（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的大功率数字化超声波逆变电源.pdf

市场对新一代超声电源的需求也越来越急切，本文在分析传统功率超声电源的基础之 上，结合数字频率直接合成( d d s ) 技术、移相脉宽调功( p s p w m ) 技术、以及串联 谐振式全桥逆变器的软开关技术等，设计了一种以d s p 芯片t m 3 2 0 d s p 2 8 1 2 为控制芯 片的超声波发生器电源。 本文的主要研究内容包括：在逆变器模块，设计了以i g b t 为开关器件的全桥逆变 器电路，并设计了相应的驱动电路。在匹配电路模块，本文就在分析传统匹配电路的基 础上，采用了改进型性的匹配电路，成功地满足了超声电源对匹配电路感性匹配和阻抗 变换的两个要求。在功率调节方面，通过对有代表性的几种调功方式进行分析对比，并 最终选定了p s p w m 调功作为本次设计的调功方案，它具有无须外加调功电路，可以 连续无级调功等优点，并将该方案与软开关电路相结合，有效地减小了开关损耗。在频 率跟踪方面，针对传统锁相技术的不足，提出了p i d d s 频率跟踪控制方法，该方案利 用数字p i 控制器的快速性和d d s 技术的精确性，成功地实现了超声电源频率跟踪的快 速性和准确性，保证了电源始终工作在谐振频率处。除此之外，本文还设计了超声波电 源的过流保护、过压保护和温度保护三种保护电路，为电源的稳定工作提供了可靠的保 证，最后在理论设计的基础上，进行了仿真分析和实验。 实验结果证明了本文所设计的超声波电源能够实现频率自动跟踪、输出功率的连续 调节和各种保护功能，而且通过软开关技术的应用，有效地减少了开关损耗，提高了电 源的功率因数，因此具有良好的工程应用价值。 关键字：超声波电源频率跟踪移相调功匹配网络 i m p e d a n c et r a n s f o r m a t i o nf o rt h eu l t r a s o n i cp o w e r i nt h ea s p e c to fp o w e rr e g u l a t i o n , p s - p w mc o m b i n e dw i mt h es o f t - s w i t c h i n gt e c h n o l o g yi ss e l e c t e da st h ep o w e rr e g u l a t o r t h r o u g ht h ec o m p a r i s o no fs e v e r a lt y p i c a lp o w e rr e g u l a t o r s s i n c ei tc a na d j u s tt h ep o w e rv i a f u l l b r i d g ei n v e r t e rw i t ht h es o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y , i td o e s n tn e e dt oa d da n ym o r e c o m p o n e n t st oa d j u s tp o w e rc o n t i n u o u s l yw i t hl o ws w i t c h i n gl o s s m e a n w h i l e ，i no r d e rt o o v e r c o m et h es h o r t c o m i n g so ft r a d i t i o n a lf r e q u e n c y t r a c k i n gt e c h n o l o g y , t h ep a p e rp r o p o s e d a l lp i - d d s f r e q u e n c y t r a c k i n gm e t h o d t or e p l a c et h et r a d i t i o n a lm e t h o d s ，w h i c hs u c c e s s f u l l y t a k e sa d v a n t a g e so ft h es w i f tr e s p o n s eo fp ic o n t r o l l e ra n dt h eh i g ha c c u r a c yo fd d sc i r c u i t t oe n s u r et h ep o w e rs u p p l yr u ni nt h er e s o n a n tf r e q