇,根據(jù)現(xiàn)代電力電子技術(shù)關(guān)于高頻電源電路應(yīng)集成化、智能化及模塊化的又一特點(diǎn),我們采用了日本聯(lián)美蘭達(dá)（NEMIC LAMBDA）公司產(chǎn)的PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊并將其前后級(jí)相連又與高頻

4、大功率脈沖變壓器T等一起組合而成新型模塊式高頻(22-25)KHZ 高壓(100V-120V)大功率（1000W）開關(guān)電源, 并作為超聲波發(fā)生器（或稱信號(hào)源）與換能器匹配組合成高聲高強(qiáng)度超聲波管道清洗系統(tǒng)。值此，對(duì)高聲高強(qiáng)度超聲波管道清洗系統(tǒng)“高可靠”的關(guān)鍵技術(shù)-新型高頻高壓大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案作分析介紹.3、先述設(shè)計(jì)思想對(duì)高頻高壓大功率開關(guān)電源而言，其程式應(yīng)該由前級(jí)AC-DC(市電交流輸入220v變換成直流高壓) 和后級(jí)DC-AC(直流高壓逆變成高頻高壓) 兩大主要部分組成。. 按目前常規(guī)的設(shè)計(jì)，前級(jí)AC-DC往往采用市電220v交流輸入經(jīng)整流濾波；而后級(jí)采用電源管理IC（電源控制芯片）和

5、全橋大功率管(MOSFTT管或IGBT管) 及脈沖大功率變壓器一起組成的零電壓開通、關(guān)斷的諧振電路 （ZVS）拓?fù)浞绞絹韺?shí)現(xiàn)DC-AC. 見圖1所示 3.1這種分立組合式的設(shè)計(jì)程式對(duì)高頻大功率電力電子技術(shù)來說有較大缺陷3.11先分析后級(jí)DC-AC：雖然電源管理器(控制芯片IC)功能很強(qiáng)，但由于仍屬分立組合,故制作調(diào)試煩瑣，特別是與大功率管連接的功率驅(qū)動(dòng)部分往往都是小型高頻變壓器與驅(qū)動(dòng)三極管的合成，所以在負(fù)載匹配上經(jīng)常出現(xiàn)由于連線分布電容和電感所形成的尖峰脈沖將擊穿或燒毀. 3.12再看前級(jí)AC-DC:進(jìn)行AC-DC, 是將輸入交流的220V市電變換成直流高壓(320v-350V)的大功率變換，

6、若是采用一的般的橋式整流加濾波，則在交流電源一個(gè)周期內(nèi)，其整個(gè)開關(guān)電源只有很短時(shí)間從交流電源吸取電流，輸入脈沖電流的峰值很大，它含有非常高的諧波分量（三次諧波尤為突出），由于只有輸入電流的基波分量才能產(chǎn)生有功功率，因此功率因素很低，同時(shí)，諧波電流還會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，并干擾其它設(shè)備。4、模塊化技術(shù)與結(jié)構(gòu)的應(yīng)用是克服上述缺陷的最有效設(shè)計(jì)4.1前級(jí)AC-DC大功率變換為了提高功率因素，限制電流畸變和諧波，必須采用功率因素校正（Power Factor Correction, 簡稱PFC）新技術(shù)，即具有諧波和功率因素校正及各種過壓、過流等保護(hù)功能的功率變換模塊電路。據(jù)此，采用了日本NEMIC-LAMBD

7、A公司產(chǎn)的PF-1000A-360型AC-DC大功率變換模塊，將交流(AC)輸入220v變換成直流(DC)360v. 其PF-1000A-360型AC-DC變換模塊內(nèi)部框圖見圖2所示。 交流輸入220v加到PF功率變換模塊的輸入引腳AC(L火線)和AC(N零線)，經(jīng)功率因素和諧波校正后, 從PF模塊的引腳+U0和-Uo輸出。為了解選用PF-1000A-360型AC-DC大功率變換模塊,應(yīng)對(duì)其特點(diǎn)與外形作一簡介：* 模塊PF-1000A-360型AC-DC變換模塊技術(shù)指標(biāo)：其輸入電壓為交流170V265V，而輸出電壓為直流360V; 輸出為直流電流2.8A-4.2A;輸出功率為1008W-151

