（机械设计及理论专业论文）超声波电源脉冲特性及其试验研究.pdf

原创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是本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，除了论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 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均己在论文中作了明确的说明。 作者签名： 奎壁 日期：至k 年月三日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名： 奎壁导师签名缝至骜日期：吐年月三日 中南大学硕士学位论文摘要 摘要 铝合金铸造、铸轧过程中施加超声外场技术是当前国际研究的热 点和未来铸造、铸轧技术的一个新的发展方向。因此只有设计合理的 超声铸造、铸轧装备，才能制备出高性能的铝合金带材。在继承课题 组超声设备研究成果的基础上，研究了适合于这些工艺的超声电源设 备。 本文的主要研究工作如下： 1 主回路是超声波发生器功率传输系统，本文主要对逆变电路， 可控硅整流滤波电路，功率管的保护和匹配网络进行了研究。针对变 幅杆的温度在高温金属熔体中升高，引起变幅杆的固有频率发生改 变，使得变幅杆与压电陶瓷之间产生失谐而不能正常工作的问题，本 文设计研究了基于d s p 的软件频率跟踪。 2 超声波电源输出功率大小对铝合金熔体处理有重要影响。本文 从提高超声电源峰值功率出发，分析研究了脉冲驱动及脉冲电流两种 不同的脉冲形式，同时研究了这两类产生脉冲的电路。通过超声波电 源实验中测得的相关数据可知：脉冲工作模式下超声波电源输出的峰 值电压、电流都较大高出连续工作模式下的峰值，脉冲频率与占空比 影响换能器的输入电压。 3 由脉冲超声铝合金晶粒细化试验分析可知：1 ) 低频脉冲下的 脉冲超声波对铝合金晶粒细化效果与连续波的有基本相同的规律：在 远离工具杆端面方向晶粒细化效果随距离增大而变差。在工具杆半径 方向则由于超声作用范围小，晶粒细化效果较轴向方向差。在一定时 间范围内，施加超声时间越长晶粒细化效果越好，施加功率越大晶粒 细化效果越好。2 ) 脉冲波对铝合金晶粒细化效果与连续波的相比又 有差异：平均输出功率相同的情况下，脉冲波对铝合金晶粒细化效果 优于连续波。 关键词：超声发生器，匹配网络，频率跟踪，脉冲超声波，晶粒细化 中南大学硕士学位论文 a b s t a c t a bs t r a c t a l u m i n u ma l l o yc a s t i n ga n dr o l lc a s t i n gb yu l t r a s o n i cf i e l di st h e i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hh o t s p o ti nn o w a d a y sa n dan e wd i r e c t i o no ff u t u r e c a s t i n gt e c h n i q u e t h e r e f o r eh i g hp e r f o r m a n c ea l u m i n u ma l l o ys t r i pc a n b eo n l ym a d eb yr e a s o n a b l ed e s i g n e du l t r a s o u n dc a s t i n ge q u i p m e n t o n t h eb a s i so fu l t r a s o u n dc a s t i n ge q u i p m e n tr e s e a r c ha c h i e v e m e n to fo u r r e s e a r c h i n g g r o u p ，ak i n do fu l t r a s o n i cp o w e re q u i p m e n tw h i c hs u i t a b l e f o rt h e s ep r o c e s sw a ss t u d i e d t h e m a i n l ys t u d i e si nt h i sp a p e ra r ea sf o l l o w s ： 1 t h em a i nc i r c u i ti st h eu l t r a s o n i cg e n e r a t o rp o w e rt r a n s m i s s i o n s y s t e m s c rr e c t i f