u e n c ya l w a y s b e s i d e s ，t h ep r o t e c t i o n c i r c u i t si n c l u d i n go v e r - c u r r e n t ，o v e r - v o l t a g ea n dt e m p e r a t u r ep r o t e c t i o na l ea l s od e s i g n e d ， w h i c hg u a r a n t e et h ep o w e rm o r er e l i a b l e f i n a l l y , o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a la n a l y s i s ，t h es i m u l a t i o n sa n de x p e r i m e n t sa r ec a r d e d o u t t h er e s u l t sp r o v et h a tt h eu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l yw h i c hi si n t r o d u c e db yt h ep a p e rc a n a c h i e v ea u t o m a t i cf r e q u e n c y - t r a c k i n g ，c o n t i n u o u sa d j u s t m e n to f o u t p u tp o w e ra n d t h ev a r i o u s p r o t e c t i o nf u n c t i o n s m o r e o v e r , 、析t l lt h ea p p l i c a t i o no fs o f t s w i t c h i n gt e c h n o l o g y , t h ep o w e r r e d u c e st h es w i t c h i n gl o s sa n de n h a n c e st h ee f f i c i e n c yo ft h ep o w e ro b v i o u s l y s oi th a sa b r i g h t n e s sw a y i nf u t u r e k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cp o w e r , f r e q u e n c y - t r a c k i n g ，p s - p w m ，m a t c h i n gc i r c u i t 摘要 a b s t r a c t i i 第一章绪论3 1 1 功率超声电源的历史和应用现状3 1 1 1 功率超声电源的发展历史3 1 1 2 功率超声电源的应用现状3 1 2 功率超声电源控制系统的发展：4 1 3 国内外研究现状及发展趋势5 1 4 本文主要工作6 第二章超声电源主电路及调功方案7 2 1 主电路拓扑结构选择7 2 2 常用调功方案分析。8 2 2 1 整流侧调功8 2 2 2 直流侧调功1 0 2 2 3 逆变侧调功1 l 2 3p s p w m 功率调节方案1 4 2 3 1p s p w m 调功时逆变器软开关工作过程1 4 2 3 2p s p w m 调功数学分析1 6 2 3 3p s - p w m 调功性能的仿真分析1 9 2 4 本章小结2 0 第三章超声换能器匹配及输出变压器设计2 1 3 1 超声换能器结构及特性分析2 1 3 2 换能器匹配网络选型2 3 3 3t 型匹配网络2 4 3 4 匹配电感的设计制作2 5 3 5 高频变压器的设计2 6 3 5 1 输出变压器的功率匹配2 6 3 5 2 高频变压器的设计一2 7 3 6 本章小结2 9 第四章超声电源频率跟踪技术31 4 1 超声电源频率跟踪技术分析31 4 2 模拟锁相环频率跟踪技术3 2 4 3p i d d s 复合跟踪技术原理。3 4 4 3 1 积分分离式p i 控制器的设计3 4 4 3 2d d s 频率跟踪技术3 6 目录 4 3 3p i d d s 频率搜索程序流程图3 8 4 4 本章小结3 9 第五章超声电源的电路设计4 l 5 1 主电路设计4 1 5 2i g b t 的关断缓冲吸收电路4 3 5 3 辅助电源设计4 5 5 4 驱动电路选型与设计。