（检测技术与自动化装置专业论文）数字化控制超声波电源的研究.pdf

摘要 摘要 近年来，超声波清洗设备因其节省人力、清洁度高和清洗效果好等优点，在越来越 多行业得到广泛应用。本文以超声波清洗机的电源部分为研究对象，通过分析超声波电 源的谐振槽路和拓扑结构，选择更适合超声波清洗机的串联型逆变器，并分析了串联型 超声波电源的各种调功方式，在对各种功率调节方式分析的基础上，得出在整流侧调功 有利于超声波电源频率和功率提高，选择不控整流加斩波器调功方式。 在逆变控制电路的实现中，研究基于d s p 的具有最佳死区的频率跟踪控制系统。 用锁相环作为频率跟踪的核心器件，根据死区效应和最佳死区的理论，用d s p 实现死 区的在线调节。设计以删s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a 为控制核心的硬件控制平台，包括了采样电路、 保护电路、相位补偿电路、驱动等外围电路，在此基础上编制了程序软件。在分析各种 斩波调功方法的基础上，超声波电源采用电压电流双闭环的控制策略，并根据电路系统 参数非恒定特性，将模糊控制引入超声波电源的功率调节中。 为实现超声波清洗系统高效率运行，超声波清洗机还必须包括阻抗和调谐两种匹配 电路。阻抗匹配使超声波电源的输出电阻与负载阻抗相一致，调谐匹配使负载呈现纯电 阻性，使电路处于谐振状态。文中就这两种匹配电路分别给出设计方法。 最后，本文还给出了实验结果。 关键词：超声波电源，串联谐振，数字信号处理，频率跟踪，功率控制，死区 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t h eu l t r a s o n i cc l e a n i n ge q u i p m e n th a sr e a c h e dw i d e s p r e a da p p l i c a t i o n t h i sp a p e rh a sr e s e a r c h e di n t oh i g hf r e q u e n c yo fu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y i nt h ef i r s tc h a p t e r , i ti n t r o d u c e st h eh i s t o r ya n db a s i ck n o w l e d g eo fu l t r a s o n i cc l e a n i n g , u l t r a s o n i cp o w e r s u p p l y sp r e s e n ts i t u a t i o na n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n t t h eb a s i cp r i n c i p a l so ft h er e s o n a n tt a n ka n dt h et w om a i nt o p o l o g i e sa r ea n a l y z e di n d e t a i l t h i sp a p e rs e l e c t st h es e r i e s r e s o n a n ti n v e r t e rb e c a u s ei ti sm o r es u i t a b l et oh i g l l f r e q u e n c yp o w e rs u p p l ya n de a s yt oe n h a n c ep o w e rc a p a c i t ya n de n a b l et h ep o w e rs u p p l yt o w o r ko nh i g h e rf r e q u e n c y , w h i l ep o w e ri sr e g u l a t e di nt h er e c t i f i e r s ou n c o n t r o l l e dr e c t i f i e r a n db u c kc h o p p e rc o n s t i t u t ed cc i r c u i tf i les e l e c t e da sr e c t i f i e rc i r c u i t i nt h ed e s i g no fi n v e r t e rc o n t r o lc i r c u i t ，t h ef r e q u e n c ys e l f - f o l l o w i n gs y s t e mw i t ho p t i m a l d e a dt i m eb a s e do nd s pi sr e s e a r c h e d t h ec o r ei n s t r u m e n to ff r e q u e n c y - f o l l o w i