i e rc i r c u i t ，i n v e r t e rc i r c u i t ，t h ep r o t e c t i o nc i r c u i to f t r a n s i s t o ra n dm a t c h i n gn e t w o r kw e r em a i n l ys t u d i e di nt h i sp a p e r t h e n a t u r a l f r e q u e n c y o fh o r nw i l lb e c h a n g e dw h e n i ti si nt h e h i 曲一t e m p e r a t u r e m e l tw h i c hc a u s et h em i s m a t c hb e t w e e nh o r na n d p i e z o e l e c t r i cc e r a m i c s ak i n do ff r e q u e n c yt r a c k i n gb a s e do nd s p w a s d e s i g n e dt os o l v et h i sp r o b l e m 2 t h eo u t p u ts i z eo fu l t r a s o n i cp o w e rh a si m p o r t a n ti m p a c to nt h e a l u m i n u ma l l o ym e l tp r o c e s s i n g p u l s ed r i v ea n dp u l s ec u r r e n tw e r e s t u d i e di nt h i sp a p e ra i ma ti m p r o v i n gp e a ko u t p u tp o w e ro ft h eu l t r a s o n i c g e n e r a t o r a tt h es a m et i m et h e s et w ot y p e sc i r c u i tf o rp r o d u c i n gp u l s e s w e r es t u d i e d f r o mt h er e l a t e dd a t em e a s u r e di nt h ep u l s e du l t r a s o u n d p o w e re x p e r i m e n tw e c a nc o n c l u d et h a tt h eo u tp u tp e a kv o l t a g ea n dp e a k c u r r e n to ft h eu l t r a s o n i cp o w e ri np u l s em o d ei sc o m p a r a t i v e l yh i g h e r t h a ni nc o n t i n u o u sm o d e t h et r a n s d u c e ri n p u tv o l t a g ei sa f f e c t e db y p u l s ef r e q u e n c ya n dd u t yc y c l e 3 a c c o r d i n gt o t h ee x p e r i m e n to fi m p u l s eu l t r a s o n i ca l u m i n u m a l l o yg r a i nr e f i n e m e n t ，f o l l o w i n gc o n c l u s i o n sw e r es u m m a r i z e d ：1 ) t h e i n f l u e n c eo fl o wf r e q u e n c yi m p u l s eu l t r a s o n i cw a v eo ng r a i nr e f i n i n gi s s i m i l a rw i t hc o n t i n u o u su l t r a s o n i cw a v e ：t h ee f f e c to fg r a i nr e f i n i n g b e c o m ew o r s ew i t ht h ed i s t a n c et ot h ea m p l i t u d er o dt e r m i n a lf a c e i n c r e a s e d a tt h ed i r e c t i o no fa m p l i t u d er o dr a d i u