（电力电子与电力传动专业论文）动态匹配换能器的超声波电源控制策略.pdf

a b s t r a c t a b s t r a c t u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l yi sw i d e l yu s e di nm a n u f a c t u r e ，d i a g n o s e sa n dw a s h i n ga r e a a n du l t r a s o n i ct r a n s d u c e ri sad e v i c et oc o n v e r te l e c t r o n i cp o w e rt om e c h a n i c a lo s c i l l a t i o n p o w e r i no r d e rt om a k e t h ep o w e rs u p p l yh a v et h eh i g h e s te f f i c i e n c y , a l li n d u c t a n c es h o u l db e u s e dt om a t c ht h et r a n s d u c e rf o ri t sc a p a c i t i v el o a d s e r i e s - w o u n dm a t c h i n gi sw i d e l yu s e d b e c a u s eo fi t sg o o dp e r f o r m a n c e ，h o w e v e r , w h e nr e s o n a n c ef r e q u e n c ye x c u r s i o nc a u s e db y e n v i r o n m e n tt e m p e r a t u r et r a n s f o l r m a t i o no re q u i p m e n ta g i n gh a p p e n s ，t h es y s t e mw i l lg e to u t o fr e s o n a t es t a t e t h et r a d i t i o n a ls o l u t i o ni sf r e q u e n c yt r a c k i n gb u tt h em a t c h i n gi n d u c t a n c e i s n tw o r k i n ga tr e s o n a n c ef r e q u e n c yw h i c hw i l lc a u s ep o w e rl o s ta n do v e rh e a t e d a tl a s t r e s u l t si ni t sl i m i t e du s ei ni n d u s t r y a sac o n c l u s i o nt h a ti no r d e rt oh a v eah i g l le 伍c i e n c y , o n l yc h a n g ew o r k i n gf r e q u e n c yo ft h ei n v e r t e ri sn o te n o u g h , t h em a t c h i n gi n d u c t a n c ev a l u e s h o u l db ec h a n g e da c c o r d i n gt ot h ew o r k i n gf r e q u e n c yt o o t oe l i m i n a t et h es h o r t c o m i n g sd u et oc h o o s i n gaf i x e dr e s o n a n tf r e q u e n c yf o rm a t c h i n g i n d u c t a n c ep a r a m e t e r so fa nu l t r a s o n i ct r a n s d u c e r , t h em o d e l i n ga sw e l la st h e o r e t i ca n a l y s i s