8、2W; 典型浪涌電流60A; 最小功率因素為95%；輸出電壓精度為±2%;* 模塊的特點(diǎn): 可實(shí)現(xiàn)功率因素和諧波校正，效率高達(dá)95%以上。帶有過壓保護(hù)、過熱保護(hù)和輸入浪涌保護(hù)等保護(hù)電路。模塊內(nèi)部將功率電路和控制電路集合在一起，使用起來非常方便。其R1-外接浪涌限流電阻，用它可以限制電源剛接通時(shí)的浪涌電流，若不接，則模塊不應(yīng)正常工作 實(shí)際上R1(4.2/2W)應(yīng)與F3溫度保險(xiǎn)絲(250V 2A 130) 相串接而成(見圖4所示). *外形尺寸（長*寬*厚）為：146mm*86mm*125mm*模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。4.2后級(jí)DC-AC的設(shè)計(jì),是采用IPM-4M全橋式DC-AC高頻

9、大功率變換模塊該(DC-AC)IPM4M 模塊(見圖3所示), 應(yīng)用美國IR公司的功率器件和貼片工藝生產(chǎn)。用戶可以簡單方便地直接利用它或其組合設(shè)計(jì)制作、成各類高頻大功率開關(guān)電源. 4.21那為什么后級(jí)DC-AC要選用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊？通過對(duì)該模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析就一目了然，從圖3中可看到：*具有功能較強(qiáng)的電源管理器電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助保護(hù)電路:所謂電流型即在比較器的輸入端直接用感應(yīng)到的輸出電流信號(hào)與誤差放大器進(jìn)行比較，來控制輸出的峰值電流跟隨誤差電壓變化。這種控制方式可以改善整個(gè)開關(guān)電源電壓和電流的調(diào)整率，改善整個(gè)系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。電流型PWM 還

10、具有重選脈沖抑制電路，消除在一種輸出里出現(xiàn)兩個(gè)連續(xù)脈沖的可能性。這對(duì)于半橋電路或全橋電路組成的開關(guān)電源能否可靠工作是極為重要的。* 內(nèi)含IC驅(qū)動(dòng)電路代替脈沖變壓器隔離：在半橋電路或全橋電路中高端和低端的驅(qū)動(dòng)器是不供地的，一般采用脈沖變壓器隔離。當(dāng)頻率在數(shù)Hz到數(shù)百KHz范圍內(nèi)變化時(shí)，普通的脈沖變壓器是無法勝任的。而采用IC驅(qū)動(dòng)電路就不存在上述問題，它的固有死區(qū)能防止產(chǎn)生直通信號(hào)，它的圖騰柱電路能吸收橋電路的“米勒效應(yīng)”。* 采用全橋DC-AC變換器：采用性能優(yōu)良的MOSFET或IGBT，在公共接地點(diǎn)上伴有0.1的電流取樣電阻，它能感應(yīng)到內(nèi)部任一橋路或任一橋路的外部過流、短路，將檢測信號(hào)送往保護(hù)

11、輔助電路進(jìn)行判斷調(diào)整或極限保護(hù)。并有4×1500pf電容，輸出串接1mH電感可成為零電壓開通、關(guān)斷的諧振電路(ZVS). * 應(yīng)用P1電流檢測，實(shí)現(xiàn)恒流控制： 將流過第P1腳的電流感應(yīng)檢波取樣送至第9腳，經(jīng)過調(diào)整送至第8腳可進(jìn)行恒流控制.* 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護(hù)電路正常工作:由啟動(dòng)電源和內(nèi)反饋電源組成，它要求電壓在20-500V范圍內(nèi)能正常工作. (一般情況下在交流220V整流后350V-360V直流電壓下工作). 由其模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)分析所知，它大大減少或克服了后級(jí)(DC-AC)分立組合所帶來的制作調(diào)試麻煩和大功率管被擊穿或燒毀等弊病. 只需方便的使用模塊的引腳，就可實(shí)

