硕士论文-新型超声波防垢除垢器的研究与开发.pdf

中国石油大学（华东） 硕士学位论文 新型超声波防垢除垢器的研究与开发 姓名：于猛 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：刘润华 20060401 新型超声波防垢除垢器的研究与开发 论文作者：于猛( 控制理论与控制工程) 指导教师：刘润华教授 中文摘要 目前在油田的生产运行中，注水管道不断结垢，造成注水压力上 升，流量下降，能耗增加，井的生产能力降低。传统的防垢除垢方法 效果不能令人满意，因此，对既环保又经济的新型超声波防垢除垢设 备的开发势在必行。 本文根据超声波防垢除垢机理，选择合适的谐振频率点和功率， 设计了一种新型的超声波防垢除垢实验装置。其中，逆变主电路采用 了加入辅助网络的z v sp w m 技术，降低了开关损耗，提高了系统的可 靠性；控制部分放弃传统的模拟电路，采用功能强大的d s p 作为全数 字化控制单元的核心。在控制方法上实现了频率跟踪控制和恒功率控 制相结合，保证系统能持续、稳定的工作在谐振频率点上；并对换能 器进行了阻抗匹配设计，提高了输出效率。由于对整个系统采用模块 化设计，软件结构清晰、明确；硬件易操作，易检修，非常适合油田 实际工作环境的要求。 通过验证防垢效果扫描电镜实验和除垢效果化学分析实验，其实 验结果和理论分析一致，进一步证明了所提出的控制策略和设计方案 的正确性和可行性。 关键词：超声波，防垢除垢，d s p ，频率跟踪控制，恒功率控制 r e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to nn o v e lu l t r a s o n i c e q u i p m e n t f o ra n t i - s c a l ea n ds c a l ec l e a n i n g y u m e n g ( c o n t r o lt h e o r ya n dc o n t r o le n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f e s s o rl i ur u n - h u a a b s t r a c t i ft h eo i lf i e l di n j e c t i n gw a t e rs y s t e mi sc l o g g e dw i t hw a t e rs c a l e ，t h e p r e s s u r eo f t h ei n j e c t i n gw a t e rs y s t e m w i l lb er a i s e d ；t h em t eo f f l o ww i l lb e d e c r e a s e d ；t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nw i l lb ei n c r e a s e da n dt h ep r o d u c t i v e c a p a c i t yo f t h ew e l lw i l la l s ob eb a d l ya f f e c t e d b u tt h ec o n v e n t i o n a ls c a l e p r e v e n t i o na n ds c a l ec l e a n i n gm e t h o dc a n n o tb em e tw i t ht h er e q u i r e m e n t s o ft h eo i lf i e l di n j e c t i n g s os t u d ya n dd e v e l o pan o v e lu l t r a s o n i ca n t i s c a l e a n ds c a l ec l e a n i n ge q u i p m e n ti si m p e r a t i v ef r o mt h ep o i n to fe n v i r o n m e n t a l p r o t e c t i o na n de n e r g ys a v i n g ；a n dt h a ti sa l s ot h em a i n t a s ko f t h e p a p e r o nt h eb a s i so fa n a l r z i n gt h ea n t i s c a l ea n ds c a l ec l e a n i n gt h e o r y ，t h e b e s tr e s o n a n c 宅f r e q u e n c y p o i n ta n dp o w e ro f t h e t r a n s d u c e ra r ed e t e r m i n e d t h ez v sp w m t e c h n i q u ei su s e di nt h ei n v e r t e rc i r c u i ti no r d e rt or e d u c e t h es w i t c h i n gl o s sa n ds t r e n g t ht h er e l i a b i l i