f o rt h ed y n a m i cm a t c h i n gr e l a t i o n sb e t w e e ni n d u c t a n c ep a r a m e t e r sa n dc o u p l e df r e q u e n c ya r e i n t r o d u c e di nt h i sp a p e r a f t e rs o m ea n a l y s i sa n dc o m p a r i s o n ，a na l t e r a b l ei n d u c t a n c eb a s e d o nf l u xc o n t r o li sc h o s e nt ob et h em a t c h i n gi n d u c t a n c e a p p l y i n gt h em o d e la n dt h ec o u p l e dr e s o n a n c et h e o r yf o rc h o o s i n gm a t c h i n gi n d u c t a n c e d y n a m i c a l l y , a ne x p e r i m e n t a li n v e r t e rb a s e do nd s pt m $ 3 2 0 f 2 8 12u s e di nt h eu l t r a s o n i c p o w e rs u p p l yi sd e s i g n e d t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sa n de m u l a t i o n sh a v es h o w n t h a tt h e i n d u c t a n c ev a l u ec a nb ec h a n g e dl i n e a r l ya n dc o n t i n u o u s l y , c o o r d i n a t e dw i t hd p l la n d p s p w m t h en o v e lm a t c h i n gm e t h o dm e n t i o n e da b o v ei sp r o v i d e dw i ma d v a n t a g e s c o m p a r e dt ot h et r a d i t i o n a lm a t c h i n gm e t h o dw i t haf i x e df r e q u e n c y , t h en e wu l t r a s o n i c p o w e r c a na l w a y sw o r ka th i g ho u t p u t t i n gc u r r e n t k e y w o r d s ：u l t r a s o n i ct r a n s d u c e r , c o u p l e dr e s o n a n c e ，d p l lf r e q u e n c ye x c u r s i o n ， d y n a m i cm a t c h i n g ，a l t e r a b l ei n d u c t a n c e ，p s - p w m 独创性声明 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，也不包含本人为获得江南 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谢意。 签 名：堑立益歪兰 日 期： 乏臣望2 ：么乏： 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解江南大学有关保留、使用学位论文的规定： 江南大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允 许论文被查阅和借阅，可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文， 并且本人电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 签 名：翕遂这竺 导师签名j 第一章绪论 第一章绪论 1 1 超声波的介绍及用途 人耳可以听到的声波的频率范围约为1 6 h z 2 0 k h z ，低于1 6 h z 的声波称为次声波， 高于2 0 k h z 的声波称为超声波。