12、現(xiàn)功能DC-AC.*外形尺寸（長寬厚）為：115mm*66mm*23mm. *模塊使用時(shí)應(yīng)按裝在散熱板上。4.33高頻大功率變壓器設(shè)計(jì)公式由于DC/AC模塊應(yīng)用領(lǐng)域很多，但大多數(shù)都使用到了高頻大功率變壓器，現(xiàn)提供設(shè)計(jì)公式和例子。E=U1為變壓器初級(jí)直流電壓N1為初級(jí)匝數(shù)；E=U1為加在變壓器初級(jí)的最高電壓；f變壓器的工作頻率；S磁芯的有效面積；4.44為系數(shù)(對(duì)正弦波4.44)或4(對(duì)于矩形波-4);5、模塊式高頻(22-25KHZ)高壓(100V-120V)大功率（1000W）高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)5.1技術(shù)要求：* 輸入電壓：交流220v*輸出脈沖電壓：幅值為100v-120v、頻率f為(22

13、-25)Khz±1%，其占空比D為0.4-0.5為可調(diào)。*輸出功率:為1000W*輸出高頻大電流可采用LED數(shù)字顯示*工作頻率f可采用LED數(shù)字顯示*脈沖輸出電壓通過LC諧振電路應(yīng)在超聲波換能器二端獲得高頻(22-25)KHz高壓的正弦波.5.2該高頻高壓大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)電原理框圖（見圖4所示），具體介紹分析如下: 從圖4可看出該開關(guān)電源由前級(jí)IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級(jí)IC2的DC/AC IPM4M 模塊相連并與高頻大功率脈沖變壓器T等三大部分一起組合而成, 即成為超聲波管道清洗機(jī)的信號(hào)源（超聲波發(fā)生器）. 具體介紹如下:5.3模塊式高頻高壓大功

14、率開關(guān)電源的工作調(diào)試過程5.31 合上進(jìn)線交流電源220V后，當(dāng)IC1的(AC/DC)PF-1000A-360型變換模塊輸出電壓為直流360V并加于IPM-4M(DC/AC) 模塊IC2的P1、P4引腳上時(shí)，則輸出脈沖變壓器(功率應(yīng)大于1200W)T的初級(jí)二端P2與P3上(接自IPM-4M模塊全橋型功率管對(duì)角線端)將并獲得360V高頻(2225)KHz脈沖電壓.5.32脈沖輸出電壓取決于大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2端不同的匝數(shù),可獲得的幅值為100v-120v的脈沖電壓,見圖4右上角所示5.33 輸出電壓工作頻率f：為(22-25)Khz±1% 其占空比D為0.4-0.5為可調(diào)5.34

15、 IC2的P2、P3引腳上有脈沖波形輸送,調(diào)整W3便可看到脈寬變化。5.35當(dāng)K1、K2在斷開位置，頻率計(jì)顯示模塊標(biāo)稱頻率22KHz。當(dāng)合K1上時(shí)，減少W1阻值，頻率將向高端變化。當(dāng)K2合上時(shí)，增加W1阻值，頻率將向低端變化。根據(jù)需要來決定使用參數(shù)。5.36 調(diào)整W3，可改變穩(wěn)定的輸出電壓的幅值。5.37調(diào)整W2，可改變輸出電流輸出值。這個(gè)功能不用時(shí)可懸空。6、大功率高壓(100v-120v)高頻(22-25 KHz)正弦波的實(shí)現(xiàn) 當(dāng)大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2輸出的100v-120v的脈沖波電壓加到LC諧振電路( 其L為可調(diào)高頻電感線圈, C為超聲波換能器的等效電容,由此則組成LC諧振器，見圖4右上角虛線所示), 通過調(diào)整高頻電感線圈L可使諧振器得到串聯(lián)諧振，其諧振頻率f0為換能器固有頻率 并在電容C(換能器)兩端將獲得諧振后的高壓高頻(22-25 KHz)正弦波,見圖4右上角