n gs y s t e mi s t h ep l l d s pi su s e dt or e a l i z et h er e g u l a t i n go fd e a dt i m eo n l i n e t h eh a r d w a r ec o n t r o l s y s t e mb a s e do nt m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 a i sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gs a m p l i n gc i r c u i t , p r o t e c t i v ec i r c u i t ， p h a s e - c o m p e n s a t e dc i r c u i t ，d r i v i n gc i r c u i ta n ds t ) o n t h ep r o g r a mo fs y s t e mi sc o m p i l e d t h e s t r a t e g i e so fc l o s e dl o o pc o n t r o lf o ru l t r a s o n i cp o w e rs u p p l ya n d t h ef u z z yc o n t r o lf o rp o w e r c o n t r o la r ei n t r o d u c e dt ot h ep o w e rc o n t r 0 1 t h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r er e a l i z a t i o ns c h e m ea r e g i v e n i no r d e rt oi m p r o v et h ee f f i c i e n c yo fu l t r a s o n i cc l e a n i n gs y s t e m ，t h eu l t r a s o n i cp o w e r s u p p l ys h o u l di n c l u d et w ok i n d so fm a t c hc i r c u i t s t h e ya r ei m p e d a n c em a t c hc i r c u i ta n d h a r m o n i o t i sm a t c hc i r c u i t t h ei m p e d a n c em a t c hc i r c u i tc a l lc a u s et h eo u t p u ti m p e d a n c eo f u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l yt ob ee q u a lt ot h el o a di m p e d a n c e t h eh a r m o n i o u sm a t c hc a u s e st h e l o a do fc i r c u i tt op r e s e n tt h ep u r es e s i s t a n c ea n dt h ec i r c u i tp r e s e n tr e s o n a n tc o n d i t i o n t h i s p a p e rh a ss e p a r a t e l yg i v e nt h ed e s i g nm e t h o do f t h e s em a t c hc i r c u i t i nt h ee n do ft h i sp a p e r , t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sa r ep r o v i d e d k e y w o r d s ：u l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y , s e r i e s r e s o n a n t , d s p , f r e q u e n c yt r a c k i n g , p o w e rc o n t r o l ， d e a d t i m e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是誉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：鏊丝歪坌 日 期：丛! 籀朗g i 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4 i - g t 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：盐邀墨窆 导师签名： 日 期： 第一章绪论 第一章绪论 随着现代科学技术飞速发展。