4 5 5 5 保护电路设计4 8 5 5 1 过流保护电路设计4 8 5 5 2 过压保护电路4 9 5 5 3 温度保护电路4 9 5 6 本章小结5 0 第六章d s p 控制系统设计5 1 6 1d s p 控制系统硬件设计51 6 1 2d s p 芯片供电电路5 2 6 1 3d s p 芯片时钟电路5 2 6 1 4p s p w m 信号产生电路5 3 6 1 5 采样电路设计5 4 6 1 6 信号处理整形电路5 4 6 1 7 显示电路。5 7 6 。2 d s p 控制系统软件设计5 8 6 2 1d s p 主程序设计5 8 6 2 2 中断保护程序设计5 9 6 2 3 液晶显示程序设计6 0 6 2 4p i d d s 频率跟踪程序设计6 0 6 3 本章小结_ 6 2 第七章实验结果及分析6 3 7 1 功率管驱动波形6 3 7 2p i d d s 频率跟踪波形“ 7 3p s p w m 逆变调功部分实验波形6 5 7 4 本章小结6 6 结论与展望6 7 致谢6 9 参考文献7 1 附蜀乏7 5 作者在攻读硕士学位期间发表的论文7 8 i i 第一章绪论 第一章绪论 超声应用技术出现于二十世纪初，经过近一个世纪的发展表明，作为声学与物理学 和电子学的交叉学科，应用超声技术在国防建设、材料制备、生物化学以及医疗卫生等 领域扮演着越来越重要的角色。一般而言，应用超声技术大致可分为检测超声技术和功 率超声技术两大类，检测超声主要应用于超声成像、超声探测等装置当中，它的特点是 功率小，超声频率较高。而功率超声则有功率大，超声频率较低等特点。本文的研究内 容即属于功率超声范畴，下文将对功率超声电源的相关背景做出详细介绍。 1 1 功率超声电源的历史和应用现状 1 1 1 功率超声电源的发展历史 1 8 8 3 年eg a l t o n 发明世界上第一种超声波发生器一气哨，它是利用压缩气体经过狭 缝喷嘴后在圆形喷口内形成共振腔，从而产生超声。这种气哨和随后出现的汽笛、液哨 等都是通过机械装置产生超声波。n - 十世纪初，随着电气学科和材料物理学科的不断 发展，法国物理学家l a n g e v i n 发明了利用钢石英一钢结构制成的夹心压电换能器f l 】，并 成功的在侦测潜水艇的装置中取得应用。压电换能器的出现标志着应用超声技术跨入了 一个新时代，它和随后出现的磁致伸缩换能器使得利用电气方法产生超声波成为可能。 到二十世纪二十年代，随着能够提高振幅，提高机械品质因数并延长换能器使用寿命的 超声变幅杆的出现，超声技术开始逐渐被大量应用于工业生产当中。 2 0 世纪2 0 年代后，由电子管模拟放大器构成的超声电源开始出现，这种超声波发 生器电源效率低，体积庞大，易损坏寿命短，在随后的半导体技术发展浪潮中逐渐被由 新型电子器件构成的超声电源所取代。 2 0 世纪6 0 年代初，超声电源的开关器件多采用大功率双极性开关晶体管，与电子 管相比，大功率晶体管具有功耗低，效率高、体积小和寿命长等优点。但它属于电流型 器件，饱和开通和关断需要的时间长，在高频应用时功耗大，因此，主要应用于开关频 率为2 0 k h z 左右的低频超声电源中。 到了8 0 年代末，随着半导体技术的发展，超声电源的开关器件开始逐渐采用 v d m o s 管。v d m o s 融合了双极型晶体管和普通m o s 器件的优点。与普通双极管相 比，它具有开关频率高，开关损耗小，驱动简单等优点。但它也不可避免的存在导通电 阻较大的问题，因此，采用这种开关器件的超声电源多属于高频率，低功率电源。 9 0 年代后，绝缘栅双极型晶体管( i n s u l a t e dg a t eb i p o l a rt r a n s i s t o r ，i g b t ) ，逐渐进 入超声波电源行业，它是由b j t 和m o s 复合而成的新型开关器件，具有高输入阻抗、 低导通压降、驱动功率小、饱和压降低等优点。非常适合于中低频，大功率应用场合【2 】， 因此，在超声清洗、超声焊接等方面取得了广泛的应用。 1 1 2 功率超声电源的应用现状 随着功率半导体技术的发展，功率超声作为超声学的一个重要分支，其应用研究也 3 江南大学硕士学位论文 取得了巨大的进展，目前功率超声技术已经被广泛应用于超声清洗、超声焊接、超声加 工、超声化学等工业领域。 超声清洗，相对于传统的清洗方法如人工清洗，化学洗涤剂清洗等方法，超声清洗 具有速度快，效率高对环境无污染等优点。它的工作原理是利用超声波在液体中的空化 作用【3 j ，即液体中的微小的气泡会在超声震动场中不断吸收声场能量，体积逐渐增大， 气泡内压也不断变大。当气泡的能量聚集到一定的极限值时，气泡发生爆裂，它内部聚 集的能量获得急剧的释放，从而在瞬间产生高温高压和微射流。