s ，t h eg r a i nr e f i n i n g e f f e c ti sw o r s et h a nd i r e c t i o no fa x i sf o rt h er e a s o no fu l t r a s o n i ca c t i n g z o n ei ss m a l l w h i l et h et i m ei si nac e r t a i nr a n g e ，t h ee f f e c to fg r a i n i i 中南大学硕士学位论文 a b s t a c t r e f i n i n gi sb e t t e rw h e nt h et i m eo fa p p l i c a t i o no fu l t r a s o n i ct r e a t m e n ti s l o n g e ro rt h eu l t r a s o n i cp o w e ri sb i g g e r 2 ) t h e r ei s s t i l ld i f f e r e n c e b e t w e e nt h ei m p u l s eu l t r a s o n i cw a v ea n dc o n t i n u o u su l t r a s o n i cw a v eo n e f f e c to fg r a i nr e f i n i n g ：g i v e nt h es a m ea v e r a g ep o w e r , i m p u l s e u l t r a s o n i cw a v eo ne f f e c to fg r a i nr e f i n i n gi sb e t t e rt h a nt h a t o f c o n t i n u o u su l t r a s o n i cw a v e k e yw o r d s ： u l t r a s o n i c g e n e r a t o r , m a t c h i n gn e t w o r k ，f r e q u e n c y t r a c k i n g ，p u l s e du l t r a s o u n dw a v e ，g r a i n r e f i n e m e n t i i i 中南大学硕士学位论文 目录 目录 第一章绪论1 1 1 引言一1 1 2 超声铝合金制备及其研究发展1 1 2 1 超声铝合金制备1 1 2 2 超声铝合金制备的研究发展3 1 3 功率超声电源的发展现状及发展趋势5 1 3 1 功率超声电源国内外发展现状5 1 3 2 功率超声电源发展趋势5 1 4 课题来源、研究意义及研究内容7 1 4 1 课题来源。7 1 4 2 研究意义8 1 4 3 研究内容8 第二章超声发生器的设计研究l o 2 1 引言1 0 2 2 总体方案分析。1 0 2 3 主回路的研究11 2 3 1 逆变电路拓扑结构分析1 1 2 3 2 逆变器功率开关器件1 3 2 3 3 整流滤波环节1 3 2 3 4 驱动环节1 5 2 3 5 保护环节1 6 2 4 负载匹配电路的分析1 7 2 4 1 匹配网络的设计原则及作用1 7 2 4 2 几种典型匹配网络的分析1 7 2 5d s p 控制系统2 0 2 5 1 控制芯片的选择一2 0 2 5 2p w m 信号的产生2 1 2 5 3 频率跟踪环节2 2 2 6 本章小结2 4 第三章超声波电源脉冲电路的研究2 5 3 1 超声功率对金属处理的影响2 5 3 1 1 超声功率对金属熔体凝固过程温度影响2 5 3 1 2 超声功率对熔体形核过程的影响2 5 3 1 3 超声功率对凝固成分偏析的影响2 6 3 2 超声波电源脉冲驱动信号产生电路的研究2 6 3 2 1 三极管开关电路分析2 7 3 2 2 三极管高速开关的实现2 8 3 2 3 脉冲驱动信号产生电路分析2 8 3 3 超声波电源脉冲电流产生电路的研究2 9 3 3 1 脉冲电流回路的能量储存3 0 i v 中南大学硕士学位论文目录 3 3 2 脉冲电流产生电路分析3 0 3 4 脉冲控制信号的软件设计3 l 3 4 1 脉冲信号频率算法3 1 3 4 2 脉冲控制信号的软件设计3 2 3 5 超声波电源脉冲电路模拟仿真试验3 2 3 5 1 电路仿真的介绍3 2 3 5 2 脉冲驱动信号产生电路的仿真分析3 3 3 5 3 脉冲电流产生电路的仿真分析3 4 3 6 本章小结3 5 第四章超声波电源脉冲特性试验研究3 6 4 1 超声波电源脉冲电特性实验3 6 4 1 1 实验目的3 6 4 1 2 实验设备3 6 4 2 负载回路分析3 6 4 2 1 连续模式下换能器电压电流波形分析3 6 4 2 2 脉冲模式下换能器电压波形分析3 7 4 3 超声波电源脉冲电特性分析3 7 4 3 1 脉冲频率占空比与峰值电压关系分析3 7 4 3 2 换能器峰值电压与负载环境关系分析3 8 4 3 3 连续模式与脉冲模式峰值功率比较分析。