t yo ft h ee q u i p m e n t t h ed i g i t a l s i g n a lp r o c e s s i n g ( d s p ) m i c r o c o m p u t e ri sa d o p t e df o rt h ed i g i t a lc o n t r o l u n i t a d d i t i o n a l l y , t h ep a p e rr a i s e san o v e lf r e q u e n c yt r a c k i n ga n dc o n s t a n t p o w e r c o n ：仃o ls c h e m e w h i c hc a ng u a r a n t e et h a tt h ee q u i p m e n tc 吼a l w a y s r u no nt h eb e s tr e f q l a n g ef r e q u e n c yp o i n t i no r d e rt op r o m o t et h eo u t p u t a n de f f i c i e n c y , t h ei m p e d a n c em a t c h i n gf o rt h et r a n s d u c e ri sa l s os t u d i e d a n ds u c c e s s f u l l yc o m p l e t e d t h em o d u l a r i z a t i o nd e s i g nm e t h o di su s e df o r t h ee n t i r es y s t e m s ot h es o r w a r ei sl e g i b l ea n dt h eh a r d w a r ei se a s yt o m a n i p u l a t ea n dm a i n t a i n t h e u l t r a s o n i ca n t i s c a l ea n ds c a l e c l e a n i n g i l l m a n i p u l a t e a n dm a i n t a i n t h eu l t r u s o m ca n t i s c a l ea n ds c a l e c l e a n i n g e q u i p m e n ts t u d i e d i nt h ep a p e ri ss u i t a b l et ou s ei nt h eo i lf i e l d b yt h ea n t i s c a l ee x p e r i m e n t su s i n gs c a n n i n ge l e c - t r o nm i c r o s c o p y ，a n d t h es c a l ec l e a n i n ge x p e r i m e n t sb yc h e m i c a la n a l y s i s ，t h et h e o r e t i ca n a l y s i si s a c c o r dw i t ht h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t s a n dt h i sa l s op r o v e st h ec o n t r o l s c h e m ea n d d e s i g nm e t h o da r ev a l i da n df e a s i b l e k e yw o r d s ：u l t r a s o n i c , a n t i s c a l es c a l ec l e a n i n g ，d s p ，f r e q u e n c yt r a c k i n g c o n t r o l ，c o n s t a n tp o w e rc o n t r o l 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得 中国石油大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一 同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国石油大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留送交论文的复印件及电子版，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复 制手段保存论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 学生签名： 导师签名： 型娅埠岫于 月，7 日 月7 日 ， 中国石油大学( 华东) 硕士论文 第1 章前言 1 1 本课题的研究背景及意义 随着石油可开采量的减少，油田开采多采用注水法，因此，在注 水管道中结有大量的垢( 如碳酸钙，硫酸钙，硫酸钡等) ，造成注水系 统的流量减小，极大的影响了生产效率，浪费了能源，并且由于结垢， 大量的生产设备不得不提前报废，也使油田蒙受了财产损失。