超声技术是通过超声波产生、传播及接收的物理过程完 成的。超声波具有聚束、定向及反射、透射等特性。按超声振动辐射大小不同大致可分 为：用超声波使物体或物性变化的功率应用，称为功率超声；用超声波得到若干信息， 获得通信应用，称为检测超声。通常，从超声波的功率来衡量，前者比后者要高出一个 数量级以上，两者有本质的差别。 功率超声是利用超声振动形成的能量使物质的一些物理、化学和生物特性或状态发 生改变，或者使这种改变的过程加快的这样- - f 技术【l j 。功率超声是利用超声能量来对 物质进行处理和加工，最常用的频率范围从几千赫到几十千赫，而功率由几瓦到几万瓦。 功率超声处理技术和应用主要有：超声清洗、超声加工和超声节能，例如超声钻孔和铿 孔、超声焊接、超声乳化、超声磨削、超声抛光等。采用超声加工技术不但降低了传统 加工方法对环境的污染程度，而且能大幅度提高处理速度和效率，提高处理质量和完成 一般技术不能完成的处理工作。因此，在工业、农业、国防和医药卫生、环境保护等部 门得到越来越广泛的应用【2 】。 1 2 超声波电源的研究与应用现状 最早的超声波器件是1 8 8 3 年f g a l t o n 发明的气哨。第一次世界大战期间，l a n g e v i n 发明的钢石英钢结构的夹心压电换能器标志着在低频大功率超声设备上取得重大进 展。在2 0 世纪2 0 年代，w p m a s o n 发明变幅杆【3 1 ，它与换能器连接可获得高强度超声 波振动，开创功率超声波在固体媒介中的应用。这些功率超声理论的应用有超声清洗、 焊接、加工、雾化、乳化等。7 0 年代中期，美国在超声加工、焊接等方面已处于生产应 用阶段，后来形成标准。德国和英国对功率超声工业应用进行大量研究工作，并积极应 用于生产。9 0 年代，新型智能化超声波电源得到迅速发展，并应用于各种领域【4 j 。 我国功率超声的研究始于2 0 世纪的5 0 年代初，以研究超声波加工、清洗、焊接等 应用为先导f 5 1 。从2 0 世纪8 0 年代开始，超声波电源使用大功率高频开关管替代电子管 或可控硅，电路中设频率跟踪、过压、过流保护电路。1 9 9 5 年华南理工大学利用晶体管 研制出5 0 w - 1 0 k w 1 k h z 一3 2 k h z 超声波电源。1 9 9 6 年哈尔滨工业大学用v m o s 研制出 1 0 0 w 2 5 k h z 超声波电源。1 9 9 9 年重庆大学、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 研制出不同频率、功率超声波电源。采用i g b t 后单管输出功率可以做到 1 2 0 0 w 以上，适用于大功率超声电源的研制。目前国内超声波电源已研制出从十几k h z 到几m h z ，功率从几十w 到几百k w 。随着换能器、电力电子技术和现代控制理论研 究和应用的不断发展，超声波电源已经成功地应用在各类超声设备上，如超声清洗、焊 接、雾化、研磨、医疗等。 江南大学硕士学位论文 1 3 超声波电源的发展历程 超声波电源的发展可以分电子管放大器( 2 0 世纪8 0 年代前) 、晶体管模拟放大器 ( 2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代中旬) 和晶体管数字开关放大器( 九十年代后) 三个阶段 6 1 。 三种发生器的主要性能特点以及应用特点如表1 1 所示。 表1 - 1 三种类型发生器主要性能特点 t a b 1 一lm ai np e r f o r m a n c eo f t h et h r o et y p e sg e n o r a ti o n 项目类型电子管发生器晶体管模拟型发生器晶体管开关型发生器 电路形式简单简单复杂，采用i c 后较简单 输出功率 中小大 体积 大中小 功耗大中小 效率低，约4 0 中，6 0 7 0 高，8 0 9 0 调试方法 简单一般复杂 寿命短长 长 重量 重中轻 自动化程度 低中同 保护电路简单中等复杂 优缺点、现状动态范围宽，但缺线路成熟，用于小功率较大功率场合，与微处 及前景点太多，已淘汰场合，成本较低 理器结合应是主流方向 1 3 1 开关型发生器发展过程 电力电子开关器件的发展：2 0 世纪5 0 年代，采用双极型开关晶体管。