这种由于爆炸产生的冲 击波足以将依附于待洗器件表面上的油腻，灰尘等污垢剥离下来。目前，超声清洗技术 在工业方面已被广泛应用于轴承、机械加工等行业。在民用方面已经有超声洗碗机、洗 衣机等产品出现。 超声焊接，超声焊接利用超声频震荡将能量在两件待焊工件上聚集，由于待焊件接 触点的声阻很大，待焊件表面分子会由高频振荡而摩擦生热，因此可以很快地产生局部 高温，从而将待焊件焊接起来。目前这种焊接方法已经成功应用于塑料和金属焊接，由 于在焊接时，待焊物件只有在焊接点产生局部高温，因此是一种固态焊接方法，有效地 解决了传统电焊的火花、氧化等缺陷，由于焊接时不需要助焊剂，焊点电阻低，是一种 高效节能的新型焊接技术。 超声化学，作为超声学和化学相结合的新兴交叉学科，超生化学利用液态、固态化 学反应物在超声声场的作用下，会发生物理性质的变化，从而加速、抑制化学反应，提 高反应率，是控制化学反应的一种新型手段【4 j 。由于声能具有无污染，产生设备相对简 单的优点，因此超声化学在催化化学、电化学、有机和无机化学等方面获得了广泛应用。 超声雾化，它是通过雾化片换能器的高频振荡，将液体分子打散形成均匀的水雾。 该方法已经在现代制药行业得到了应用，实际生产过程中，往往将超声雾化和干燥技术 相结合，即通过超声雾化装置将药液进行雾化处理，然后再通过其他设备将药雾干燥分 离。这种雾化手段与传统的电加热方法相比，具有效率高，速度快，雾化效果好等优点。 超声粉碎，它是利用低频超声波在水中产生的空化作用进行粉碎处理，它能用于各 种动植物细胞、固态有机物、细菌及组织的破碎，也可用于各类无机物的破碎重组，同 时可用来辅助分离、匀化、提取等生化过程，是当前一种重要的生化粉碎手段。 1 2 功率超声电源控制系统的发展 随着电力电子开关器件的发展，电力电子控制技术也得到了迅速的发展。超声电源 控制电路由最初的模拟分立元件发展为以集成锁相环芯片c d 4 0 4 6 为核心的控制电路， 再到现在数字控制系统，一般而言，模拟控制系统相对于数字控制系统存在着控制精度 低、参数整定不方便等缺点。而且工作环境恶劣时，模拟元件存在温度漂移、易老化等 缺点。 如果用数字控制系统代替模拟控制系统，可以消除常规模拟控制电路难以克服的缺 点。而且由于软件算法升级方便，可以很容易的进行控制参数重新整定，同时也易于实 现多种算法相结合的复合控制算法。因此，使用数字控制系统对于提高系统可靠性，减 少硬件控制电路复杂度以及实现电源的智能化等方面具有极其重要的意义，就当前而 第一章绪论 言，超声电源的数字控制系统大致可分为以下三种数字控制系统。 ( 1 ) 单片机控制系统 单片机在一块芯片上集成了c p u ，r a m r o m 、定时器计数器和i o 接口等单元， 有些高性能单片机如a t m a l 公司的a t m e g a 系列，t i 公司的m s p 4 3 0 系列还集成有a d 转换器、p w m 发生器和t w i 、s p i 硬件接口等单元。总体而言，单片机具有体积小， 性能可靠、价格低、抗干扰能力强等优点，因此被广泛应用在各种工业控制系统中。但 由于单片机工作频率较低，内部r a m 较小，一般被用于不需要做大量数学运算的工业 控制领域，而超声电源本身工作频率较高，其控制核心则需要远高于电源本身频率的工 作频率才能精确地对电源工作状况进行实时控制，因此，单片机的处理速度很难满足高 频率高精度超声电源控制系统的要求。 ( 2 ) d s p 控制系统 d s p 芯片作为近年来广泛流行的高性能数字信号处理器，其内部采用数据和程序存 储单元相互分开的哈佛结构，具有独立的乘法器，指令执行采用流水线操作，并具有可 倍频的内部锁相环电路，提供高速同步串口和标准异步串口，大部分d s p 芯片内还集 成有采样保持和a d 转换电路，并提供p w m 信号输出。与单片机相比，d s p 的优势 表现在数据处理能力强、运算速度高，实时性好、指令周期短( 大部分指令为单周期指 令) 、p w m 分辨率高，采样周期短。因此，适合于高精度，高频率的控制场合。 ( 3 ) f p g a 控制系统 随着超大规模集成电路的发展，f p g a 作为专用集成电路( a p p l i c a t i o n s p e c i f i c i n t e g r a t e dc i r c u i t ，a s i c ) 领域中的一种半定制电路，既克服了定制电路硬件电路不可更 改的不足，同时又克服了原有可编程器件( p a l 、g a l 、e p l d 等) 门电路数量有限的 缺点。