传统的 防垢除垢方法( 主要是化学方法) 成本高，效率低，有污染。随着绿色 环保理念越来越深入人心，开始大量采用新型无污染的防垢除垢技术 超声波防垢除垢技术近年来得到了广泛的应用，同时伴随着电子技术 的发展，在解决了设备体积过大，不稳定、寿命短等问题后，超声波 防垢除垢技术已经广泛应用于钟表零件、照相机零件、汽车发动机零 件、精密轴承零件、齿轮、活塞环、铣刀、锯片宝石、医用注射器及 各种半导体元件的防垢除垢上。特别是超声波防垢除垢效果好，价格 经济，能够适用于各种体积、形状的设备，尤其适用于各种不同形状、 粗细的管道，备受人们关注。【1 】【2 】 虽然，超声波防垢除垢技术在油田有着很好的应用前景，但是， 目前针对油田特殊工作环境和要求设计的超声波防垢除垢设备却很 少。若能开发出专门适用于油田的新型超声波防垢除垢设备，将能在 油田生产中发挥巨大的经济效益。为此，我们采用新型超声波防垢除 垢器进行防垢、除垢。 1 2 国内外研究的现状p 】【4 】【5 1 关于管道防垢与除垢的问题，一直是国内外众多产业部门多年来 未能解决的难题。目前普遍采用的是化学药剂除垢，高压水枪清洗等 方法，但由于该类方法技术陈旧，因而成效不明显，加之能耗大，成 本高，化学药剂普遍具有毒性，挥发性，对环境和人体有害，其酸碱 性有时甚至会腐蚀管道，带来不必要的麻烦。 由于超声波防垢除垢主要是依赖于空化效应的物理作用而非化学 反应，以纯水或水进行防垢除垢成为了可能，这不仅能有效降低成本， 中国石油大学( 华东) 硕士论文 而且在环保领域也有非常重要的意义。上述种种优点使超声波在管道 防垢除垢领域有着非常广阔的应用前景和发展潜力。 尽管如此，在实际应用中仍有一些问题未得到有效的解决： ( 1 ) 噪声污染 超声波防垢除垢设备工作时往往产生较大的噪声，虽然可以通过 提高频率来降低噪声，但是也降低了空化强度，影响了防垢除垢效率 ( 2 ) 空化腐蚀 超声波换能器往往自身在工作时也要受到空化效应的腐蚀，结果 缩短了换能器的寿命。对此可采用耐腐蚀的高性能材料；另一方面， 改交换能器的结构及其在工作环境( 管道) 中的分布也是一种有效的解 决办法。 ( 3 ) 降低功率损耗 利用先进的变换技术，如软开关技术，改善功率开关的工作状态， 降低功率开关元件的损耗和在开关过程中产生的干扰： 另外，如何进一步提高换能器的稳定性和电声转换效率也是迫切 需要解决的问题。 1 3 本课题的主要研究内容 本课题首先研究了超声波防垢除垢器的防垢除垢机理，结合国内 外的研究成果和应用实例，确定出合适的谐振频率点。然后针对目前 国内外的一些大功率超声波防垢除垢器存在着开关管开关损耗过大， 工作状态不稳定等问题，结合电力电子方面的新技术和数字信号处理 器( d s p ) 控制技术作进一步的改进，研制了一套新型的超声波防垢除垢 器。 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢机理及声学参数的选择 第2 章超声波防垢除垢机理及声学参数的选择 国内外针对超声波防垢除垢技术的研究表明，超声波防垢除垢主 要作用机理是超声波声场使液体介质产生空化效应，利用空化的能量 达到防垢除垢的目的。在本章，研究了超声波的防垢除垢机理，同时 对起主要作用的空化效应原理进行了说明，并提出了声学参数的选择 方法。 2 1 超声波防垢除垢机理【6 】 超声波防垢除垢主要是利用超声波强声场处理流体，使流体中成 垢物质在超声场作用下，其物理形态和化学性能发生一系列变化，使 之分散、粉碎、松散、松脱而不易附着管壁形成积垢。具体表现为： ( 1 ) “空化”效应1 7 1 超声波的辐射使被处理液体介质直接产生大量的空穴和气泡，也 就是把液体拉裂而形成无数极微小的局部空穴，当这些空穴和气泡破 裂或互相挤压时，产生一定范围的强大的压力峰，这一强压力峰能使 成垢物质粉碎悬浮于液体介质中，并使已生成的垢层破碎、脱落。根 据理论和实践测算，用2 0 k h z 、5 0 w c m 2 的超声波对1 c 一液体辐射时， 其发生空化事件的气泡数为5 x1 0 4 个s ，局部增压峰值可达数百甚至 上千大气压。 ( 2 ) “活化”效应 超声波在液体介质中通过空化作用，可以使水分子裂解为h 自由 基和h o 自由基，甚至h + 和叫。等。而o h - 与成垢物质离子可形成诸如 c a o h * 、m g o l r 等的配合物，从而增加水的溶解能力，使其溶垢能力相对 提高。也就是说，超声波能提高流动液体和成垢物质的活性，增大被 水分子包裹着的成垢物质微晶核的释放，破坏垢类生成和在管壁沉积 的条件，使成垢物质在液体中形成分散沉积体而不在管壁上形成硬垢。 ( 3 ) “剪切”效应 水分子裂解产生的活性h 自由基的寿命比较长，它进入管道后将 产生还原作用，可以使生成的积垢剥落下来。而且因超声波辐射在垢 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢机理及声学参数的选择 层和管壁上，由于传播速度不同，产生速度差，在垢层与管壁界面上 形成相对剪切力，从而使垢层产生疲劳而松脱。 ( 4 ) “抑制”效应 通过超声波的作用，改变了液体主体的物理化学性质，缩短了成 垢物质的成核诱导期，刺激了微小晶核的生成。