2 0 世纪8 0 年代，采用v d m o s 管。2 0 世纪9 0 年代，采用i g b t ，它是一种m o s 管与双极管结合 的产物，既有m o s 管开关频率高，驱动简单等优点，也有双极管导通压降小，耐压高 等优点，它的开关频率目前可以在2 0 4 0 0 k h z 。三种开关器件的比较如表1 2 所示。 表1 - 2 三种形式电力电子开关器件的比较 t a b 1 2c o m p a r i s o no ft h r o eo l e o t r o n i cs w it c ht y p e s 项目类型双极开关管v d m o s i g b t 线路方式简单已成熟，一般 复杂 频率低( 2 0 k h z )高( 1 0 0 k h z ) 以上 中( 2 0 4 0 0 k h z ) 耐压高 低呙 驱动方式电流型( 复杂)电压型( 简单)电压型( 简单) 应用不用1 5 0 0 w 以下或l o o k h z 以上大功率( 1 5 0 0 w 以上) 造价低中 高 1 3 2 超声波电源控制电路 用数字控制代替模拟控制，可以消除温度漂移等常规模拟调节器难以克服的缺点， 2 第一章绪论 有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变，方便地调整控制方案和实现 多种新型控制策略。同时可减少元器件的数目，简化硬件结构，提高系统可靠性。超声 波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式。 ( 1 ) 采用单片机控制 单片机具有速度快、功能强、效率高、体积小、性能可靠、抗干扰能力强等优点。 在超声波发生器中，单片机主要用作数据采集和运算处理、电压电流调节、p w m 信号 生成、系统状态监控和故障自我诊断等，一般作为整个电路的主控芯片运行，完成多种 综合功能。配合d a 转换器和m o s f e t 功率模块实现脉宽调制。另外，单片机还具有 对过流，过热、欠压等情况的中断保护以及监控功能。但是，单片机的工作频率与控制 精度矛盾，处理速度也很难满足高频电路的要求。 ( 2 ) 采用d s p 控制 d s p 是新一代可编程处理器。内部集成了波特率发生器和f i f o ( f i r s ti nf i r s to u t ) 缓 冲器，提供高速同步串口和标准异步串口，有的片内还集成了采样保持和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 具有更快的c p u ，更高的集成度和更 大容量的存储器。d s p 属于精简指令系统计算机，大多数指令都能在一个周期内完成并 可通过并行处理技术，在一个指令周期内完成多条指令。同时，d s p 采用改进的哈佛结 构，具有独立的程序和数据空间，允许同时存储程序和数据。内置高速的硬件乘法器， 增加了多级流水线，使其具有高速的数据运算能力。d s p 与1 6 位单片机相比，执行单 指令的时间快8 1 0 倍，一次乘法运算时间快1 6 3 0 倍。 在超声波发生器中，d s p 可以完成除功率变换以外的所有功能，如主电路控制、系 统实时监控及保护、系统通信等。虽然d s p 有着许多优点，但是它也存在一些局限性， 如采样频率的选择、p w m 信号频率及其精度、采样延时、运算时间及精度等。这些因 素会或多或少地影响电路的控制性能。 ( 3 ) 采用f p g a 控制 f p g a 属于可重构器件，其内部逻辑功能可以根据需要任意设定，具有集成度高、 处理速度快、效率高等优点。其结构主要分为三部分：可编程逻辑块、可编程i o 模块、 可编程内部连线。由于f p g a 的集成度非常大，一片f p g a 少则几千个等效门，多则几 万或几十万个等效门，所以一片f p g a 就可以实现非常复杂的逻辑，替代多块集成电路 和分立元件组成的电路。它借助于硬件描述语言来对系统进行设计，采用三个层次( 行 为描述、p j l 描述、门级描述) 的硬件描述和自上至下( 从系统功能描述开始) 的设计 风格，能对三个层次的描述进行混合仿真，从而可以方便地进行数字电路设计，在可靠 性、体积、成本上具有相当优势。