各学科之白】相互渗透，新辨边缘学科不断出现，超声 工程学作为- - i 3 新兴的边缘学科在工业生产、卫生保健和航空航天等许多领域中扮演 着十分重要的角色。我国近十年来，对超声技术的应用研究十分活跃，超声工程学按其 研究内容，可划分为功率超声和检测超声两大领域。所选课题数字化控制超声波 电源的研究，是功率超声技术的一个重要应用部分“j 。 1 1 超声及超声清洗简介 超声技术出现在二十世纪初期，是一门以物理、电子、机械及材辩学为基础的通用 技术。近一个世纪的发展表明，它是声学发展中最为活跃的一部分，如今己经渗透到国 防建设、国民经济、人民生活和科学技术等各个领域。超声技术的实现是通过超声波产 生、传播及接收的物理过程而完成的。 超声清洗是将被清洗零件浸没在清洗液中，向清沈液辐射超声波，产生空化作用h 】， 由空化气泡运动产生的微冲击流或由气泡崩塌产生的高强度冲击波，作用于附着在零件 表面上以及零件表面微孔、细缝中的污垢，促使这些污垢脱落或加速溶解，从而达到清 洗目的。超声清沈属于功率超声应用，其特点是速度快、质量高、易于实现自动化a 相比其它传统清洗方式，超声波清洗显示出巨大的优越性，尤其在专业化、集团化 的生产企业中，己逐渐用超声波清洗机取代了传统浸洗、刷洗、压力冲洗、振动清洗和 蒸气清洗等工艺方法。超声波清洗机工作时产生的声波在介质中传播时产生的穿透性和 空化冲击波很容易将带有复杂外形、内腔和细孔的零部件清洗干净。对一般的除油、防 锈、磷化等工艺过程，在超声波作用下只需两三分钟即可完成，其速度比传统方法可提 高几倍到几十倍，清洁度也能达到高标准。这在许多对产品表面质量和生产率要求较高 的场合，更突出地显示了用其它处理方法难以达到的结果。经过总结，我们可咀从表卜1 中看出超声清洗效果是几种清洗方法中效果最好的。 清洗方法 畋式 浸润式 蒸汽式 刷子 超卢 从原理上柬随超声清沈机的基本结构如图卜j 所示，由超声波电源、超声波换能 器和清洗槽三部分组成。超声波清洗设备中核心部分应该是超声波发生器，分为两大部 件：一个是超声波换能器，另一个是超声波电源。超声波换能器将超声波电源提供的电 江南大学硕士学位论文 信号转化为机械能，超声波电源的作用是提供足够电功率驱动超声波换能器产生超声 波。超声波电源是超声波清洗机的核心部件，它的电路组成和性能决定着整个超声波清 洗机工作状态的好坏，本文注重研究超声波清洗机的电源部分。 清 洗 槽 器 图1 - 1 超声波清秽t o l 结构图 f i g 1 1s t r u c t u r ed i a g r a mo fu it r a s o n i cc l e a n i n ge q u i p m e n t 1 2 超声波电源的发展概况和发展趋势 超声波电源又叫超声波功率源，是超声波清洗系统的核心部分，其发展与电力电子 器件发展密切相关，一般可以分为电子管放大器、晶体管模拟放大器和晶体管数字开关 放大器三个阶段【4 1 。 在早期，2 0 世纪8 0 年代前，信号功率放大采用电子管，采用电子管的优点是动态 范围较宽，此优点对于音频放大器很重要，但对超声波电源来说没有什么好处，因此， 当功率晶体管出现后即遭淘汰【5 1 ，电子管的缺点很多：功耗大、寿命短、效率低、电源成 本高、体积大。 2 0 世纪8 0 年代到9 0 年代中旬，功率晶体管发展己非常成熟，各种o c l 及o t l 电 路大量用于超声波电源，功率晶体管模拟发生器开始投入使用，电源效率提高、体积和 重量下降，由于受开关速度的限制和晶体管开关特性的影响，采用晶体管模拟放大器的 超声波电源有以下几个缺点： ( 1 ) 功耗较大。由于o t l 、o c l 电路理论效率只有7 8 左右，实际效率更低、功耗大， 导致功率管发热严重，需要较大的散热功率，并且功率管发热导致系统工作不太稳定。 ( 2 ) 体积大、重量重。由于功率管输出的功率受到限制，要输出较大的功率需要更多的 功率管，且发生器所需求的直流电源是通过变压器降压、整流、滤波后得到。大功率的 变压器重、效率低。 ( 3 ) 不易使用微处理器来处理。由于该电路呈现模拟线路特征，用数字化处理复杂，涉 及到a d 和d a 转换，成本高、可靠性低。 随着电力电子器件的发展，特别是v d m o s 管和i g b t 的发展与成熟，采用开关型 超声波发生器成为可能。开关型发生器的原理是通过调节开关管的占空比来控制输出功 率的。由于晶体管在截止和饱和导通时的功耗很小，开关型超声波发生器主要有以下特 点： ( 1 ) 功耗低、效率高。开关管在丌关瞬时的功耗较大，但由于开关时间短，在截止或导 通时的功耗很小，因此总的功耗较小，最高效率可达到9 0 左右。 第一章绪论 ( 2 ) 体积小、重量轻。由于效率高、功耗低，使得散热要求较低，而且各个开关管可以 推动的功率大：在直流电源作用下可直接变换使用，不需要电源变压器降压，因此体积 小，重量轻。 ( 3 ) 可靠性好。与微处理器等配合较容易，电子器件在工作时温升较低，工作可靠，加 上全数字开关输出，可用微处理器直接控制。 