3 9 4 3 4 脉冲模式下功率管失效原因分析4 0 4 4 脉冲超声波铝合金晶粒细化试验4 l 4 4 1 试验目的4 l 4 4 2 试验材料、设备4 1 4 4 3 试验方案4 1 4 5 脉冲超声波铝合金晶粒细化效果分析4 2 4 5 1 沿铸锭纵向超声晶粒细化效果分析4 2 4 5 2 沿铸锭径向超声晶粒细化效果分析4 4 4 5 3 施振时间对晶粒细化的影响4 5 4 5 4 施振功率对晶粒细化的影响4 5 4 5 5 脉冲波与连续波晶粒细化效果比较分析4 6 4 6 本章小结4 6 第五章全文总结及展望4 8 5 1 全文总结4 8 5 2 展望4 8 参考文献5 0 致谢5 5 硕士期间参与的科研项目及发表的论文5 6 v 中南大学硕士学位论文第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论弟一早瑁t 匕 现代航天航空、交通设备等技术领域，特别是重要的高技术装备，不仅对铝 合金性能提出了苛刻的要求，而且要求采用整体构件以达到减轻重量，提高产品 的刚度和有效性的目的。至今我国还不能合格生产用于规格较大的整体构件的铝 合金厚板、锻件、管材与型材，这种状况严重制约着我国尖端技术的发展。因此 高性能铝材制备具有重要意义。 高性能铝材的制备是当今铝工业面临的一个非常紧要的问题。比较传统的铝 合金晶粒细化方法而言采用添加晶粒细化剂的方式可以细化铸造组织【l _ 2 1 ，但这 种方法并不十分理想并且还会造成合金污染，严重影响合金的性能和可循环使用 性。大量试验研究表明超声波的空化效应可以使金属熔体晶粒得到细化。因此在 铝合金铸造、铸轧过程中将超声外场施加进入其中，是目前国际研究的热点并已 成为未来铸造、铸轧技术的一个新的研究方向，因此只有设计合理的适用于超声 铸造、铸轧的超声波电源装置才能制备出高性能的铝合金带材。 由于超声功率对金属熔体处理效果有重要影响，脉冲电源具有输出高峰值功 率的特点，脉冲超声场与连续超声场声压特性又有所不同，因此将脉冲工作方式 引入超声电源进行铝合金制备，可能对提高铝合金力学性能产生重要影响。 1 2 超声铝合金制备及其研究发展 1 2 1 超声铝合金制备 ( 1 ) 超声空化效应 大量试验研究表明，空化、声流、机械等特殊效应会随超声波在液体中传播 时而产生。而利用空化效应的超声应用最为广泛。空腔的形成及快速闭合变产生 了空化效应【3 】。空化效应所产生的原因如下：当液体流过阻挡其流动的物体时， 液体中便会形成较大的张应力，当超声波声场的声压超过一定值时，也将会形成 空化，这种拉伸介质造成液体撕裂而产生的空化形成在超声波负半周期，当空腔 崩溃时会形成较为强烈的冲击波。 ( 2 ) 超声铝合金铸造 超声铸造利用超声波的空化效应对铝合金晶粒细化产生效果。超声对晶粒细 化具有以下两方面的作用：一是对饱和溶液晶体生长所产生的影响，二是在金属 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 凝固时对晶粒结构所产生的影响。强超声能加速有机和无机过饱和溶液晶核的形 成过程，抑制晶体生长而得到更均系的晶粒。其原因是由于空化使得晶团、树枝 晶分散的缘故，而使得每一个晶体形成许多的晶核【3 j 。 超声铸造如图1 1 所示：由超声波电源产生并输出的超声频交流信号对压电 陶瓷进行激振，可使电能转化为振动的机械能，超声波振动系统所形成产生的纵 向驻波，便通过工具头直接输送到金属熔液中，这样导入的超声波便在金属熔液 中产生空化等诸多效应，晶粒得到细化，这样便提高了铝合金的力学性能。 r o 喇酝酿粥崦t ol 踊h 晦a 脚 图1 - 1 超声铸造原理图 ( 3 ) 超声铝合金铸轧 超声铸轧如图1 2 所示：当超声波经由工具杆9 向铝熔液2 中导入时，液体 中的分子便受到超声波声场的作用，在声场的稀疏相内，铝熔体熔液受到拉应力， 当声场声压值达到足够大时，空化泡在液体受到巨大的拉应力作用下而产生。而 当超声声波正压相来临时，产生的空化泡便以非常高的速度闭合或者崩溃，局部 性的高温高压便在液体内部产生。这种局部性的高压会对处在长大过程中的晶体 形成巨大的冲击，枝晶将因受到气泡膨胀挤压而发生折断，而高温作用也会使铝 熔体中已经凝固的枝晶熔断。超声波在熔体中的衰减使得熔体内将形成一定声压 图1 - 2 超声波铸轧原理图 2 中南大学硕士学位论文第一章绪论 梯度，这种声压梯度会造成熔体熔液流动产生声流。