比较而言，d s p 适合取样速率低和软件复杂程度高的 场合使用：而当系统取样速率高( m h z 级) ，数据率高( 2 0 m b s 以上) 、条件操作少时， f p g a 更有优势。 1 4 课题的研究背景及研究意义 超声波电源负载使用压电型或磁致伸缩换能器，存在很大的静态电容或电感量，需 江南大学硕士学位论文 一个阻抗网络使之调谐。此外开关型半导体输出为方波，含有大量的谐波成分，合理的 匹配网络能有效地滤除谐波成分，提高电声效率。当前超声波电源应用中急需解决的关 键技术问题如下： ( 1 ) 实时的频率自动跟踪 由于负载变化剧烈或刚度变化、发热、老化、磨损、疲劳等原因会使换能器的谐振 频率漂移，如果发生器的工作频率不随之改变，换能器将工作于失谐状态而使效率降低， 甚至停振。因此，需要采取措施使振荡器的频率随着换能器的谐振频率的变化而变化， 保证换能器始终工作在谐振状态，即频率跟踪。 ( 2 ) 输出功率可以调节，开关损耗尽可能小 超声加工的过程中，换能器的阻抗随着负载的变化而变化，要能实现输出功率可调。 同时，在很多场合下，发生器的输出功率自动跟踪载荷变化，维持换能器的振幅稳定。 ( 3 ) 良好的阻抗匹配网络，实现最大功率的传输 在大功率超声设备中，换能振动系统的阻抗匹配占有相当重要的地位，其功能主要 是调谐和变阻，即电压变换、功率传递和实现输入与输出之间的隔离以及阻抗匹配和频 率调谐。它性能的优劣不只涉及其自身的效率、发热等，还将左右整个设备的技术性能， 甚至会影响功率放大管的寿命。目前在国内大功率超声设备中，普遍存在匹配电感的理 论设计值与实际谐振所需值相差较大的问题，使匹配电路很难调谐到最佳谐振状态，导 致系统失谐，匹配电感瞬间产生高温，性能变坏，换能器功率损耗，效率降低，使设备 不能大功率长期运行。 1 5 课题的主要研究任务 传统的超声波电源发生器与换能器之间的匹配网络是根据换能器的稳态参数计算 得到的，是一种静态匹配，当换能器参数变化导致按静态匹配的谐振工作点漂移时，换 能器动态支路工作在非谐振状态，导致换能器功率损耗和发热，致使输出能量大幅度下 降甚至停振，在实际应用中受到限制。所以，逆变器在跟踪谐振点调节开关频率时，应 同时改变匹配电感才能使谐振系统工作在最高效能状态。 本文将换能器和匹配电感看作一个耦合系统进行整体建模，用耦合谐振理论解释匹 配电感与谐振频率的直接关系，用可控电抗代替传统的固定电感，论述种动态匹配换 能器的超声波电源控制策略。研究基于磁通控制的可控电抗器实现超声波换能器的动态 匹配，最后以t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 为核心设计和实现基于p s p w m 功率控制、d p l l 频率跟 踪和可控电抗自动完成动态匹配的超声波电源。 4 第二章超声波电源的负载特性及匹配方法 第二章超声波电源的负载特性及匹配方法 2 1 超声波电源谐振负载等效电路分析 超声波换能器是一种非线性容性负载，其静态等效电路【7 】如图2 1 所示。 i - c 啊 r - 图中，c o 为换能器的静态电容，主要是指换能器因夹持而产生的电容，一般数量级 为l o 一；r o 为压电陶瓷片内的介质电损耗，通常可以忽略其影响( 一般认为r o 为无穷大) ； 乙为动态电感，由换能器质量引起；q 为换能器引起的动态电容，数量级为1 0 。2 ；心 z o = 犬。+ j x o ( 2 1 ) 驴同丽磊 q 2 ) 式中电抗分量x o 为： x o = ： 卜卜刽材弧2 ( 2 3 ) 由于静态电容较大，换能器表现出很大的容性。若直接施加交变电压，电源功率因 数很小，效率很低。对于容性负载，主要采用补偿电感与容性负载串联或并联提高电源 功率因数【8 】构成如图2 - 2 ( a ) 和图2 - 2 ( b ) 所示的串联谐振负载电路或并联谐振负载电路， 图中厶即为补偿电感。当信号频率q2 赤，l q 支路串联谐振，q 称为串联谐振 频率。 雏驯盼蹑l ， l c 卅支路和c o 并联谐振，q 称为并联谐振频率。 谐振点附近电抗与频率特性如图2 - 3 所示，当缈 织时电路呈容性；当q 0 3 m a x ( ，镪) ，吃对“、 、 沁飞 沁 飞 。