由于它内部电路的逻辑功能可以通过硬件描述语言自行设置，且集成度非常高， 因此，一块f p g a 芯片往往可以替代多块集成逻辑芯片【5 】，在纯数字领域具有非常大的 发展前途，但是在电源系统中，由于需要实时采样电源的工作电压电流，a d 转换是必 须的，而f p g a 很难在其内部生成高精度a d 电路，除此之外，用f p g a 实现复杂的电 源电路控制算法也比较困难。 相对而言，由于d s p 内部集成了p w m 发生器，a d 转换器等资源，因此，在中低 频率超声电源方面比f p g a 更具有优势。 1 3 国内外研究现状及发展趋势， 我国的功率超声技术研究始于2 0 世纪5 0 年代初，以研究超声波清洗、加工、焊接 等应用为先导。从2 0 世纪8 0 年代开始，超声波逆变电源开始使用大功率高频开关管替 代电子管或可控硅，逆变电路的拓扑形式大多以半桥或全桥为主，工作方式可分为自激 式和它激式。目前许多超声电源中都设有频率自动跟踪、过压、过流保护电路，部分还 设有匹配指示电路。近年来，重庆大学、上海交通大学、哈尔滨工业大学先后成功采用 m o s f e t 或i g b t 研制出不同频率、功率的超声波电源。目前国内已研制出频率从十几 k h z 到几m h z ，功率从几十瓦到几十千瓦的超声波电源1 6 j 。 5 江南大学硕士学位论文 在高频功率超声电源方面，国外已成功研制出可清洗硬盘、平板玻璃、半导体元件 等精密器件的兆声电源，并能使声场在清洗物件上均匀分布，在中低频电源方面，国外 电源在电声转换效率，声场分布，频率跟踪、上明显优于国内同类产品，除此之外，在 负载变化剧烈的超声焊接冲击方面，国外已经研制出大输出功率，宽适应范围的超声焊 接电源。 伴随着微电子技术、计算机技术、自动控制理论和电力电子技术的发展，超声波电 源的发展趋势主要有以下几个方面： ( 1 ) 电源向大功率，高频化、小型化、通用化发展。随着新型功率器件的出现和超声 加工行业的需求，超声波电源的容量仍需进一步扩展。同时为适应各行业加工需求，超 声波电源通用化成为新的发展要求。 ( 2 ) 控制系统具有高控制精度，高可靠性。在超声加工、超声化学等行业，产品实际 效果的好坏与超声波的频率和振幅密切相关，因此对超声电源的控制精度提出了更高的 要求，并要求控制系统能对工作中可能出现的状况做出智能化的反应，以保护整个生产 系统。 ( 3 ) 低损耗、高功率因数。随着功率器件的发展、软开关技术的不断完善和优化，以 及国家对整治电网谐波污染的要求。再加上当今世界节能环保的潮流，具有低损耗、高 功率因数的超声逆变电源将是是今后的发展趋势。 1 4 本文主要工作 为克服传统的模拟式超声电源在频率跟踪等方面的不足，本文设计了一种新型数字 化大功率超声波发生器电源，并在理论计算的基础上进行了计算机模拟仿真和实际试 验，本文主要完成了以下几个方面的工作： 1 针对超声电源在电源启动、负载突变或工作环境温度上升等情况下，压电换能器 易发生频率漂移的问题，采用了一种数字化软件控制器和硬件控制电路相结合的复合跟 踪策略，有效地解决了传统超声电源在这种情况下易失锁或锁相过渡时间长的不足。 2 本文采用p s - p w m 调功方式，可以省去传统电源中的b u c k 调功电路或晶闸管斩 波电路，有效地实现了功率调节，节省了电源的硬件成本。 3 设计了性能良好的换能器匹配网络，有效地解决了普通串联匹配变阻抗不明显的 不足，并对输出高频变压器进行了设计，进一步提高了整个功率传输网络的效率。 4 对超声电源的拓扑结构进行了详细的分析，在理论分析的基础上设计了主电路并 对主要元器件进行了选型计算，此外，对驱动电路、信号采样滤波电路、鉴相器电路和 保护电路等重要电路模块进行了详细的设计和工作原理描述。 6 第二章超声电源主电路及调功方案选型 第二章超声电源主电路及调功方案 超声波电源大致可分为高频电源产生模块和机械振动模块两部分，其中高频电源的 作用是将电网的工频电源通过电力电子装置转换为超声频电源，并将此超声频电流通过 高频输出变压器和匹配电路施加于换能器负载，然后再由换能器将此超声频电能转换成 超声频的机械振动，经变幅杆放大后传递给负载。本章首先对逆变电路的拓扑结构做了 选型，然后在分析常用几种调功方案的基础上，最终选择了p s - p w m 调功方案。 2 1 主电路拓扑结构选择 主电路部分即高频逆变电路，是超声波电源的核心，实现了直流电向高频交流电的 转换。常用的逆变电路可分为半桥逆变电路和全桥逆变电路两种拓扑结构，二者之间存 在如下差别，分别如图2 1 ( a ) 和2 1 ( b ) 所示： ( a ) 半桥逆变电路( b ) 全桥逆变电路 图2 - i 半桥和全桥逆变电路 f i 9 2 一it h eh a l f - b r i d g ea n df u l l - b d d g ec i r c u i t 由于串联电容c 。