声流对之前凝固的熔液所生 成的枝晶会产生一定的弯曲应力，这种弯曲应力会使得穿过枝晶根部的晶界扩 展，直至枝晶剥落。这些被剥落的枝晶会通过声流的作用而分布于熔体熔液中， 将使得形核率得到提高。超声波的声流以及空化效应使晶粒得到较为明显的细 化，使铸轧铝合金带材的力学性能得到提高。 1 2 2 超声铝合金制备的研究发展 早在上世纪4 0 年代振动所产生的效应对金属的影响开始受到人们的重视。 早期的研究均在低频振动范围内进行的，一般在几千赫兹之内。其振动能量比较 小。b a l a n d i n 4 j 及c a m p b e l l ”较为全面的总结了e hr o m a n o v ，b a l a n d i n ，及r e b i n d e r 等人在低频振动对金属产生影响的研究成果。苏联的s o k o l o v 研究了超声波对 a 1 l z n s n 等金属熔体凝固过程的影响。超声波振动所产生的高强度能量及其所产 生的诸如空化声流等特殊效应，极大的提高了金属熔体晶粒细化的效果，超声振 动也因此逐步成了金属凝固的主要研究方向。 在铝合金超声铸造铸轧方面，俄罗斯，美国等国均进行过较为广泛而深入的 研究，积累了很多成果睁1 引。俄罗斯的g i e s k i n 1 9 - 2 0 1 进行了超声纯铝熔体的处理， 使金属的拉伸强度，硬度得到了极大的提高，改善了铝合金金属的延伸率。在铝 合金铸造过程中对a 1 s i 合金进行超声波处理同样也得到了较佳的效果【2 l 】，当对 初生s i 相进行变质和超声联合作用处理时，晶粒细化作用效果非常明显。在对 中9 6 0 m m 直径的7 4 7 5 铝合金铸造进行超声振动时，铝合金的晶粒尺寸由没施加 超声振动的6 6 5 m m 减少到施加超声振动时的1 5 0 m m 左右，如图1 3 所示。 麓翮丽翳 图1 - 3a i s i l 3 、a i s i l 7 合金微明组织( a 未加超声，b 施加超声) 在铝合金材料制备理论领域研究方面，l e i g h 等进了超声波对金属熔体的作 用机理进行了研究，他认为超声对熔体的处理是化学作用和机械作用共同作用的 结果，超声的化学作用产生于空化气泡的破裂，而机械作用则是由冲击波引起的， 指出超声波化了熔体内部的传质于扩散。h a n b i n g 对a 3 5 6 铝合金进行了研究， 他使用2 0 k h z 频率的超声波对铝熔体进行除气，该研究使人们知道氢在铝合金 熔体中的含量变化与超声波铝熔体的作用时长、以及铝液温度、之初的氢含量有 较大关系，通过该研究h a n b i n g 同时指出超声波的施加能较大程度的降低铝合金 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 的气孔形成率。s u k t i 等则研究了铝熔体的相关特性如粘度等对超声波功率衰减 的影响，并对此建立了经过简化后的数学模型，并经过试验提出了衰减系数。 j a v i e r 等研究了超声波的振幅以及内部静压力等相关因素对超声波能量在铝熔体 溶液中传播特性的影响，他通过试验得出了处于一定范围内的压力振幅之下，熔 体温度的升高使得超声波电源输出功率的下降以及振幅增加时，超声波电源的输 出功率呈现出指数化增大的结论。 我国在铝合金超声铸造铸轧领域也进行了相关研究工作，但由于受到诸多方 面条件的制约，研究相比国外而言较为零散，取得的相关应用成果也比较少 2 2 4 0 1 2 0 世纪9 0 年代我国开始了超声场在铝合金铸造过程之中的影响研究。 沈阳工学院的赵忠兴等研究了超声铸造技术，他采用冶金用超声波电源对 a l s i c u m g 合金，z l l 0 2 ，以及z c u p b 3 0 等进行超声波处理【2 3 】，从研究中获知 经超声处理后的合金样品均是等轴晶或颗粒状组织，改善了合金组织的宏观以及 微观偏析。 东北大学李英龙等则研究了对a 1 s i 合金进行凝固过程的全程式作用超声， 以及只是在结晶开始之前作用超声对a l s i 合金组织和其力学性能的影响田】。研 究结果发现以前者超声处理方式可使共晶s i 得到非常明显的细化，而且呈现出 粒状式分布。而以同样功率的超声波在结晶前施加尽管同样能细化共晶s i ，但其 仍为针状分布。李英龙等人研究了超声场是怎样对铝合金的变质气作用的【3 1 1 ， 最终研究结果结论为：利用超声频率为2 0 k h z ，超声场声强为3 5 w c m 2 的功率 超声对a 1 s i 合金进行全过程处理的方式，可使液相形核率得到较好的提高。 中南大学机电工程学院的冶金机械研究所有着较为丰富实践经验的李晓谦 教授，初步研究了超声能量在铝熔体中传递进程中的衰减规律，并通过对铝合金 铸锭微观组织形态来反推超声场在铝熔体中的作用距离【3 2 】，研究结果表明随着 作用距离的增加不管在沿铝锭的纵向还是径向，铝锭的晶粒尺寸逐步增大。