新生成的这些微小晶 核，由于体积小、质量轻、表面积大，悬浮于液体中，生成比壁面大 得多的界面，有很强的争夺水中离子的能力，能抑制离子在壁面处的 成核和长大，因此，减少了粘附于接触面上成垢离子的数量，从而也 就减小了积垢的沉积速率。研究表明，当液体的过饱和系数一定时， 在同一超声波参数下，超声波作用时间越长，则成垢物质的成核诱导 期越短。 从上面的分析可以看出，活化效应、剪切效应和抑制效应都是由 空化效应作用产生的，因此，我们有必要对空化效应做一下深入的剖 析。 2 2 超声空化理论【8 1 1 9 1 0 1 1 】 2 2 1 空化的产生 ( 1 ) 空化发生的条件 对于纯净的液体，由于分子内聚力很大，所以理论强度很高。纯 水在2 0 。c 下的理论强度约为3 2 5 0 k g c m 2 ，设想用声波的作用把液体分 子拉开，则声强要达到3 7 1 0 6 w c 一，这是很难实现的。但研究表明， 液体的空化阈值要比理论值小得多，估计水的实际强度不会超过几百 个大气压。这种现象可用稳定气泡核学说来解释。空化首先是从液体 中强度薄弱的地方开始，这些地方由于热起伏或其他物理原因，出现 一些很小的蒸汽气泡，或者那里原来就有溶解在液体中的空气泡( 称为 核) ，于是在声压负压的作用下，气泡核膨胀而产生空化。一定状态下， 空化核只能以一定大小存在于液体中，气泡太大就浮出水面，太小在 静压力的压缩下就溶于液体中 4 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢机理及声学参数的选择 设静水压为p 0 ，蒸汽压为，、，表面张力为r 。而空化核的开始半 径为r o ，在等温和绝热条件下，水的强度名为： e o = - r + 蠢 ( 2 - 1 ) 由式2 - 1 可以看出，液体强度降低的原因是液体中存在小气泡核， 气泡核的半径r o 越大，则该处液体的强度愈弱。如果气泡核的半径r o 很小，要使液体空化就需要更强的负外压才能发生。 ( 2 ) 空化阈 使液体空化的最低声强或声压幅值称空化阈。设液体的静压力为 ，交变声压幅值为尹矗，则只有于i m 凡时才能出现负压，负压超过液 体强度时才能形成空化，因此空化阈凡可由式2 - 2 表示： 忍= 岛嵋+ 去 ( 2 - 2 ) 2 2 2 空化气泡的运动过程 气泡的初始半径为r o ( 单位；m ) ：泡内压力为a ( 单位：p a ) ，其值 与泡内气体的性质、热力学状态，蒸汽压、表面张力和泡的形状。尺 寸有关；，7 为液体的粘滞系数( 单位；p a s ) ；o r 为表面张力系数；周 围液体为不可压缩均匀液体，其静压力为p o ( 单位：e a ) ，密度为p ( 单 位：k g m 3 ) ，声速为c ( 单位：m s ) 。当有外加声压p = p 。s i n o x 作用时， 由r a y l e i g h p l e s s e t 方程来描述气泡的径向运动规律即气泡的运动方 程，形式如下： d 伶 + 吾矧= p 。- p - p o - 等询去滢) s ， 为简化分析，设泡内为理想气体，气泡呈球形，并作径向运动。由气 体的v a n d e rw a a l s 方程导出气泡内气压为 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢机理及声学参数的选择 胪聊，+ 詈( 爿轴 c z 枷 式中：p v 蒸汽压，单位是p a ； r 任意时刻t 时气泡的半径，单位是m 一反应过程热力学状态的多方指数，其数值范围为1 n ，无量纲； y 气体的比热比，无量纲。 对等温过程，n = l ；对绝热过程，n = y ；介于两者之间的状态， 取1 r o ，) 时的气泡，将发生复杂 的形变运动，但一般不产生闭合过程。 ( 2 ) 对初始半径小于共振半径( 即满足r o m ，时，等效电路呈感 性，电压超前电流。可见，激励超声系统的电压和电流的相位差反映 了其振动频率与谐振频率之间的关系。因此，只要检测到激励超声系 统的电压和电流之间的相位差以及前后关系，并以此调整超声电源输 出工作频率，就能够实现频率自动跟踪。 上面讨论了频率自动跟踪控制系统设计思路，那么恒功率控制系 统又当如何建立呢? 下面给出详细分析。 根据声电类比原理，电参数，l 、凡、k 分别代表超声振动系统的 机械振幅、负载电阻及换能器输入电流，r 上的压降u c 表示超声振动 系统向负载传递的机械振动力，吼消耗的功率兄表示超声系统输入到 负载的功率。 由于目前还缺乏很好的在线测量的手段，选择机械振动力和机械 功率( 吼和兄) 作为被控变量很难实现。机械功率可表示为p 工= j 孙。， 1 5 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 显然，如果能保持，l 恒定，屁将正比于机械负载电阻r l 。因而。在超 声波防垢除垢过程中，输出到机械负载的功率可以基本保持恒定。稳 定了，l ，换能器内部的损耗也就稳定了，有利于充分利用超声系统允 许的最大振幅，改善超声系统的工作条件。换能器输入电流= l + j l 。 在外接匹配电感电路合适的条件下，c o 支路电抗得到了补偿，且补偿 和匹配电路不引入明显的有功损耗，l 很小，于是有* j l 。这样， 保持了超声系统的输入电流恒定，也就稳定了声学系统输出端的机械 振动的幅值功率恒定。从而使超声振动系统在负载变化时，输出到外 接负载的功率不变 由上面分析可知，对于一个超声波防垢除垢系统来说，要达到系 统的效率最大和稳定性最高，必须使电源频率自动跟踪超声系统的谐 振频率，而且输出功率保持恒定。