沁 图2 - 8 匹配电感l o 与换能器耦合谐振频率的关系曲线 f i g 2 - 8c u r v eo fm a t c h i n gr e a c t o ra n dc o u p li n gr e s o n a n c ef r e q u e n c y 由图2 8 可见：对应于每个厶，换能器确实存在高、低两个耦合谐振频率；即使两 个自然频率相等，两个耦合频率也不会重合。当换能器工作在不同的频率，对匹配电感 的要求都不相同。按照串联谐振频率z 计算得到的匹配电感，仅适用于z 一个谐振工作 点。当工作频率发生漂移时，这个固定的匹配电感将不再适用。因此，必须根据工作频 率变化动态地调节匹配电感。同时从图2 8 中也可以看到，只要匹配电感作相应的变化， 换能器就可以在对应的频率耦合谐振频率下谐振。换能器的工作频率不再局限于串联谐 振频率点，而是可以根据效率和次级输出功率进行调整。 2 3 3 换能系统效率与工作频率的关系 系统在耦合谐振时表现为纯阻性，阻值为忍= r o + 心，如图2 - 7 ( c ) 所示。r 代表 初级回路的损耗，包括匹配电感和变压器的铁损、铜损以及静态电容的介质损耗，可以 近似看作不随频率变化。尺。为次级回路的反射电阻，根据式( 2 1 0 ) ，可以解得： 尺：三_ _ 竺吐一 ( 2 1 5 ) c 0 2 c 0 2 。吃2 + ( 缈厶- l c o c p ) 2 。 由图2 7 ( c ) 可知，系统效率： 刀：l ：_ 一 ( 2 1 6 ) 也+ rl + r 凡。 吃代表换能振动系统的损耗，消耗在心上的功率越大，则说明振动系统振动得越 强烈，效果越好。因此尺。7 大，则效率高。由式( 2 1 5 ) 可见，当工作点在靠近次级自 然频率q 时，以会变得很大。工作点远离q 时，吃较小，r 上分得电压和功率增大， 1 0 第二章超声波电源的负载特性及匹配方法 使电感和换能器发热而振动却不佳。因此，从提高换能器工作效率的角度，应使其工作 在心较大的区域，即靠近劬，此时系统能达到最佳的振动效果 1 4 - 1 习。从功率角度，可 以通过调功，增大激励，来保证足够的功率输出。如何保证系统能够工作到效率最佳的 频率上，这也是本文研究的一个重要方面。 2 4 可控电抗器的分类及发展现状 通过上一节对耦合谐振理论研究得出，匹配电感与谐振频率有直接的关系，调节电 感就可以调节工作频率，使换能器工作在振动最佳的工作频率上。因此本文选择可控电 抗器作为匹配电感。 电抗器是一种电感元件，当在具有电感值的电抗器线圈中通以角频率为彩的交流 电流i ，它就呈现电抗五( 置= c 0 1 ) ，在一般情况下电抗器的电感值可表示为： = 2 人 ( 2 1 7 ) 人：皇：皇( 2 1 8 ) 人= 一= l z 1 苓j fn t 式中为电抗器线圈匝数，人为电抗器磁路磁导。磁路磁导表征线圈内流过的电流 激发磁通的能力，其中f = n i 表示磁动势，表示与线圈交链的磁通量。对于结构一定 的电抗器，其磁导人与磁路的磁导率及其等效导磁面积彳成正比，与磁路的等效长度 ，成反比。由上可知我们要调节电抗器的电抗值z 可以分别通过改变电量的频率国，电 抗器线圈匝数，及电抗器磁路的等效磁导a 实现。 综观发展到现在的各种可控电抗器，其类型按参数调节方式不同可分为调匝式与调 等效磁导式；按连续可调性的不同分为分级可调与无级可调型；按操作控制的手段不同 则分为机械控制与电气控制型。其分类如图2 9 所示【1 6 】。 可 控 电 抗 器 调匝式 晶闸管控制 电抗器( t c r ) 磁控电抗器 p w m 控制 电抗器 超导可控 电抗器 直流可控 电抗器 交流可控 电抗器 调容式 图2 - 9 可控电抗器分类 f i g 2 - 9c l a s si f a c a ti o no fc o n t r o ll e dr e a c t o r 可控电抗器不断在应用中伴随着电力电子器件的发展而发展，从机械式一直到发展 一一一一一一一一一一一一一一一 江南大学硕士学位论文 到今天的电子式。下面简单介绍已发展和应用的各类可调电抗器的基本情况【1 7 之卯。 调匝式和调气隙式电抗器是最早出现并且应用最广泛的可调电抗器，它们基于最基 本的调节线圈匝数和通过调节铁心气隙长度改变电抗器磁路磁导，从而改变电抗器电抗 值的。这种类型的可调电抗器，结构简单，容易控制，没有谐波产生，但是速度慢，控 制精度不高，不能做到电抗值无级可调。 