陈康 华1 3 3 。3 5 】等将超声场引入铸造中，使铝合金铸坯凝固组织及性能得到了改善。 毛大恒等则使用双头式导入杆进行在水平双辊铸轧机上的超声波铝板带的 ( a ) 未经超声空化处理( b ) 经过超声空化处理 图l - 4 板带表面金相组织 4 中南大学硕士学位论文第一章绪论 验研究 3 6 1 ，在超声波的施加作用下铝板带组织的晶粒细化程度得到了增加，而 且组织也更为均匀( 见图1 4 ) 。初步研究探索了超声在铝合金铸轧中的应用，以 及超声场在铝板带铸轧过程中的作用规律及影响。 1 3 功率超声电源的发展现状及发展趋势 1 3 1 功率超声电源国内外发展现状 将工频电流转变成超声频振荡电流是超声波电源的主要作用，功率超声电源 的发展可划分为以下几个阶段；采用电子管作为放大器阶段；采用晶体管模拟放 大器阶段；采用晶体管数字放大器阶段【3 7 1 。 传统的超声发生器是采用振荡器来产生超声波的，并且采用电子管作为功率 器件。2 0 世纪8 0 年代开始大功率晶体管得到采用，继而采用i g b t ，使得超声 发生器的工作电压和工作电流定额明显地增大了。到2 0 世纪9 0 年代，m o s f e t 技术发展迅速被广泛采用。近十年来，超声波电源采用高频开关交流电源技术得 到了较大进步的发展。 国外方面，1 9 9 1 年日本和西班牙两国先后研制出5 0 l ( h z 5 0 0 k w 和5 0 k h z 2 0 0k w 的i g b t 电源，最近几年来，日本又研制了3 k w 2 0 0 k w ，2 0 k h z 3 0 0 k h z 系列电源，美国研制了输出频率为2 0 0 k h z 3 0 0 k h z ，输出功率为1 0 0 4 0 0k w 的 m o s f e t 系列电源。 国内方面，我国已开发出频率从十几千赫兹到几兆赫兹，功率从几十瓦到几 十千瓦功率超声电源，应用在各类超声波设备上。1 9 9 5 年浙江大学研制出5 0 k h z 5 0 k w 的i g b t 超音频电源，北京有色金属研究院则联合本溪电源设备厂于19 9 6 年研制出了2 0 k h z 1 0 0 k w 的i g b t 超声电源【3 8 11 9 9 7 年马智龙，丁玉薇【3 9 】等开 发成功程控功率超声发生器。2 0 0 0 年，张东卓，刘照【4 0 】开发出一种可以实现频 率跟踪，功率恒定及可调的，高效的，体积小的；性价比较高的功率超声电源。 2 0 0 2 年刘丽华，顾煜炯】开发出一种智能化较高的超声波电源；2 0 0 5 年郑书友， 徐西鹏【4 2 】分析并研究了超声加工中的频率跟踪技术，并研制出具有这种频率跟 踪功能的超声波电源。 1 3 2 功率超声电源发展趋势 压电换能器是目前超声电源中用得最多的一种换能器形式，所以基于压电换 能器设计超声电源占据主导地位。超声电源目前的逆变电路大多数采用全桥逆变 以及半桥逆变来达到完成电流形式转变的目的，而且频率跟踪已通过各种方式已 经得到实现。 5 第一章绪论 当前在超声 ( 3 ) 开关电源的效率是衡量其性能的重要指标，超声电源同样如此，但目前 还不成熟，因此软开关技术有待深入研究发展。 目前，为实际生产应用提供较为稳定可靠且高效实用的超声设备，超声波电 源正向着功大率、体积小、低成本、标准化、智能化的方向发展【4 3 】。为保证发 生器具有最佳的工作性能和效率，需解决以下关键技术：( 1 ) 输出频率稳定的电 信号；( 2 ) 采用高效率功率放大器；( 3 ) 良好的阻抗匹配网络( 4 ) 灵敏的频率自动跟 踪。 ( 1 ) 频率自动跟踪 频率自动跟踪，其目的是为了解决超声振动系统的谐振问题，即使超声发生 器的激励信号频率等于换能振动谐振频率。在工况中，由负载系统的温度变化、 变幅杆材料在工作不断的损耗以及加压等因素的影响，变幅杆的固有频率将发生 变化，将使变幅杆与压电陶瓷之间产生失谐而不能正常工作，工作效率降低，能 量传输受阻，更为危险的是这将超声电源系统彻底损坏。因此使用在这些工况的 超声发生器应当具有频率自动跟踪功能。 上世纪8 0 年代中期，西班牙a r a l t i o s f e m a r d 和日本学者k e h c h i 都采用锁 相压控振荡系统对高品质因素的压电陶瓷换能器进行了自动频率跟踪研究4 5 1 。 蔡崇成等则采用差动变量器桥式电路补偿电学臂的原理【4 6 】，运用差动放大形式， 对换能器的传输函数进行了补偿运算，使电学回路得以自激振荡。1 9 8 8 年张镜 澄采用差动变量器桥式自动跟踪电路进行频率跟踪【4 7 1 。清华大学则采用自寻最 优模糊控制的方法，实现了自动频率跟踪，并取得了良好的频率跟踪效果【4 8 j 。 张其馨研究了采用单片机控制频率的自动频率跟踪方法，并提出了通过搜索电流 极大值的方法来实现频率跟踪技术【4 9 】。 