因此，本课题采用了频率跟踪和恒 功率的协调控制方案。 3 2 频率跟踪控制的实现方案 3 2 1 传统频率跟踪控制方案 在许多时候，换能器使用于负载变动剧烈的场合。即使在负载比 较稳定的情况下，换能器的参数也会因为发热、老化等原因而发生变 化这些都会使得换能器的谐振频率改变。如果发生器的工作频率不 随之而变，换能器将工作在失谐状态而使效率降低因此，需要采取措 施使发生器的振荡频率随着换能器的谐振频率做相应的变化，以保证 换能器始终工作在谐振状态。这种措施就是所谓的频率自动跟踪。 实现频率跟踪的构思是这样的：从换能器的电端或声端取得一个 反映换能器谐振特性的信号，用这个信号控制发生器的振荡频率。这 样，便可使发生器的工作频率与换能器的谐振频率始终保持一致。 从换能器声端拾取信号的方法称为声反馈法，从电端拾取信号的 方法称为电反馈法 1 声反馈法 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 以声耦合方式，从换能器上采集谐振频率的电信号，然后反馈至 前级放大器，使之形成自激振荡器。其原理框图如图3 - 4 所示。 图3 4 声跟踪超声波发生器原理框图 由图3 - 4 看出，电路是个闭环系统，电路在通电的瞬间产生一个 冲击脉冲，此脉冲经运放、功放去激励换能器，换能器按自身固有频 率振动。从而在反馈的声接收器上可得到相同频率的电信号。经过电 路的移相、选频、运放及功放再去激励换能器，如果满足振荡器的相 位、幅度条件，系统将自激振荡，且振荡频率跟踪在换能器的共振频 率上。 2 电反馈法 ( 1 ) 电流反馈法 如图3 - 5 所示，取样电阻，对流经换能器的电流采样，此采样信号 被反馈至输入端激振。在正常工作即振荡频率等于换能器的机械谐振 频率时，上的电压与逆变单元输出电压同相，振荡条件得以满足。一 旦换能器的谐振频率改变，上的电压不再与逆变单元输出电压同相， 原有的振荡条件被破坏。重新建立起来的振荡仍将满足，上的电压与 输出电压同相，这意味着逆变单元的振荡频率已随换能器的谐振频率 而变。这种方法最为简单。但跟踪灵敏度不高，稳定性较差。 1 7 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 图3 - 5 电流反馈法简图 ( 2 ) 差动变量器电桥法 c l r c l r 图3 咱差动变量器电桥法 如图3 - 6 所示，c o 、c 、l 、r 表示换能器的等效参数，t 为差动 变量器，c l 为补偿电容，t l 和t 2 是变量器的两个对称线圈。当c l 、 t l 、t 2 和c o 组成的电桥平衡时，i i 和i o 在变量器t 中产生的磁通将相 互抵消，只有串联支路电流i 通过t 2 时产生的磁通会在绕组t 3 中感应 出电压v l ，故v 1 只与串联支路有关。只有当机械谐振时，i 为最大， v l 也最大，且与激励电压v o 同相，满足振荡产生的相位条件因此， 逆变单元的振荡频率将会始终跟踪换能器的机械谐振频率 差动变量器桥式自动频率跟踪电路优点在于其对换能器电抗成分 的补偿与频率无关，从而保证反馈电压在很宽的频率段内只与机械振 荡电流有关，跟踪可靠、失调较小。 ( 3 ) 超声参数自适应控制法 由于超声换能器性能一致性较差，防垢除垢对象多变，防垢除垢 1 8 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 过程参数变化明显，因此需要严格要求超声波防垢除垢器的高效率和 可靠性。近年来，控制理论在超声波防垢除垢中的应用也有了新的尝 试，自适应控制方式实现频率跟踪便是一个很好的发展方向。 一种典型的方案是：实用微机系统对电压、电流、换能器振幅、 电压电流相位差等诸多参数进行在线测量、辨识。根据不同的参数， 经过计算并按照规定的程序来改变系统参数，输出控制电压来调节超 声开关电源的频率，使发生器的频率很好的跟踪系统谐振频率。微机 系统的主要任务是由各个检测到的参数，通过其自身的白适应系统算 出控制量，从而改变频率。 由于超声波防垢除垢过程是一个复杂的时变系统，想建立它的数 学模型是比较困难的，因此要选择一个主控制参数，比如，换能器振 幅的大小，只要选择适当的控制算法使换能器振幅在最大值附近作微 小的变化，就可以用线性化方法来线性时变参数离散模型设系统的 方程为： 】，( f ) = 以l y ( t - i ) + a 2 ，( 卜2 ) = 啦o u ( t - i ) + b l u ( f 2 ) + p ( f )( 3 - 7 ) 使系统开环运行，测取输入系歹f j ( u ( f ) 和输出系列f y c t ) ，并考虑 e ( f ) 的影响，可以求得系数4 i ，a 2 ，b o ，b i 。目前，主要方法是在 线利用递归最小二乘法进行参数识辨，同时修改控制参数，要用到最 小方差控制规律或是极点配置控制规律。 ( 4 ) 锁相法 1 9 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 回一圈 图3 7 锁相法原理框图 当换能器谐振且与发生器匹配时，其输入特性( 包括匹配电抗元件 在内) 相当于一个纯电阻此时，加于其上的电压与流过的电流同相。 一旦换能器的谐振频率改变，此电压与电流之间就会有一个相位差。 