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超声波除垢电路原理

   超声波除垢装置早在五、六十年代我国就已经开始研制生产,其换能器为陶瓷震荡器,该震荡器只能在以水为介质的状态下才能使用。我们知道超声波在水中 的传播损耗是非常大的,因此这类设备的除垢效率是很低的,也不适合目前节能、环保的要求。进入二十世纪,一钟新型的超声波除垢装置逐渐取代了传统的除垢设 施,此产品是通过引进俄罗斯的技术,并国产化后研制出来的,其最大的区别是换能器采用的是金属换能器,此种金属在强激磁电流的作用下金属格式发生变化,产 生收缩震荡。由于金属换能器直接安装在需要除垢的锅炉或管道表面,因此其震荡除了可以在水中传播外还可以在锅炉壁或管道壁上传播,而超声波在金属中的传播 损耗是非常小的,所以这类产品的除垢效率较以前的产品有很大的提高。

  超声波除垢装置的换能器在工作时需要很大的瞬时电流,但平均电流却较小,一般的电子元件很难满足其要求,由于高频晶闸管具有这样的特点,因此高频晶闸管已普遍应用在这类产品中。

  原理线路见下图:

  在电路中由两支高频晶闸管组成谐振式逆变器,其工作状态为并联谐振式逆变和串联谐振式逆变两种方式。

串联谐振回路由C1、VT1、L1、C2组成,

   晶闸管VT1导通前电容器C1两端电压已经充至电源峰值E1,VT1触发导通后C1通过VT1、L1、C2放电,放电电流为Ia,同时C2两端电压被充 至E1,且上端正,下端负,由于电感L1是绕制在由特殊磁性材料构成的铁芯上,因此L1流过的电流Ia促使磁性材料的金属格式发生变化,使之振动。

  电流Ia的波形如下:


    
并联谐振回路由C2、VT2、L2组成,


 
由于晶闸管VT1导通时电容器C2两端电压已经充至电源峰值E1,触发VT2导通后C2通过VT2、L2放电,放电电流为Ib,由于电感L2是绕制在由特殊磁性材料构成的铁芯上,因此L2流过的电流Ib促使磁性材料的金属格式发生变化,使之振动。电流Ib的波形如下:


 
在实际电路中,线圈L2与线圈L1绕制在同一铁芯上,且绕制方向相同,则磁性材料振动的方向一致,且线圈电流Ia、Ib互差180度。随着线圈电流Ia、Ib的交替作用,根据LC参数值,在换能器上产生了频率为15-22KHz的振动。

   在实际除垢实践中,通过试验得出的结论为:通常情况下,设备工作一个周期,振动时间不超过一个周期的八十分之一就可以满足除垢要求。例如,我们试验的设 备一个工作周期为80 mS,其中振动时间为1mS,停振时间为79mS,除垢效果可以达到要求。振动的平均能量可通过控制电路进行调节,采用“占、控比”可调线路即可。具体波 形如下(其中Ia、Ib互差180度):

       通过以上分析得之:高频晶闸管在这种电路中的应用主要考虑的是其频率特性,频率特性决定了整个装置工作的稳定性。我们知 道体现晶闸管频率特性的主要参数是:开通时间,关断时间、电流上升率。由于高频晶闸管的开通时间一般都不超过1μS,完全可以满足线路的需求,因此在本电 路中的主要参数是关断时间、电流上升率。

  由于线圈电流Ia、Ib互差180度,因此从晶闸管VT1截止到晶闸管VT2导通的时间间隔为(85-15)/2=35μS,预留时间按三分之二(24μS)计,那么关断时间为11μS,选择关断时间tq≤10μS的高频晶闸管即可。

   我们在试验的设备中,通过示波器的现场测试,流过晶闸管VT1、VT2的电流Ia、Ib最大峰值为780A,取中间80%段作为电流斜率的幅值 780AX80%=624A,此段时间约为4.5μS,因此其斜率为624A/4.5μS=139A/μS,选择电流上升率di/dt≥200 A/μS的高频晶闸管即可。
   
另外在线路中亦应采取抑制电流上升率的措施。由于设备负载电流的时间较短,所以抑制电流上升率 不能采用大的电感,而应采用快饱和电抗器或相当于快饱和电抗器的铁氧体磁环。因为快饱和电抗器在电流较小时可以抑制电流的上升时间,但当电流大于一定值时 其失去作用,只做一般的导线用,因此其可以有效的抑制电流上升时间,却不会对电流的幅值和宽度有很大的影响,目前这类器件已广泛应用在中频及高频电路中。

 

[来源:原创] [作者:国创电气] [日期:13-07-18]
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