6 中南大学硕士学位论文第一章绪论 ( 2 ) 阻抗匹配 在功率超声设备中，换能器与超声发生器的阻抗匹配占有重要的地位，因为 匹配效果好坏决定着超声电源能否有效而稳定的工作。阻抗匹配有以下几个方面 的作用： 1 ) 调谐，使超声系统处于谐振，以使电路中的无功分量得到减少，从而提高 超声系统的输出效率。 ( 2 ) 变阻，为了使超声系统输出额定功率，可以使发生器电阻抗与换能器阻 抗相同，这样换能器就能得到最大的功率输出。 ( 3 ) 滤波，超声波发生器输出方波中均含有谐波成分。合理的匹配电路能将 谐波成分剔除掉，这样可以使开关管的负担得到减小。 通过运用扩展后的最大功率传输理论，鲍善惠计算出了不同电路程式的超声 电源所产生最大功率的效率和条件，得到了与图解法等相关方法相同的结果1 5 0 1 。 此后，鲍善惠又使用自激式和他激式超声波发生器具体的匹配途径以及改变换能 器等效电阻的方法，在实践应用中收到了较好的效果【5 1 1 。 ( 3 ) 电路保护 功率器件的安全运行和有效保护是提高整个装置工作可靠性的一个重要措 施。超声波电源应具备欠压保护、过流保护、过热保护、快速过载和输出短路等 保护功能。开关电源的热源中的高频变压器、开关功率管以及整流用的输出二极 管温升十分突出，在热量不能及时散掉的情况下，功率管就会面临着烧坏的可能。 由于发生器在工作时，会因瞬时的充放电而产生较大的冲击电流，因此需要在超 声发生器加入软启动措施。所以，能提供靠、高效的较为实用的超声冲击装置是 迫切需要的。 1 4 课题来源、研究意义及研究内容 1 4 1 课题来源 本课题是国家重大基础研究发展项目( 9 7 3 计划) “高性能铝材与铝资源高 效利用的基础研究”的课题7 “大铸锭能量传输与宏微观缺陷组织的产生及控制” ( 编号：2 0 0 5 c b 6 2 3 7 0 7 ) 及国家高技术研究发展技术( “8 6 3 计划) “多能场制备 微细晶铝合金带坯与装备技术 ( 编号：2 0 0 8 a a 0 3 2 1 0 3 ) 课题关于电磁场+ 超声 铸轧装置的研究部分。 7 中南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 4 2 研究意义 超声波电源输出的功率在超声铸造过程中对金属熔体处理有极其重要的影 响，超声功率越大，空化效应越强，金属熔体凝固点降低，流动性越大，晶粒细 化效果越好。脉冲电源具有输出高峰值功率的特点，脉冲超声场与连续超声场声 压特性又有所不同，将具有这种能产生脉冲超声波的超声波电源应用于铝合金铸 造中可能对提高铝合金力学性能产生重要影响。 在铝合金铸轧过程中由于单独施加超声场或电磁外场，均难以实现铝合金板 带晶粒尺寸的微细化。如能将电磁场和超声场结合起来，利用超声波的空化效应 产生的强压力波使晶体内部产生崩塌；利用电磁场力产生的作用于原子尺度的搅 拌力，使晶粒破碎；二者协同，将使铝合金带的生产加工发生根本性的变化。利 用电磁场+ 超声场作用于铸轧区的铝熔体，产生感应力，对晶粒产生冲击和剪切 作用，实现晶核增殖，达到细化晶粒，显著提高铸轧带坯质量的目的。电磁场与 超声场对细化铸轧组织，提高铸轧产品质量具有积极的作用。 因此将脉冲工作方式引入超声电源，利用脉冲超声波特性进行铝合金制备， 有利于提高铝合金铸锭及铝合金带板的性能。 1 4 3 研究内容 金属材料在超声波作用下的凝固过程各种复杂的物理现象伴随其中，有些现 象已经被人们所发现，但更多现象的发现及掌握其中的作用机制则需要人们去努 力探索研究。超声波发生器是铝合金超声铸造、铸轧设备的重要组成部分，它在 超声铸造、铸轧过程中对铝合金晶粒细化作用起着较为关键作用。 本论文将对具有产生脉冲超声波功能的超声波电源进行设计研究，并对其脉 冲电特性及脉冲超声波在铝合金熔体处理中的作用特性进行试验研究。本论文的 叙述内容安排如下： 第一章：简要概述超声铝合金几种典型的制备方式、超声波铝合金制备的研 究发展，超声电源的发展现状及发展趋势等。 第二章：主要对超声波发生器进行设计研究，包括逆变电路，匹配网络，频 率跟踪，整流滤波等。 第三章：脉冲电源能输出高峰值功率，而脉冲超声场声压特性与连续超声场 的声压特性又有所不同，为此本文将脉冲功能引入超声电源之中，分析不同的脉 冲形式，研究不同的超声波电源脉冲电路。 第四章：通过超声波电源脉冲电特性实验和脉冲超声波作用下的铝合金晶粒 细化试验，对超声波电源脉冲电特性及脉冲超声波在铝合金晶粒细化中的作用特 8 中南人学硕士学位论文 第一章绪论 性进行试验研究。 第五章：对全文进行总结和展望，并就论文的主要工作、研究结论，及今后 的研究方向进行阐述。 9 中南人学硕士学位论文 第二章超声波发生器的设计研究 2 1 引言 第二章超声发生器的设计研究 超声发生器是一种用以产生超声频电信号并向超声换能器提供电能的装置。 