發(fā)布時(shí)間：2020-07-23 10:29

【摘要】：功率超聲廣泛應(yīng)用于超聲清洗、超聲焊接、超聲加工以及超聲萃取等方面,這些應(yīng)用取得了良好的社會效益和經(jīng)濟(jì)效益。而功率超聲中的核心問題是如何把電能有效轉(zhuǎn)化為機(jī)械能,因而功率超聲的研究重點(diǎn)是超聲電源以及換能器的匹配電路。隨著電力電子器件以及電力電子技術(shù)的迅速發(fā)展,使得一些以前只能存在于理論中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具備了實(shí)際應(yīng)用的基礎(chǔ)。本文的主要研究的是超聲換能器的匹配電路,提出一種基于可變有源-無源電抗(Variable Active-Passive Reactance,VAPAR)的電感-電容匹配電路。這種電路是在傳統(tǒng)的電感-電容匹配電路的基礎(chǔ)上,引入了一種可以較大幅度改變自身等效電感值的可變有源-無源電抗,其調(diào)諧性能優(yōu)于普通的電感-電容匹配電路,而且對換能器諧振頻率的偏移也有較強(qiáng)的適應(yīng)性。文中從理論上分析了基于VAPAR的電感-電容匹配的電路的理論基礎(chǔ)。先介紹超聲換能器的集中參數(shù)等效電路模型,并引入導(dǎo)納圓理論以簡化分析。接著敘述了換能器的匹配理論并詳細(xì)討論了其中的串聯(lián)電感匹配電路以及電感-電容匹配電路,指出當(dāng)換能器的等效電路參數(shù)因外界影響而發(fā)生變化時(shí),固定參數(shù)的匹配電路不足以滿足電路的匹配要求,因此引入VAPAR對電路進(jìn)行改進(jìn)。繼而介紹VAPAR的原理、電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以及控制方式,確定了以定時(shí)比較的控制方法對VAPAR的電流進(jìn)行控制,并且對基于VAPAR的電感-電容匹配電路的整體系統(tǒng)進(jìn)行了討論。以理想線性方法從微觀角度分析VAPAR之中的參數(shù)選擇。這些參數(shù)包括輔助電感L_a的電感值、逆變器中直流電源的電壓值及定時(shí)比較控制器的時(shí)基。從VAPAR的電路電流對指令電流的跟蹤能力與跟蹤誤差寬度以及逆變器的換相這三個(gè)角度,分VAPAR所模擬電感量比輔助電感大與所模擬電感量比輔助電感小這兩種情況,得出了VAPAR的理想?yún)?shù)不等式組。在該不等式組的基礎(chǔ)上,結(jié)合實(shí)際的帶負(fù)載的超聲換能器,選擇7個(gè)不同的頻率點(diǎn),分析理想情況下VAPAR所對應(yīng)的電路狀態(tài),從而將基于VAPAR的電感-電容匹配電路系統(tǒng)的參數(shù)全部具體化。然后在Cadence PSpice A/D 16.6軟件的環(huán)境下深化設(shè)計(jì)了該電路系統(tǒng)的各模塊電路,并進(jìn)行對電路系統(tǒng)進(jìn)行仿真。仿真結(jié)果表明VAPAR能根據(jù)給定值變換自身的等效電感,對外表現(xiàn)出的等效電感值與給定值基本相符;因VAPAR所產(chǎn)生的電流諧波成分不多,能夠正常使用;對于換能器等效電路參數(shù)的改變所引起的串聯(lián)諧振頻率偏移,普通電感-電容匹配在偏移量不大時(shí)可以起到一定的無功補(bǔ)償作用,但在頻率偏移量稍大時(shí),其補(bǔ)償能力不足,將VAPAR引入電感-電容匹配電路后,能加強(qiáng)匹配電路對系統(tǒng)無功功率的吸收能力,拓寬電路的工作頻率范圍。
【學(xué)位授予單位】：華南理工大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TB552
【圖文】：

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文器的工作頻率遠(yuǎn)低于其內(nèi)部固有諧振頻率時(shí)，可以直接測得。另外，并聯(lián)支路中還個(gè)用于表征換能器介質(zhì)損耗的并聯(lián)電阻 R0。當(dāng)壓電換能器工作在其固有諧振頻率附近時(shí)，換能器電阻抗特性及機(jī)械特性隨頻率化而激烈變化，因此, 壓電換能器在其固有諧振頻率附近，還存在出等效的動態(tài)支這個(gè)動態(tài)支路是換能器的機(jī)械特性在電學(xué)上的反映。改串聯(lián)支路中包含了動態(tài)電感態(tài)電容 C1，描述換能器機(jī)械損耗的動態(tài)電阻 R1’以及表示輻射能量的負(fù)載電阻 RL，不是真正的電學(xué)量, 而是從換能器的物理特性折算過來的等效參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，常常將動態(tài)電阻 R1’和負(fù)載電阻 RL合并而成為一個(gè)表征換能器從電收電磁能量的動態(tài)電阻 R1。并且由于 ，為方便計(jì)算，可將并聯(lián)電阻 R0忽略�？傻玫胶喕牡刃щ娐�，如圖 2-2 所示，其對外等效為一個(gè)復(fù)阻抗 Zs。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文器的工作頻率遠(yuǎn)低于其內(nèi)部固有諧振頻率時(shí)，可以直接測得。另外，并聯(lián)支路中還個(gè)用于表征換能器介質(zhì)損耗的并聯(lián)電阻 R0。當(dāng)壓電換能器工作在其固有諧振頻率附近時(shí)，換能器電阻抗特性及機(jī)械特性隨頻率化而激烈變化，因此, 壓電換能器在其固有諧振頻率附近，還存在出等效的動態(tài)支這個(gè)動態(tài)支路是換能器的機(jī)械特性在電學(xué)上的反映。改串聯(lián)支路中包含了動態(tài)電感態(tài)電容 C1，描述換能器機(jī)械損耗的動態(tài)電阻 R1’以及表示輻射能量的負(fù)載電阻 RL，不是真正的電學(xué)量, 而是從換能器的物理特性折算過來的等效參數(shù)。在實(shí)際應(yīng)用中，常常將動態(tài)電阻 R1’和負(fù)載電阻 RL合并而成為一個(gè)表征換能器從電收電磁能量的動態(tài)電阻 R1。并且由于 ，為方便計(jì)算，可將并聯(lián)電阻 R0忽略�？傻玫胶喕牡刃щ娐�，如圖 2-2 所示，其對外等效為一個(gè)復(fù)阻抗 Zs。

華南理工大學(xué)碩士學(xué)位論文 Y1向 Ys的平移矢量，一般而言，換能器的負(fù)載能力越強(qiáng)就越大，對于額定功率很大的超聲換能器而言甚至可以將第一象限內(nèi)。 為在某一頻率下，換能器對外等效的導(dǎo)納復(fù)數(shù)值即為 Ys的值。由式（2-5）可知，當(dāng) 時(shí)，b1>0；當(dāng)器的導(dǎo)納矢量終端隨頻率的增大而沿順時(shí)針方向移動。

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2767203