开关型超声波发生器与开关型电源的发展息息相关，而开关型电源发展又与电力电 子开关器件发展【6 】紧密相连，也经历了三个发展历程：采用双极型开关晶体管年代、采 用v d m o s 年代、采用i g b t 管年代；这样它的工作频率也经历了工频，低频，中频到 高频的发展历程。随着电力电子器件的迅速发展，电力电子电路的控制也在飞速发展。 控制电路最初以相位控制为手段、由分立元件组成，发展到集成控制器，再到实现高频 开关的计算机控制。目前，向着更高频率，更低损耗和全数字化的方向发展。 模拟控制电路存在控制精度低、动态响应慢、参数整定不方便、温度漂移严重、容 易老化等缺点。专用模拟集成控制芯片的出现大大简化了电力电子电路的控制线路。提 高了控制信号的开关频率，只需外接若干阻容元件即可直接构成具有校正环节的模拟调 节器，提高了电路的可靠性。但是，也正是由于阻容元件的存在，模拟控制电路的固有 缺陷，如元件参数的精度和一致性、元件老化等问题仍然存在。此外，模拟集成控制芯 片还存在功耗较大、集成度低、控制不够灵活，通用性不强等问题 7 1 。 用数字化控制代替模拟控制，可以消除温度漂移【s j 等常规模拟调节器难以克服的缺 点，有利于参数整定和变参数调节，便于通过程序软件的改变，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。此外， 还可以实现运行数据的自动储存和故障自动诊断，有助于实现电力电子装置运行的智能 化【9 】。超声波发生器应用数字化控制技术一般有三种形式：采用单片机控制【婚】、采用 d s p 控制【37 1 、采用f p g a 控制。 ( 1 ) 采用单片机控制 单片机是一种在一块芯片上集成了c p u ，r a m 瓜o m 、定时器计数器和i o 接口 等单元的微控制芯片，广泛应用在各种控制系统，主要以美国i n t e l 公司生产的m c s 5 1 和m c s 9 6 两大系列为代表。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，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i g b 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。 单片机控制克服了模拟电路的固有缺陷，通过数字化控制方法，得到高精度、高稳 定度的控制特性，可实现灵活多样的控制功能。但是，单片机的工作频率与控制精度是 一对矛盾，处理速度也很难满足高频电路的要求，这就使人们寻求功能更强芯片的帮助， 于是d s p 应运而生。 ( 2 ) 采用d s p 控制 d s p 是近年来迅速崛起的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 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 江南大学硕士学位论文 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利用并行处 理技术，在一个指令周期内完成多条指令。同时，d s p 具有独立的程序和数据存储空间， 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。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。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【i i l 。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 3 本文的研究背景及主要工作 2 0 世纪6 0 年代初，我国开始研制各种超声波清洗机的功率电源，到目前为止，我 国的超声电源也经历了电子管、晶闸管、晶体管、v m o s 和i g b t 的发展过程。2 0 世纪 7 0 年代电子管组成的超声波电源电能利用率低、电源成本高、体积大。2 0 世纪7 0 年代 到8 0 年代初，晶闸管超声波电源开始投入使用。晶闸管电源与电子管电源相比较有了 很大提高，体积和重量有所下降，但由于受到开关速度的限制和晶闸管开关特性的影响， 电源频率在2 0 k h z 以下，工作效率较低。 为了克服上述电源的不足，人们开始研制和使用v m o s 电源。v m o s 电源开关速 度高、驱动功率小。但是由于管子的制造工艺结构限制，单管的导通电流较小，耐压较 低，抗电流和电压冲击能力较差。晶体三极管的驱动功率较大，但采用大功率复合三极 管，开关速度会大大降低，这种复合三极管一般也只能在2 0 k h z 以下使用。因此，v m o s 管和晶体三极管一般适用于小功率超声波电源【l2 1 。 综上所述，超声波电源需要一种开关速度快，导通电流大、耐压高、抗冲击能力强、 驱动功率小的新型功率器件。