锁相法的原理就是检测出这个相位差的大小和符号，用此偏差信号去 调节振荡器的频率，使相位差减小。直至被锁定在零上。图3 - 7 示出 了这种方法的原理框图，图中的v c o 为压控振荡器。锁相法的关键是 取得电压与电流之间的相位差。 锁相法频率自动跟踪系统具有如下优点： 锁相环路有良好的窄带特性，它本身就是一个很好的带通滤波 器，可以有效的将带外不需要的信号滤掉，防止系统误跟踪在非谐振 频率的信号上 换能器不直接包含在反馈网络之内，避免了因换能器不同对电 路中各元件参数的严格选择和复杂调试。 频率自动跟踪系统的控制信号与取样的电压、电流波形之好坏， 关系并不大，输出功率相对较稳定，不会因为负载的变化而发生显著 变化。 由于控制系统工作在小信号状态下，所以能够长时问连续稳定 的工作 正因为有诸多优点，如今超声波防垢除垢的频率跟踪方式以锁相 式居多，本文采用的就是这种频率跟踪方式 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 3 2 2 锁相法频率跟踪控制方案 课题中采用的是锁相法。这种方法是用可编程逻辑器件检测出相 位差信号的波形及其相位差的符号，送入d s p 的定时器的捕获中断， 获得相位差大小及符号，然后计算新的模值寄存器r e l o a d 值，赋给p w b l 模块的r e l o a d 寄存器，改变输出p 嘲信号的周期。 图3 - 8 相位差波形和符号检测图 其中可编程逻辑器件实现的功能如图3 - 8 所示，它是电压、电流 信号分别与过零比较器进行比较，在a 、b 两点产生方波信号，然后分 为两路并联信号分别输入d 触发器和异或门，其中d 触发器的主要作 用是来鉴别电压和电流信号相位超前和滞后情况，从而为d s p 调节超 声波发生器产生的p w m 信号频率的改变提供依据。d 触发器的c l k 端输 入电压信号，当电压超前电流时，q 端始终输出为o ，即相位差符号用 o 表示；当电流滞后电压时，q 端始终输出为1 ，即相位差符号用1 表 示。异或门输出的电压和电流的相位差输入给d s p 转换成数字量，并 根据其值调节频率的改变量。 3 3 恒功率控制的实现方案 3 3 1 传统恒功率控制方案 为了使系统的工作效率较高。工作较稳定，保证换能器的输出振幅 恒定，需要有恒功率控制电路。 1 改变激励电路信号的导通角、占空比 可以使用移相控制专用芯片u c 3 8 7 5 来实现恒功率控制或者是根据 2 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 需要改变输出的p 删波的占空比。此方法就是通过检测到的电压和电 流进行计算，得到功率的瞬时值来与给定功率值进行比较，进而改进 控制的占空比达到调节的目的。 如图3 - 1 0 所示，此系统需控制的参量一般是换能器的电流值，而 换能器电流值的恒定，则要通过控制换能器两端的电压来实现。 图3 - 1 0 恒功率控制系统结构 图3 - 1 0 所示的系统是通过全桥移相的移相角来改变正弦波的幅 值，从而改变换能器两端的电压以达到控制换能器电流的目的。其中 的移相脉冲产生电路在用全桥式逆变电路作为主回路时，需要产生 1 8 0 。互补导通电压波形来驱动i g b t 。为了防止桥臂直通，要求同一桥 臂的上下两个开关管应具有延时互锁导通功能。一般延时互锁导通时 间f d 是固定的( 大约一两个微秒) ，同时，不同桥臂的上下两个开关管 的导通应具有可以改变的延时( 即移相角) ，此外还要求控制电路的波 形能够满足岛。移相控制专用芯片u c 3 8 7 5 完全能够完成上述功能。 2 改变电流得到直流侧的电压 可以使用斩波脉宽调制电路来实现恒功率控制。 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 图3 一l l 斩波脉宽调制电路 图3 - 1 1 中为恒功率控制的斩波脉宽调制电路。通常使用的斩波电 路有降压式的、升压式的、e u k 电路等。通过斩波脉宽调制电路，根据 电流的变化改变直流电压值，从而达到恒功率控制的目的。 由于现在的斩波电路技术已经很成熟，调压控制简单、可靠，所 以可以使用斩波技术来实现恒功率控制。但它与改变激励电路信号的 导通角、占空比的方法相比而言，却使得系统的结构更复杂、成本增 加。所以，目前采用的恒功率控制方法多为第一种方法。 3 3 2 电流型恒功率控制方案 为了保证在任何时候都能使逆变单元输出功率始终满足换能器所 需要的额定功率，课题中采用如图3 1 2 所示的电流型恒功率控制方案j 即采集直流侧的电流信号与给定的电流信号进行比较，将偏差输入数 字p i 调节器，从而改变移相控制的移相角，进而改变逆变单元的输出 电压。 图3 一1 2 电流型恒功率法控制图 圜 中国石油大学( 华东) 硕士论文 超声波防垢除垢器设计方案 图3 - 1 2 给定电流信号就是换能器达到额定功率时的直流侧电流， 采集直流侧的电流主要是因为通过换能器的电流是交流，需要检波、 滤波等处理过程才能检测到，这样相对比较困难，所以，我们采用了 检测直流侧电流的方法，这样只需要霍尔传感器就可完成。采用数字 p i 运算是为了减小静差量，使控制达到无静差。通过直流侧电流跟踪 给定电流，改变软开关控制信号的移相角，从而改变逆变单元的输出 电压，当移相角增大，输出电压也增大，最终使输出电压达到最大， 这样在最大的电流时得到最大的输出电压，从而逆变单元就得到了最 大输出功率。 