目前超声电源主要采用逆变器形式，高频交流电的产生和频率调整是通过逆变器 来实现的1 5 2 。大功率超声电源和功率超声振动系统是功率超声处理系统的两个 组成部分，超声电源在生产实际中的应用效果与该方面技术的突破密切相关。将 工频电流转变成超声电流是超声发生器主要功能，而后通过阻抗匹配网络激励换 能器产生相同频率的弹性振动。 信号发生、阻抗匹配和频率自动跟踪等功能在本文采是通过采用硬件和控制 软件来联合作用完成的。 图2 - 1 具有产生脉冲超声波功能的超声波电源系统框图 2 2 总体方案分析 m o s f e t 在本文所设计研究的超声波发生器中构成逆变器，超声波发生器 中流经换能器的电流及电压是通过霍尔电流、电压传感器来获取的。被电流电压 传感器采集到的信号通过功能强大的d s p 经过一定的运算将p w m 驱动信号以 一定的频率送至驱动电路以驱动逆变器。其中还包功率管的脉冲工作模式。 超声波电源系统框图如图2 1 所示，超声波波形发生器产生1 8 - 2 1 k h z 的频 率方波；超声电源向换能器实现最大功率传输是通过良好的阻抗匹配来实现的； 频率自动跟踪则通过d s p 软件方式实现。 1 0 中南大学硕士学位论文 第二章超声波发生器的设计研究 2 3 主回路的研究 主回路在超声电源中处于较为关键的地位，超声波电源的能量传输和变换都 是通过它来完成的，功率开关管、电感、电容是组成组成主回路的重要元器件， 而这些元器件能否有机一体的稳定而安全的运行工作对于整个超声波电源系统 的可靠性而言是非常关键。逆变电路、驱动电路、整流是本文设计研究的重点。 同时对m o s f e t 的过压，过流，过热保护进行设计研究。 2 3 1 逆变电路拓扑结构分析 逆变器构成超声波电源主电路的主体部分，频率较高的交流电的产生和其频 率的调整都是通过它来完成的。下面本文对目前功率超声电源中最为常用半桥 型、全桥型、推挽型三种电源主回路进行分析【5 3 】。 ( 1 ) 半桥型逆变电路 1 叫 。一 图2 - 2 半桥型逆变电路 如图2 2 所示，离线式开关电源中半桥逆变电路是一种较好的拓扑结构。其 与全桥式逆变电路基本类似，具有相等电容量的电容器c l ，c 2 取代了图2 3 中 的v 3 ，v 4 并与v 1 ，v 2 构成了半桥式变换电路。当v 2 截止而同时v l 导通的 时候c 2 开始充电，电容c 1 的电压便通过功率开关晶体管v 1 加到图中t 原边 绕组两端，此时电容c l 以及图中变压器t 原边绕组两端的电压则相当于输入电 源电压的1 2 ；同理当v 2 导通，v l 截止的时候，c 1 便开始充电，电容c 2 的 电压便经由开关管v 2 加到图中t 原边绕组的两端，使得作用于它们两端的电压 极性取反，电压值也等同于输入电源电压的1 2 。 ( 2 ) 全桥型逆变电路 如图2 - 3 所示为全桥型电路主回路。4 只开关晶体管组成了全桥型逆变电路， 相对半桥逆变电路而言这种逆变电路多了两只开关晶体管，在4 只开关管中v l ， 中南人学硕士学位论文 第二章超声波发生器的设计研究 v 4 为一组，v 2 ，v 3 构成另外一组。它们的开和关与占空比有关。当v 2 ，v 3 截止则v 1 ，v 4 便导通，并且v 3 和v 1 轮流导通时，它们各能导通1 8 0 度的电 角，v 2 和v 4 也同样这样导通截止的，但v 4 和v 1 不是处于同时导通的状态， 而是两者的导通差了一定的电角，其中v 3 和v l 要分别先于v 2 和v 4 导通。 m = ：- 图2 - 3 全桥型逆变电路 ( 3 ) 推挽型逆变电路 如图2 4 所示为推挽型逆变电路的拓扑。在脉宽调制等形式的驱动信号的作 用下，功率开关管v 2 和v 1 实现交替截止与导通的工作。当v l 导通时，k l 便 有电流流过，同理v 2 导通时，电流将流过k 2 。 1 叫 2 叫 图2 - 4 推挽型逆变电路 功率开关管v 2 和v l 彼此以交替的形式受到脉冲驱动，它们的导通时间极 值都小于二分之一周期。v 2 实现导通时输出为正，而v 1 实现导通时，输出便 为负。 以上所分析的三种逆变器都能实现将输入逆变器的直流电压转成方波电压， 它们三者都是功率转换电路。可以根据实际需要将它们应用于不同的工作场合。 本文需要输出的功率比较大，综合以上分析的几种逆变器的优缺点考虑，本 文采用全桥逆变器来作为主回路的逆变电路。 1 2 一 l 2 中南火学硕士学位论文第二章超声波发生器的设计研究 2 3 2 逆变器功率开关器件 属于单极型器件的m o s f e t 5 4 巧5 1 ，因其不存在少数载流子的存储时间问题， 因而其具有较佳的散热稳定性、非常快的开关速度及较大的安全工作区。因 m o s f e t 电流具有有较高