晶闸管控制可控电抗器通过调节晶闸管导通角调节电抗有效值，响应速度快，但是 调节时会产生大量谐波，需要加专门的滤波装置。 直流助磁式可控电抗器通过改变副边控制绕组的直流电流来改变磁路饱和程度，但 是由于直流控制绕组和交流工作绕组含有较大的谐波分量，并且噪声问题比较严重。 高漏抗变压器式可控电抗器是在晶闸管控制电抗器( t c r ) 基础上发展起来的可控 电抗器。其一、二次绕组间的短路阻抗很大( 达1 0 0 ) ，二次绕组用晶闸管短路。通过 调节二次侧晶闸管中的短路电流，可以实现电抗值的联系平滑可调，此可控电抗器相对 于晶闸管控制电抗器( t c r ) 的优点是将可控硅元件转移到变压器低压侧，降低了设备 的成本，但仍存在谐波问题，需要增加滤波装置。 磁阀式可控电抗器的铁心分裂为两半，每个铁心柱上对称的绕组有两个匝数为n 2 的绕组，铁心柱上下两个绕组各有匝比为万= 的抽头，它们之间接有晶闸管职、 缒，不同铁心的上下两个绕组交叉连接后并联到电网。弛和k 8 在一个工频波内轮流 导通，构成全波整流。改变职和职的导通角便可以改变被控电流的大小，从而改变 铁心的饱和程度，实现电抗值的连续可调。 正交磁心式可控电抗器采用特殊的正交铁心材料，使直流控制侧绕组不会感应交流 侧的感应电势，同时通过控制直流侧电流的大小来改变铁心中的磁通，另外在铁心中开 一定的气隙，可以减少谐波。 综合直流磁控式可变电抗器，结构复杂，控制简单，可以实现连续可调但是谐波问 题始终无法避免。 交流变压器式可控电抗器是在高漏抗变压器上发展的新的拓扑结构，如图2 1 0 所 示。通过分级控制绕组反并联二极管，达到分级调节等效阻抗的目的，由于晶闸管工作 时处于全通或全关状态，所以对系统没有谐波污染，但是是一种分级可调的可控电抗器。 图2 - 1 0 交流变压器式可控电抗器 f i g 2 一1 0a ct r a n s f o r m e rc o n t r o ll e dr 6 8 c t o t 1 2 昏圆；昏 第二章超声波电源的负载特性及匹配方法 调容式可控电抗器的原理如图2 1 l 所示。电抗器工作过程中，当有较大感性电流时， 利用晶闸管分组投入电容器，利用电容器电流限制部分电感电流，通过改变接入其中的 电容器的组数达到调节补偿电流的目的。由于工作时晶闸管全通或者全关状态，系统没 有谐波污染，但是用电容器抵消电感电流使系统容量增大，增加了成本，另外这种方式 是分级调节。 图2 一l l 调客式可控电抗器图2 1 2 帐制电抗器 f i g 2 1 1c a p a c i t yr e g u l a t i o nc o n t r o ll e dr e a c t o rf i g 2 1 2p w wc o n t r o ll e dr e a c t o r p w m 控制电抗器如图2 1 l 所示，两个双向开关互补开关操作，达到调节电抗值的目 的。这种方式基于高频斩波的p w m 控制，响应速度快，谐波污染小，电抗连续可调， 但是电力电子器件的耐压条件限制，使得其应用受到限制。 基于磁通控制的可控电抗器，是一种新的可控电抗器，它通过在带气隙的变压器二 次侧采用有源方式注入一个与一次侧成正比的电流，改变二次测的电流可以实现一次侧 等效阻抗的连续可调。与现有的电抗器比较，此电抗器不饱和，理论上不产生谐波，可 以实现电抗值无级可调。 超导可控电抗器利用超导体的超导态和正常态之间的转变特性，线路正常时，超导 体处于超导态，具有零电阻和全排磁通效应( 迈斯纳效应) ；在发生短路故障时，转为 正常态，失去全排磁通效应，阻抗迅速增大以限制短路电流。它集可控电抗器检测、转 换和限流于一体，响应速度快，具有自恢复功能，具有无可比拟的优越性，是一种理想 的限流装置。但是目前还处于理论研究状态。因为它只有两种状态，也不适合在本文中 应用。 2 5 可控电抗器动态匹配换能器的研究 2 5 1 调气隙式可控电抗器匹配换能器的研究 清华大学东栋在文献【2 6 j 中提出改变磁心间气隙以改变换能器匹配电感的匹配方 法，采用的电感如图2 1 3 所示。其原理如下： 4 h d l = n i ( 2 1 9 ) 式中是电感的线圈匝数；日为磁场强度，在磁心远没有达到饱和时，近似认为 曰与日成线性关系，即b = 风“，则： h ：= b g o 4 式中a o 为真空磁导率， 叮鬲b 讲= n i ( 2 2 0 ) “是该磁心材料的相对磁导率。