当给定值i o 大于直流侧的电流值，时，输出功率小于最大输出功率， 这样就应该增加直流侧的电流值，从而增加逆交单元的输出功率；反 之，应该减小电流值，从而减小逆变单元的输出功率 连续控制系统中p i 控制规律形式如下： 广1 “p ，= 群le p ，+ 孝f 吖f ) d rl ( 3 - 8 ) 式( 3 - 1 9 ) 中，p ( f ) 一给定量与输出量的偏差。 甜( ，) 输出函数。 正一积分时间常数 上式为模拟量形式，必须离散化才能进行数字实现。为此，须将 上式改成离散形式的差分方程。取7 为采样周期，妫采样序号，用后向 差分法代替微分可得： r，k1 “例= k p h ”+ 軎e i tl ( 3 9 ) l 1 io j 式中，p ( 动一采样时刻埘的偏差值。 “一采样时刻埘的输出值 式中的“( 助为全量输出，对应于被控制对象的执行机构每次采样时 刻应达到的位置，被称为p i 位置控制算式。由于其输出值与过去所有 状态有关，计算时要花费大量的内存和时间，为此化为递推的形式。 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 用u 一“( i c - - 1 ) 并化简可得： r 七，= “r 七一- ，+ k p e ( k ) - e ( k - 1 ) + 吾e r 七， c s 一，。， 按式计算k 时刻的输出量“( 葡，只需用到采样时刻k 的偏差p ( 肋，以 及向前递推一次及两次的偏差值e ( k - 1 ) ，b ( 七- 2 ) 和向前递推一次的输出 量u ( k - - 1 ) ，从而大量节约了计算时间。 为防止计算机出现故障时输出量的大幅度变化，可采用增量型控 制，即输出量是两个采样周期之间，控制器的输出增量“( 七) 由式( 3 - l o ) 可得： 4 “r 七，= “r 七一一“r 七一t ，= x ，e ( k ) - e ( k - 1 ，+ 詈e r 后0 = k p k r t ，一p r 七一1 月+ 墨p r 七， ( 3 1 1 ) 式( 3 - 1 1 ) 称为p i 增量式控制算式。 其中k = 岛睾 数字p i 调节实现方案如图3 - 1 3 所示。 lz e 每群 图3 - 1 3p i 控制电路 控制规律： 肿= k p r + 专f 蝴) ( 3 - 1 2 ) 其中，是电流的偏差，k p 是比例系数，瓦是积分时间常数 对上式进行离散化： 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方寰 p 0 ) = 山( 哪一，o 1 ) 】+ 。，( ”) ( 3 1 3 ) 其中，缸( 功为第n 次采样时刻的直流电压偏差，t = 詈，瓦是采 样时间。 3 4 超声电源设计方案 通过对超声系统特性的分析和频率跟踪与恒功率控制方案的建立， 可以得到如图3 - 1 4 所示的超声电源结构框图。 图3 一1 4 超声电源结构框图 单相工频交流电经过变压、全桥整流、l c 滤波电路后，形成直流 电压，加到逆变器上，交流逆变器采用带有辅助网络的软开关控制， 实现开关管的零电压开通。逆变器在驱动电路提供的一对彼此反向、 设有死区时间的矩形驱动电压的作用下，将直流电压转换为高频交流 电，高频变压器再将其升至所需的工作电压，然后匹配网络对其调谐、 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器设计方案 滤波等处理后形成激励超声系统所需的近似正弦波的高频交流电。系 统工作过程中，d s p 周期地通过采样调理电路检测电源输出电压、电流， 获得相位差及其符号，通过直流侧电流获得控制恒功率所需要的移相 角；当超声系统的谐振频率漂移时，d s p 检测到电压、电流相位差及其 前后关系的变化，再按频率跟踪控制算法，计算出控制量，改变逆变 器工作频率，及时跟踪谐振频率的变化当超声振动系统的外界负载 增加或减小时，d s p 检测到超声系统的输入电流的变化，按功率恒定控 制算法，计算出控制量，使逆变器输出功率随外接负载增加或减小。 显示电路的作用是，在电源工作期间在线动态显示运行参数，如 频率和功率等。 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器主电路的设计 第4 章超声波防垢除垢器主电路的设计 超声波防垢除垢器主电路是产生超声频功率部分。交流市电通过 它转化为功率和频率都可调的超声频交流电输出至匹配网络，激励换 能器振动由第三章的阐述可知，主电路包括三部分，即整流滤波电 路、逆变电路和匹配网络。图4 一l 给出主电路图。 l 图4 - 1 主电路 4 1 整流滤波电路设计 整流电路的作用是将交流电转换为稳定的直流电。2 2 0 v 单相交流 电经整流器后，转换成直流电压如图 l 所示，整流器采用了二极 管不可控全桥结构，此电路结构输入电压与输入电流相比基本没有相 位滞后，即使输入电流中含有谐波成分，输入回路总的功率因数也非 常高。电路采用模块化设计，因此，最终选用整流桥结构l t k b j l s o s g ， 其耐压8 0 0 v ，额定电流1 5 a 。 滤波电路接在整流桥与逆变电路之间，它能够平滑整流桥输出的 脉动电流，还可以抑制高频干扰。