同时，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，超声波电源需要一种功率大、频率高、成本低、智能化等系列超声 波电源。今后，超声波电源的发展趋势主要有以下几个方面【1 3 】【1 4 】： ( 1 ) 大功率，高频化。随着功率器件m o s f e t 、i g b t 、m c t 、i g c t 的发展，将来的超 第一章绪论 声波电源必将朝着大功率和高频率相统一的方向发展。 ( 2 ) 低损耗、高功率因数。随着功率器件的发展，再加上驱动电路的不断完善和优化， 使得整个装置的损耗明显降低，而且随着对电网无功要求的提高，具有高功率因数的电 源是今后的发展趋势。 ( 3 ) 智能化、复合化。随着超声波电源自动化控制程度及对电源可靠性要求的提高，超 声波电源正向自动化控制方向发展，具有计算机智能接口的全数字化超声波电源成为下 一代发展目标。 本文就是在传统超声波电源的基础上，提出研究基于d s p 控制的大功率、高频率、 低损耗、高功率因数的超声波电源，使其实现功率可调、频率自动跟踪等功能。文中超 声波清洗机电源要求达到的技术指标为： ( 1 ) 功率可调范围2 0 0 0 w 一5 0 0 0 w ，最大功率为5 0 0 0 w ； ( 2 ) 频率2 5 k h z - 3 5 k h z ( 实际是在一个较窄的范围内工作) ； ( 3 ) 频率自动跟踪，功率自动匹配； ( 4 ) 具有过流、过压、过温自动保护； 本文按照超声波电源的方案比较、主电路拓扑结构、频率跟踪控制、功率稳定控制、 驱动和保护电路、实验结果共六部分进行编排： ( 1 ) 超声波电源方案比较部分，对整流单元方案、逆变电路拓扑方案、功率控制方案进 行了分析，分别选定了不控整流、串联谐振逆变电路和不控整流斩波调功控制方案。 ( 2 ) 在逆变器控制系统的设计中，利用d s p 实时调节死区宽度，采用集成锁相环c d 4 0 4 6 进行负载的频率跟踪，实现基于数字信号处理d s p 的最佳死区频率跟踪系统，最后给 出了硬件和软件实现方案。 ( 3 ) 研究不控整流加斩波器控制功率的方法，把功率控制转化为b u c k 变换器的控制， 确定闭环控制方案，并针对具体问题在闭环控制系统的控制算法中引入了模糊控制，给 出了实现方案和软件流程图。 “) 研究超声波电源与超声波换能器匹配电路的原理，设计主功率高频变压器和匹配电 感器。 ( 5 ) 研究超声波电源中的驱动电路及保护电路，确定驱动电路的方案和保护电路的实现 方法。 ( 6 ) 根据设计结果，试制电路，测试实验结果，对设计进行验证。 第二章超声波电源系统的主电路分析 第二章超声波电源系统的主电路分析 超声波清洗机由超声波电源、换能器和清洗槽组成，这三部分相互配合共同完成清 洗工作，其中超声波电源和超声波换能器是超声波清洗系统的核心部件。超声波电源， 即超声波功率源，是一种用于产生并向超声波换能器提供超声能量的装置。超声波换能 器是将电能转换为机械能的器件，它的各项参数直接决定了超声波清洗机的性能。本章 主要研究超声波电源系统原理，讨论超声波电源常用的拓扑结构，确定超声波电源主电 路方案。 2 1 超声波发生器的组成原理 超声波发生器系统一般由整流单元、功率逆变器、匹配网络、反馈网络、信号处理 电路、驱动电路和换能器组成，其原理如图2 1 所示。 图2 - 1 超声波发生器框图 f i g 2 - 1b l o c kd i a g r a mo fu 1t r a s o n i cg e n e r a t o r 工作时，三相工频交流电经整流器整流滤波后变为平滑的直流电，送入逆变器；逆 变器采用电力半导体器件( i g b t ) 作为开关器件，把直流电变为所需高频率的交流电； 通过匹配网络作用于换能器负载，使电路处于谐振状态。采集谐振回路的电流和电压信 号，通过反馈网络得到适合d s p 处理的反馈信号；信号处理电路实现频率跟踪和功率 调节功能；由d s p 的输出信号输入到高频驱动电路，作为功率管i g b t 的驱动和控制信 号。 2 2 整流单元方案比较 整流单元的作用是将电网输送的交流电变为直流电，为功率逆变器提供基本的电 源。整流单元是通过控制半导体电力开关器件的通、断，将交流电变为直流电( a c d c ) 的，主要有二极管不控整流、晶闸管相控整流、以及采用新型丌关器件的s p w m 整流引。 2 2 1 二极管不控整流电路 三相桥式二极管不控整流电路如图2 2 所示，其特点是结构简单，不需要额外的控 制，成本低廉。二极管不控整流电路的输出电压不可调节，且与输入电压成固定比例关 系。设输入端线电压为“- b = 6 u ：s i n ( c o t + d ，那么有载时输出端电压平均值为 7 江南大学硕士学位论文 玑= 2 3 4 u 2 。