、c 2 的分压作用，半桥逆变电路负载上的电压幅值为输入直流电 压阮的一半，谐振负载的功率为p o = 呀4 r ，开关管现、隅上承受的电压为觇，当 直流母线电压玩和输出功率一定时，开关管中流过的电流i c = 2 p o u a 。半桥电路的一 大优点就是具有抗磁通不平衡能力，当逆变电路产生磁通不平衡时，线路中会出现一个 直流偏流，此时电容c l 、c 2 不仅起到分压作用，还具有隔直作用，使直流电不能形成回 路通过输出变压器的原边，以达到抗磁通不平衡保护变压器的目的。 全桥逆变电路负载上的电压幅值为输入直流电压，谐振负载的功率为p o = 呀侬， 即为半桥逆变电路的四倍，开关管吼、隅上承受的电压也为阮。当直流母线电压玩 和输出功率n 一定时，开关管中流过的电流仁刚，即为同样条件下半桥电路中开关 管电流的二分之一。通过上述分析，可归纳出全桥和半桥电路的区别如下表2 - 1 所示： 7 江南大学硕士学位论文 t a b l e 2 - 1 c h a r a c t e r i s t i cc o m p a r i s o no fh a l f - b r i d g ea n df u l l - b r i d g ei n v e r t e r ， 霪 錾。 比较项目 ，2 半桥电路全桥电路 黎 开关管数量 锈 24 i 童流电压为配时，开关管承受最大电魇 u a u a 襄逆变器输出同样功率时，开关管q 圭流i 麓 2 厶 厶 藿 逆交器的抗不平衡能力 凑 强弱 爹真流电压为时，逆变器的输j b 功率耄p o 4p o 通过以上分析可知，全桥变换器在大功率输出情况下性能优于半桥变换器，但是在 全桥变换器的实际应用中常会因为功率管导通脉宽不相等，或正负半周期内施加于输出 变压器原边上的电压幅值不等等原因造成变压器绕组磁通不平衡。如果不对此加以限 制，输出变压器在长时间工作时会由于单向磁通的不断增大而造成绕组单向磁饱和，从 而失去电感作用，损坏功率开关管。针对这种问题常用的解决方案是在输出变压器原边 串入无极性电容吲，利用电容隔直通交的作用隔断引起磁通不平衡的直流偏压。 综上所述，虽然全桥电路不具有抗磁通不平衡的能力，需要在输出变压器回路上串 入一个隔直电容来保护变压器，但它具有相同母线电压时，输出功率大等优点。由于本 课题设计的是大功率、中频率超声波，故采用全桥结构逆变器。 2 2 常用调功方案分析 本文设计的大功率超声电源采用全桥拓扑结构，因此，可选的功率调节方案有整流 侧( 交流输入侧) 调功，直流侧调功和逆变侧调功三种方案。 2 2 1 整流侧调功 整流侧调功方案大致可分为以下两种： ( 1 ) - - 极管不控整流电路 三相桥式二极管不控整流电路如图2 2 ( a ) 所示，其特点是结构简单，不需控制电路， 工作稳定成本低廉。但是它的输出电压与输入电压成固定比例关系，不可调节。设输入 端线电压为= 6 虮s i n ( a j t + o ) ，那么带纯阻性负载时，输出端电压平均值为 乩= 2 3 4 u s ，一般认为在输出侧并联大电容稳压滤波后可输出较稳定的直流电压。 ( 2 ) 三相全控晶闸管整流电路 三相全控桥式整流电路拓扑结构如图2 - 2 ( b ) 所示，其功率调节方式为：通过调节晶 闸管移相角仅来控制整流后直流输出电压，从而调节电源的输出功率。由以下数学分 析可知，三相全控晶闸管调功的基本特性取决于移相角0 【。 8 第二章超声电源主电路及调功方案选型 a b c l 以 哩么讶 k 一k 一 ：上c lu d 一 ， k l 一a 磁p l 】l 1r ( a ) 三相全控整流电路( b ) 三相不控整流电路 图2 - 2 三相全控和三相不控整流电路 f i g 2 - 2t h r e e - p h a s ef u l l c o n t r o l l e d & u n c o n t r o l l e dr e c t i f i e rc i r c u i t 由于三相不控整流方式相当于三相全控整流方式在移相角i x = 0 。时的工作状况，因 此以下只对全控方式进行原理分析： ( 1 ) 三相全控方式的输出直流电压平均值u d ： 设输入端线电压= 6 眈s i n ( c o t + 0 ) 则输出整流后的直流电压u d 为： 当口詈时，：三匿风s i no t d ( c o t ) ：2 3 4 u s c 。s 口( 2 1 ) 当口 冬时，= 三巳：她s i n c o r d ( c o t ) = 2 3 4 u ， 1 + c o s ( 手+ 口) 】 ( 2 2 ) 由公式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 可见，随着d 的增大，矾减小，当a = 2 丌3 时，矾减d , 至u o ， 所以该电路的移相范围是0 到2 兀3 。 ( 2 ) 输出直流电流平均值厶 当口至时，厶：丝：2 3 4 u s c o s a ( 2 3 ) 当口 ；时，厶：u 足d = 2 3 4 兰学 ( 2 4 ) 由公式( 2 3 ) 和( 2 4 ) 可见，输出直流电流平均值厶也受移相角口控制。 将上述三相全桥整流电路在m a t l a b 中的s i m u l i n k 下进行仿真分析，可得出如下波 形( 此处以纯阻性负载为例) 。 x 轴：时间1 0 m s d i vy 轴：电压1 0 0 v d i v 图2 3 三相全桥整流电路的输入波形 f i g 2 - 3i n p u tw a v e f o r mo f t h r e e p h a s er e c t i f i e r 9 江南大学硕士学位论文 八：八。a 群 _ + 八：八、_ a 。代斧群 沈趔_ _ “” 虢支 。w 。一ww v vv 一vvv v v 一v x 轴：时间l o m s d i vy 轴：电压5 0 v ，d i v 图2 - 4 移相角c t = o o 时三相全桥整流电路的输出波形 f i g 2 4o u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mw i t ha = 0 。 x 轴：时间1 0 m s d i vy 轴：电压5 0 v d i v 图2 5 移相角o l = 4 5 。时三相全桥整流电路的输出波形 f i g 2 5o u t p u tv o l t a g ew a v e f o r mw i t ho t = 4 5 。 由图2 3 、2 4 和2 5 可见，当移相角0 c 不同时，三相晶闸管全控整流的输出平均电 也不同，当前，三相晶闸管全控整流技术已经相当成熟，利用该技术可轻松实现输出 压的连续调节，进而实现对功率的连续调节。然而，对晶闸管移相角0 c 的调节会直接 响电网侧的功率因数，尤其在移相角很大的情况下，超声电源输入电流波形畸变严重， 网侧功率因数很低，因此，采用这种整流方式时，整流后输出的直流电压不能太小， 则将对电网形成严重的谐波污染【8 】，因此，造成了可调范围窄。 1 0 第二章超声电源主电路及调功方案选型 图2 - 6b u c k 调功电路 f i g 2 - 6b u c kr e g u l a t i n gc i r c u i t 该电路的工作原理为：三相交流电经过整流稳压后，输出直流电压，经过电容c 0 滤波后送入由v t s 、包、c i 、l ，组成的b u c k 斩波器，调节v 瓦的占空比，在c c m 模式下，由乩- u , t o n ( t o n + 0 f f ) = ，0 n r = d x ( d 为开关管的占空比，0 d 0 ，换能器等效电路中串联支路阻抗呈感性，流经它的电流相 位滞后电压相位； 当缈= e o , 时，0 2 l = 1 o , c ，x ( 国) = 0 ，串联支路等效电抗为零，等效阻抗为如， 且流经该支路的电压电流相位差为零。 由此可见，串联支路的电压电流相位差反映了换能器固有谐振频率与实际振动频率 之间的关系，即当电流相位超前电压时，表明了逆变器输出振动频率厂低于谐振频率z ， 2 2 第三章超声换能器匹配及输出变压器设计 此时应增加逆变器输出频率厂；当电流相位滞后电压时，表明输出频率厂高于谐振频率 z ，此时应减小逆变器输出频率f ；当厂等于z 时，电压电流相位差为零，此时应保持 逆变器输出频率厂不变，因此，电压电流相位关系可以作为频率跟踪的理论基础。 3 2 换能器匹配网络选型 为了提高系统的功率因数，使能量有效地从逆变器输入到换能器，保证电源稳定安 全的工作，必须设置相应的匹配网络，由于压电换能器等效电路呈容性，最简单的匹配 方法就是并联或串联一个电感来抵消换能器的容性【2 弛6 1 ，从而使整个谐振回路呈纯阻 性。