本课题采用l c 低通滤波结构，其中 电感量为5 m h ，电容为1 0 0 0 u f 4 5 0 v 2 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器主电路的设计 4 2 逆变电路设计 由于开关管的开关频率高，为了减少开关损耗，提高变换器的变 换效率，全桥变换器多采用软开关技术。软开关设计多采用移相控制 零电压开关全桥逆变器结构。这种变换器每个桥臂的两个开关管为 1 8 0 。互补导通，而这两个桥臂之间有一个相位差，称为移相角。调节 移相角可以调节输出电压。相位超前的为超前桥臂；相位滞后的桥臂 为滞后桥臂。 4 2 1 传统零电压开关全桥逆变器 ( a ) 电路图 换能器 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器主电路的设计 口 9 2 ( b ) 波形圈 图4 - 2 零电压开关全桥逆变器 1 、超前桥臂实现软开关的原理 在初始时刻，先关断q 1 ，原边电流从口1 中转移到c i 和岛支路中， 给c 。充电，同时岛被放电。由于有c 。存在，它两端的电压在翻关断的 瞬间不会发生突变，仍保持电压为零，因此，口i 的状态是零电压关断。 在这段时间里，谐振电感三r 和滤波电感，是串联的，而且r 很大， 因此，可以认为原边电流近似不变。这样c l 的电压增加，同时g 的 电压减小。当g 的电压下降到零，岛反并联的二极管马自然导通，此 时开通幺，伤实现了零电压开通。当饧关断、幺开通的情况与上述原 理类似。 2 、滞后桥臂实现软开关的原理 如图4 - 2 ( b ) 所示，当幺关断时，原边从q 。中转移到c 2 和c 支路 中，给c 充电，同时给c 2 放电。由于有c 的存在，它两端的电压在q 4 关断的瞬间不会发生突变，仍保持电压为零，因此，q 4 的状态是零电 压关断。当c ：的电压下降到零，伤的反并二极管d 2 自然导通，此时 开通色，g 实现了零电压开通。当办关断、口4 开通的情况与上述原 理类似。 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器主电路的设计 3 、超前和滞后桥臂实现软开关的差异 ( 1 ) 实现软开关的条件 要实现开关管的零电压开通，必须有足够的能量来抽走将来开通 开关管的结电容上的电荷，并给同一桥臂将要关断的开关管结电容充 电。同时，考虑到变压器原边绕组电容，还要一部分能量来抽走变压 器原边绕组寄生电容c 。也就是说，必须满足式( 4 一1 ) 的能量关系： e i 1 l j r 埘2 + i 1l ，r 研2 + i 1l 球2(4一1) ( 2 ) 超前桥臂实现软开关的能量 超前桥臂容易实现软开关，这是因为在超前桥臂开关过程中，输 出滤波电感所是与谐振电感厶串联的，此时用来实现软开关的能量是 上，和，中的能量。这个能量很大，很容易满足式( 4 - 1 ) 。 ( 3 ) 滞后桥臂实现软开关的能量 全桥移相零电压变换器利用变压器的漏感和原边串联的谐振电感 与功率元件m o s f e t 的寄生电容产生谐振实现软开关。如果负载是大 范围变化的，滞后桥臂在轻载时难以实现零电压开关。为了解决这一 问题。可以选用较大的串联谐振电感，但这会导致变压器副边占空比 丢失，尤其在输出电压低、负载最大时，占空比丢失更严重。 由以上所述可知，超前桥臂利用输出电感l ，的能量来实现零电压 开关( z v s ) ，由于工，较大，因此，超前桥臂容易实现z v s ：而滞后桥臂 实现z v s 的能量是变压器谐振电感能量，谐振电感一般很小，因此滞 后桥臂实现z v s 比较困难。为了实现滞后桥臂的零电压开关，一般采 用的方法是增加励磁电流。但是增加励磁电流会带来开关管的通态损 耗和变压器损耗增加。为了解决上述问题，本课题采用了带辅助网络 的全桥软开关逆变电路。 3 1 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器主电路的设计 4 2 2 带辅助网络的全桥软开关逆变电路设计 乳 已 ( a ) 电路图 - t i _ 、 厂一 、， 一 ( b ) 波形图 图4 - 3 辅助谐振网络 由图4 - 2 ( a ) ( b ) 可以看出，当q 4 关断时，电流f 。是流入节点b 的； 而当q 2 关断时，f ，是流出节点b 的。 图4 - 3 ( a ) ( b ) 分别是辅助谐振网络电路图和波形图。从中可以看 出，当口4 关断时，辅助电感电流k 是流入节点b 的；而当如关断时， 么是流出节点8 的。 从上面的分析可知：如果把4 2 ( a ) 和4 _ 3 ( a ) 电路并联，共用一个 桥臂，即共用仍和甄，就可以构成图4 一l 所示的带辅助谐振网络的零 中国石油大学( 华东) 硕士论文超声波防垢除垢器主电路的设计 电压开关全桥逆变电路。当q 4 关断时，电流f ，和辅助电感电流i 。同时 流入节点b ；而当q 2 关断时，i ，和也同时流出节点b 。因此在开关管 开关时，f 。和k 同时流入或同时流出节点b ，两个电流是相互增强的， 这就是电流增强原理。这两个电流同时给开关管的并联电容充放电， 使之在各种工作状态下，在开关管开通前抽完该管并联电容的电荷， 实现零电压开关。 该电路解决了由于原边电流变大，使得开关管的通态损耗加大的 问题，实现了零电压开关。 4 3 高频变压器的设计 高频变压器是超声电源的关键部件之一，它的主要作用是电压变 换、功率传输、输出隔离以及与匹配电路一