由式( 2 1 9 ) 、式( 2 2 0 ) 得： ( 2 2 1 ) 江南大学硕士学位论文 图2 一1 3 电感工作磁路 f i g 2 - 1 3w o r k i n gm a g n e ti cf i e l do fi n d u c t a n c e 根据电感磁心磁路，如图2 1 3 所示，展开式( 2 2 1 ) 得： bb 上( 2 口+ 6 ) + 旦6 + 上万+ 旦万：n ( 2 2 2 ) p q p li l t q i l l 、弘op o 式中，肌也近似等于空气磁导率；万为气隙长度。整理式( 2 2 2 ) 得： a + 3 6 肛心形c + q 粥) 由于电感l 为： ：兰：n b s ( 2 2 4 ) 由式( 2 2 3 ) 与式( 2 2 4 ) 得，带有气隙万磁心的电感量l ，即： z 心c 拿掣3 ， 汜2 5 ) 令j i i = 口+ 主b j i i l2 主万，则式( 2 2 5 ) 变为： ：p o p l n 2 s( 2 2 6 ) h + ij l l l 从式( 2 2 6 ) 可见，当磁心型号及材料选定后，电感量三的大小仅与2 成正比， 与相对磁路h 与“ 之和成反比。因为h 是一个不变的量，所以调节磁心气隙万( 也就 是改变j i l i ) 的大小，就能在一定程度上改变电感量的大小，使电感量满足谐振要求， 从而使换能振动系统处于谐振状态，将振动能量有效地传递给负载。 但这种调节电感量的方法只能将已绕制好的电感量调小，而不能调大，所以在静态 设计与绕制时，需要把电感量相对取大，使电感量在可调节的范围之内。 如上一节中对目前可控电抗器的现状中所述，这种调气隙式的可控电抗器，虽然结 构简单，容易控制，没有谐波产生，但是速度慢，控制精度不高，不能做到电抗值无级 1 4 第二章超声波电源的负载特性及匹配方法 可调。依靠手动和经验调整匹配电感，无法实现自动化控制，容易失谐。 为了能够实现电抗的智能控制，本文选择了基于磁通控制的可控电抗器作为匹配电 抗器，由上节介绍可知，此电抗器电抗值无级可调且不产生谐波。 2 5 2 基于磁通控制的可控电抗器研究 基于磁通控制的可调电抗器通过在带气隙变压器的二次侧采用有源的方式注入一 个与一次侧电流成比例的电流f 2 = 等，其中m 、2 分别为一二次绕组匝数，改变 系数口即可实现变压器一次侧等效阻抗的连续可调f 2 7 1 ，如图2 1 4 所示。 f l j 2 l 、1 4 一m ，口 i 一 ，_ ， ，x 上地与上x ： ) n i n 2 。 图2 1 4 基于磁通控制的可调电抗器原理 f i g 2 1 4t h e o r yo fc o n t r o ll e dr e a c t o rb a s eo nf l u xc o n t r o l 此时铁心磁动势： n 附鸩( 等 ：( 1 艳胍 汜2 7 ， m 。= f a 。= ( 1 + a ) n l i , a 。 ( 2 2 8 ) 铁心主磁通人为变压器铁心磁路平均磁导，若铁心不饱和，人。为常量。从式( 2 2 8 ) 看出变压器铁心的主磁通。是可以由口控制的，于是我们得到电抗器等效主电感： 厶：睾：华：_ ( 1 + a ) n ? i , a m ：( 1 + 口) 研人 ( 2 2 9 ) l i| l 这是一个随口变化的值，因此可以通过改变口来改变电抗器的等效电抗。与现有的 可控电抗器相比，该可控电抗器铁心不饱和，从原理来说上不产生谐波，并可以实现电 抗值的无级可调。 设在铁心带气隙的变压器上绕制一次侧线圈口l 五，其匝数m ；二次侧线圈口：而其匝 数2 。如图2 1 5 所示，一次侧线圈电流为f l ，二次侧线圈电流为之。若忽略铁心的损耗 则其端口伏安特性方程为： 铲”厶。堕d t + m 鲁 ( 2 3 0 ) 心鲁+ 肘堕d t ( 2 3 1 ) 式中、吒分别为一二次线圈有效电阻，厶。、厶：分别为一二次线圈自感，m 为一二 次线圈之间的互感。在币弦稳态的条件下，且令在整个工作过程中变压器铁心不饱和。 江南大学硕士学位论文 那么式( 2 3 0 ) ，( 2 3 1 ) 中各量可用相量表示。 珥= ( ，i + 缈厶i ) + j o ) m 1 2 = ( 吒+ k ) 厶+ 歹嘲 o m j ，一一一一一一、 i j ， 1 l z j i l 2 ： 逝tli