一般在输出侧采用大电容稳压滤波后可实现较为稳定的直流电压输出 图2 - 2 不控整流电路图 f i g 2 - 2c i r c u i to fu n c o n t r o l l e dr e c t i f i c a t i o n + r u d 图2 - 3 相控整流电路图 f i g 2 - 3c ir c u i to fp h a s ec o n t r o l l e dr e c t i f i c a t i o n 2 2 2 晶闸管相控整流电路 用晶闸管组成的相控整流电路有多种形式，图2 3 是桥式三相晶闸管相控整流电路。 在三相晶闸管相控整流电路中，设输入端线电压为“小= 6 以s i n ( c o t + o ) ，晶闸管触发角 为口，如果触发角口6 0 。，那么输出端电压平均值为仉= 2 3 4 u 2c o s 口；如果触发角 口 6 伊，那么输出端电压平均值为= 2 3 4 u 2 1 n r + 口) 】。晶闸管相控整流电路的 特点是其输出电压值连续可调，通过调节晶闸管的导通角，可以实现系统的功率调节【1 6 1 ； 缺点是当晶闸管导通角很大时，即在深调压的场合下，其输出电流尖峰很高，功率因数 极低，谐波分量很高、e m i 很大。 2 2 3 $ p w m 整流电路 随着电力电子器件的飞速发展，在二十世纪七十年代，有人开始将p w m 技术引入 整流领域，并取得了良好的效果。采用p w m 整流【1 7 】【1 8 】可获得单位功率因数和正弦化输 出电流。与传统的整流器相比，p w m s m r 对电容、电感这类无源滤波元件或储能元件 的需求大大降低，动态性能也有很大的提高，此外其体积、重量也可以大大减少。p w m 整流器拓扑结构可分电流型和电压型两大类，目前应用较多的为电压型高频p w m 整流 器，其拓扑如图2 - 4 所示。通过对v t l 、厂r 6 六个开关器件的控制，以实现能量的双向 传输，并使输入电流波形跟踪输入电压波形，实现较高的功率因数。 然而，s p w m 整流器由于对直流侧电压利用率较低，为了实现网侧高功率因数，需 显著提高直流母线电压，通常直流母线上的电压会达到8 0 0 v 1 0 0 0 v 左右，进而造成整 流桥与逆变桥功率器件的电压应力，增加了系统成本；由于整流器的丌关器件均处于硬 第二章超声波电源系统的主电路分析 开关状态，故其通态损耗也很大，使系统的效率降低。 经过以上对比分析可以看出，二极管不控整流电路与s p w m 开关整流电路相比较， 结构简单，不需要额外的控制电路：二极管不控整流电路与晶闸管相控整流电路相比较， 提高了功率因数，减少了输入侧的e m i ，且其输出电压值适中稳定。所以，本文超声波 电源的整流单元采用三相二极管不控整流电路。 卜 图2 - 4 三相电压型s p w m 开关整流电路图 f i g 2 - 4c i r c u i to ft h r e e p h a s ev o l t a g es p w ms w i t c hr e c t i f i c a t i o n 2 3 功率逆变器拓扑方案比较 超声波电源的换能器工作在谐振频率时，电路功率因数很低，为了提高功率因数， 常采用连接电感器法以补偿无功功率。根据补偿电感与换能器的联接方式不同，可以将 逆变电路分为并联谐振电路和串联谐振电路两种。下面对并联逆变电路和串联逆变电路 进行简要分析。 2 3 1 负载串联谐振逆变器 串联谐振逆变器，即电压型谐振逆变器，如图2 5 所示。全桥串联谐振逆变器有4 个i g b t ( v t l 。v t 4 ) 和其反并联的快速二极管d i 1 3 4 组成4 个桥臂，把桥臂l 和4 看作为一对，桥臂2 和3 看作另一对，成对的桥臂同时导通，两对交替各导通1 8 0 0 。其 输入直流电压乩恒定不变，输出电压的波形为矩形波且不受负载变化的影响。工作时， 轮流触发1 ，4 和v t 2 ，3 这两对桥臂，且使其开关频率与负载的固有频率相等，r 、 c 负载槽路发生谐振，输出高频正弦电流。串联谐振逆变器的工作原理如图2 - 6 所示。 一d3 a r l - c 目卜土一 a b l l 一 5 ；i 1 n 图2 - 5 电压型逆变器 f i g 2 - 5v o lt a g es o u r c et y p ei n v e r t e r 当t = t o 时，触发v t l ，4 ，电流从电源正端一l a _ b v 冷一电源负端流通。负 载电路工作在振荡状态，负载电流f 0 按正弦规律变化，在t o t l 期间，电流经v t l ，4 流 通，形成如的j 下半波。到t i 时刻，电流下降到零，电容c 上的电源极性为左正右负。此 时，关断v t l ，4 ，触发v t 2 ，3 ，电流从电源正端v t 2 一b - 一a 一、，t 3 一电源负端流通。 9 江南大学硕士学位论文 在t l t 2 期间，电流经v r r 2 ，3 ，形成瓦负半波。在实际应用中，上、下桥臂i g b t 必须遵 守先关断后开通的原则，一般留有死区时间毛，快速二极管d i i m 在i g b t 关断时，为 负载振荡电流提供续流回路，在如期间，输出侧能量通过其回馈电源。 1 厂 广 厂 厂 - 厂 厂 iiil 1 ，7 、。 