由上文分析可知，当q = 1 佤c 时负载谐振，其串联匹配和并联匹配分别如图3 - 5 ( a ) 和3 5 ( b ) 所示 l o c h ； j 1 o n - i c o c r m l c l m e l o 1 1 j o n - 1 c o r m 、 i ( a ) 谐振电感厶与换能器串联的等效电路( b ) 谐振电感厶与换能器并联的等效电路 图3 5 换能器匹配网络 f i g 3 - 5t h em a t c h i n gn e t w o r ko f p i e z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r 如图3 - 5 ( a ) 所示，串联匹配时有， 纠咖篓1 ：去= r a + 歹 z = j f q 三+ 簪= 去+ j f + k 一一一j 一” j m , c o ” 令尺g 2 鸭一= 可匆瓣 崛稽 c q = c 0 鬻则式( 3 4 ) 可化简为誉( 7 5 ) ： ( 3 4 ) z = p 歹卜一去j b 5 ， 令l ( - l + 印四，则有吩= 如k ，c g = c o 可见，匹配电感与换能器串联的等效电 阻仅为原电阻的1 k 。 而并联匹配时，如图3 - 5 ( b ) 所示，换能器等效导纳【2 7 1 的表达式为： y = 万1 一i 去咆c o ( 3 6 ) 从式( 3 6 ) 可以看出r 。= 天辨，即并联匹配没有改变有功电阻。 经过以上的分析可知，并联电感调谐匹配，超声系统的有功电阻不变，即并联匹配 没用阻抗变换作用，同时缺乏滤波功能，而串联匹配不仅可以降低有功电阻，且兼有滤 图3 - 6 t 型匹配网络的等效电路 f i g 3 6t h ee q u i v a l e n tc i r c u i to f tt y p em a t c h i n gn e t w o r k 这种改进型的匹配网络是在串联单个电感的基础上再加上一个匹配电感厶和一个 匹配电容g ，如图所示，若从a 、b 端看进去，里面的电路仍相当于普通的串联电感匹 配，在换能器串联谐振点国。附近，a 、b 点里面的电路可等效为图，则该匹配电路的等 效阻抗z 二： z 叼= r + = 哆厶+ l t ( 3 7 ) j a , g + 玄 化简公式( 3 7 ) ，整理得式( 3 8 ) ： 乙= 而斋+ 水厶一器 8 ， 若取厶= c l 砰( 1 + ( qc 1 墨) 2 ) ，则乙= 墨( 1 + ( qc l r 。) 2 ) ，整个回路呈纯阻性，即t 型n - 络n n 实现匹配功能，且改变c l 的值即可调节z 二的值，有效的提高了阻抗变换的 效果。 关于t 型网络匹配电感厶、厶和匹配电容c l 的取值，应按n n - v 步骤确定： 厶应取串联单个电感谐振时的匹配值，即厶= c o ( 1 + 露口) ，墨为串联单个电感 第三章超声换能器匹配及输出变压器设计 谐振时的等效阻抗，即蜀= r m ( 1 + m ；k ；, l 0 2 , 2 - , 2 ) ，其中q = l 瓜，c l 可由公式 c l = 蜀乙一1 ( 墨) 根据所设计的乙的值进行选择。 3 4 匹配电感的设计制作 超声电源匹配电路的质量好坏决定着电源的整体寿命【3 0 1 ，因此实际电感的制作过程 也非常重要，为保证质量，电感的绕制应遵循以下步骤： ( 1 ) 确定电感量 在实际电感的制作过程中，电感量的计算可采用公式： 三：毕 ( 3 9 ) 公式( 3 9 ) 中，n 代表线圈匝数，疋为铁芯有效截面积( c m 2 ) ，乞为铁芯平均长度( c m ) ， 以为铁芯的磁导率，它的计算公式如式( 3 1 0 ) 所示： 以= 南2 融 - l 埘 乞 式( 3 1 。) q u ，为铁芯磁导率；乞为铁芯中气隙长度( c m ) ，因为 万1 ，将心每 代入式( 3 9 ) ，可推出公式： l 一些掣 ( 3 1 1 ) 上一 f 3 11 、 由公式( 3 1 1 ) 可见，电感值l 与气隙名近似成反比，调节乞即可调节电感量，通过上 述理论计算得出匹配电感量l 后，可通过公式( 3 1 2 ) 来确定气隙长度。 ，：些掣(312)g r 、一。 ( 2 ) 选择导线 由于电感中流过高频交流电，所以在选择导线时必须考虑集肤效应，所谓的集肤效 应是指由于高频电流的电磁场很强，导线中的电子强烈的相互排斥，这导致电流都聚集 在导体的表面，导体中间几乎没有电流流过【3 1 1 ，而且这种聚集程度会随着7 的增大而 加深。集肤效应会导致导体的交流电阻增大，使电感温度升高，并增大电感进入饱和区 的危险。 集肤效应常用穿透深度来表示，计算公式为= ( 掣矿) 啦，其中厂是导线电导率， a 是导线磁导率。为了减小集肤效应的影响，所选用导线的直径必须大于两倍穿透深度 ，这样导线内部到表面无大于集肤深度的空间，可充分利用导线面积并可认为此时导 线的交流电阻等于直流电阻。在本此设计中，电感和变压器都用多股铜线绕制而成，这 样做可以增大导线总表面积，有效的解决了集肤效应的影响。 ，砭= r = 争 ( 3 1 5 ) 则自从姗5 ) 可知一鲁一惫 ( 3 1 6 ) 本文所设计的超声波电源最大功率为3 0 0 0 w ，三相不控整流后输出直流电压为 矾= 5 1 4 x d ，d 为整流系数，设功