o t l 2 3 ，l 图2 - 6电压型逆变器工作原理图 f i g 2 - 6s c h e m a t i cd i a g r a mo fv o l t a g es o u r c et y p ei n v e r t e r 2 3 2 负载并联谐振逆变器 并联谐振型逆变器，即电流型谐振逆变器，电路结构如图2 7 所示。 图2 7 电流型逆变器 f i g 2 7c u r r e n ts o u r c et y p ei n v e r t e r 其中，观是整流器输出的脉动直流电压，厶是平波电抗器，三为补偿电感，其与换 能器并联；r 和c 是换能器等效阻抗。同样，逆变器也有4 个桥臂构成，每一臂由开关 器件i g b t 和与其串联的二极管组成。由于厶的作用，电流厶为平滑电流。通过对开关 器件( v t l v t 4 ) 的控制，使直流电流而变换成高频的交流矩形波电流输出。为使逆 变器正常工作，应控制逆变器开关器件的工作频率略高于负载谐振频率。此时负载回路 对输出的高频矩形波电流中的高次谐波电流呈现低阻抗，对其基波电流呈现高阻抗，因 而使输出电压“b 接近正弦波。并联逆变桥的四个开关状态及其工作原理分别如图2 8 所示。 l 厂 厂一 r 广 厂 厂 ili i 气 。 t l t t 2t 入，1 图2 - 8 并联谐振逆变器工作原理图 f i g 2 - 8 s c h e m a ti cd i a g r a mo fc u r r e n ts o u r c et y p ei n v e r t e r 第一章超声波电源系统的主电路分析 在铲i 期间，v t l ，4 导通，电流从电源正端一v t l a b v t 4 一电源负端流通， 电流i o = a ，近似为恒值，负载电路工作在振荡状态，负载电压按正弦规律变化形 成u a 。的正半波。到l 时刻，电压下降到零，电容c 上的电源极性为左正右负，此时， 关断v t l ，4 ，触发v 亿，3 。在t l t 2 期间，v t 2 ，3 处于导通状态，电流从电源正端一v t 2 一ba 一4 一电源负端流通，电流= 也，近似为恒值，电压形成“b 负半波。 2 3 3 逆变电路拓扑结构的选择 从电路结构图和上面的分析可知，电压型逆变器和电流型逆变器在各种变量的波 形、电路的拓扑、还有电路的特性方面都存在着对偶关系，见表2 - 1 所示”1 。 t a b l e 2 1 ( t u a r 枷s l i cc o m p a r l s o n o f v o l t a g ea n d a i r m n t i n v e r l e r 电压型逆变器 h 】i c i o 逆娈器 入端并联电容c 入端串蛾i u 搏肌 负载为r 、厶c 串联谐振电路 鲍拽为 、c 、l 埘联特振电路 入端电压恒定 八端i b 流山恒定 输出电压为方波 输i j j 电流山方波 输出电流为正弦波 输一u 】 = 山【j ：# 波 负载阻抗频率特性为串联谐振特性， 负拔m l 抗蛳车为j j 雠阱振特降h j l i , r 因此不宜空载 u 一城 逆变失败，浪涌电流大保护困难 j 苎变火败【u 流受人i u 抗限制，保护靠坍 掌握上表中的对偶关系有助于分析和比较两种逆变电路的工作原理。串联谐振逆变 器和并联谐振逆变器的差别源于它们所用的振荡电路不同，前者是用l ，r 和c 串联， 后者是置和c 并联。并联谐振逆变器和串联谐振逆变器之间存在如下差别【吲唧】： f 1 1 串联逆变器的负载电路对电源呈低阻抗，要求出电压源供电。因此，经整流和滤波 的直流电源末端，必须并接大的滤波电容器c ，当逆变失败时，浪涌电流大，保护困难。 并联逆变器的负载电路对电源呈现高阻抗要求由电流源供电需在直流电源末端串接 大电抗器厶，在逆变失败时，由于电流受大电抗限制，冲击不大较易保护。 ( 2 1 串联逆变器是恒压源供电。为避免逆变器的上、下桥臂的开关器件同时导通，造成 电源短路，换流时，必须保证先关断、后开通。此时的杂散电感叩从直流端到器件的 引线电感上产生的感生电势，可能使器件损坏，因而需要选择合适的器件组成浪涌电压 吸收电路。 并联逆变器是恒流源供电，为避免滤波电抗厶上产生大的感生电势，电流必须连 续。也就是晚，必须保证逆变器上、下桥臂器件在换流时，是先丌通后关断。这时，虽 然逆变桥臂直通，由于厶足够大，也不会造成直流电源短路，但换流时问长，会使系 统效率降低，因而需要缩短换流时问。 ( 3 ) 串联逆变器启动容易，适用于频繁启动工作的场合；而并联逆变器需附加启动电路， 启动较为困难。 ( 4 1 串联谐振逆变器对负载槽路的巾线要求较低：并联谐振逆变器对负载槽路的靠线工 江南大学硕士学位论文 艺要求较高。 ( 5 ) 串联谐振逆变器对负载电路的补偿元件的耐压要求很高；并联谐振逆变器对负载电 路的补偿元件的耐压要求不高。 ( 6 ) 串联谐振逆变器工作时开关器件承受的电压仅为二极管正向导通压降；并联谐振逆 变器的开关器件承受反压比较大。 目前电流型逆变器中的高频器件必须串联二极管，增加了结构设计和安装的工作量 以及分布参数。另外由于电压型逆变器可以利用逆变调功，不必像电流型逆变器那样必 须采用可控整流或直流斩波，可见采用电压型逆变器的超声波电源在整体结构上更加简 洁。因此，我们采用电压型串联谐振逆变器。 2 4 功率控制方案比较 超声波清洗机工作时，换能器负载等效参数会发生变化，需要对负载进行功率调节。 根据逆变器的功率调节方式，可以将串联谐振逆变器的调功方法分为两种：( 1 ) 直流调 功：通过调节逆变器输入端直流电压的幅值来调节输出功率，一般采用直流斩波电路或 晶闸管相控整流电路来调节输出功率；( 2 ) 逆变调功：通过调节逆变器输出电压的频率 来调节负载功率因数，或调节输出电压的有效值的大小( 调节占空比) 来实现功率调节。 2 4 1 直流侧调功 ( 1 ) 相控整流调功 晶闸管相控整流调功是整流单元功率调节的主要方式，是目前使用较多的调功方式 之一【2 1 1 。采用晶闸管相控整流调功的超声波电源结构示意图如图2 - 9 所示，是通过调节 晶闸管不同的触发角，得到幅值大小不同的直流输出电压供给给逆变环节，从而改变逆 变器的输出功率。 h 负载 图2 - 9 相控整流调功结构图 f i g 2 - 9s t r u c t u r ed r a w i n go fp h a s ec o n t r o l l e dr e c t i f y i n g p o w e ra d j u s t m e n tc i r c u i t 这种调功方式技术成熟，成本较低，不足之处是触发角直接影响到网侧功率因数。 当相位控制角度较大时( 即深控) ，电路的的功率因数较低，换流的过程中电流出现畸 变，对于电网的污染较为严重，而且当故障出现时动态响应较慢【2 2 】。 ( 2 ) 直流斩波调功 直流斩波调功是直流单元功率调节的主要方式，不可控整流加p w m 斩波调功方式 的示意图如图2 1 0 所示，采用定频调宽方式，即固定周期兀改变斩波部分开关管的导 第二章超声波电源系统的主电路分析 通时间，改变就能控制斩波器输出电压平均值，即控制逆变器输入端直流电压的 大小，便可在直流侧实现调功。 这种方式可以获得较高的功率因数，但p w m 是工作在硬开关方式，开关损耗较大， 由于电路中电感的存在，将使开关管关断时承受较高的电压，而开关管的开关频率较高 有利于减小滤波电路中储能元件的体积。因此，在高频超声波电源中宜选用耗散功率大， 能承受较高电压且能在较高频率下工作的开关器件，i g b t 器件正好符合上述要求，是 比较理想的选择。随着z v s p w m 等软开关技术的发展，使p w m 斩波器的自关断器件 在零电压或者零电流开关【2 3 1 ，减少了开关损耗，加大这种调功方式的应用。 皴电 逆变器卜 不控整滤波 拓油照 流器器 1 1 二二 一工t 申掣军i 图2 - 1 0 直流斩波调功结构图 f i g 2 1 0s t r u c t u r ed r a w i n go f d cc h o p p e rp o w e ra d j u s t m e n tc i r c u i t 2 4 2 逆变侧调功 逆变侧调功即在逆变器侧通过对逆变环节功率器件开通、关断的控制改变逆变器输 出电压的参数从而实现对逆变器输出功率的调节。常见的逆变调功方法主要有脉冲频率 调制法( p f m ) 、脉冲密度调制法( p d m ) 、移相p w m 调制法。 ( 1 ) 频率调制( p f m ) 频率调制功率是最简单的一种调功方式，通过调节图2 5 中开关管的开关频率，从 而改变负载等效阻抗以达到调节输出功率的目的。在图2 5 中，串联谐振电路的等效阻 抗为： z = j o ) l 4 - 上+ r ( 2 1 ) j c 厂- 其实数部分为：i z l 2 砰+ ( 础一壶) 2 ( 2 2 0 - 5 1 0l j 艇频辜比值 图2 - 1 1 功率随开关频率变化曲线图 f i g 2 1 1r e l a t i o n s h i pc h a r to fp o w e ra n ds w i t c hf r e q u e n c y 1 3 江南大学硕士学位论文 由式2 2 可知，改变逆变器的工作频率可以改变负载的等效阻抗，从而达到功率调 节的目的。也就是说，负载的功率随着开关脉冲的频率变化而变化。图2 1 1 为一个典 型的负载功率随开关频率变化曲线图( 图中石为负载谐振频率：f 为负载工作频率；尸。 为负载谐振状态下的功率：p 为额定功率) 。 p f m 调功电路简单，控制容易，成本低，技术成熟，但功率因数低，效率低，调功 范围小，精度低，不适用于高频场合应用。 ( 2 ) 移相调制( p w m ) 在如图2 5 所示的电压型逆变电路中，采用移相控制方式是v t l 和v t 4 不同时导 通，v 1 1 先导通，v t 4 后导通，两者导通差q 电角，如图2 1 2 所示。其中v t l 和v t 3 分别先于v ，r 4 和y r 2 导通，故称v t l 和v t 3 组成的桥臂为超前桥臂，v ，r 4 和v 1 2 组 成的桥臂为滞后桥臂，电角平称为移相角p 。通过改变移相角9 来调节输出电压的占空 比