功率—超声波
功率超声波运用

功率超声-超声波发生器

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作者:张睿能科技有限公司来源:张睿能科技有限公司网址:http://www.sonicindustry.net/
文章附图

  超声波发生器是功率超声核心作用是把市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号,驱动超声波换能器工作。大功率超声波从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。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。

发展历史:

  20世纪60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,我国的超声波电源也经历了电子管、晶闸管、晶体管、VMOS和IGBT的发展过程。20世纪70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。20世纪70年代到80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20kHz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VMOS电源。VMOS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20kHz以下使用。因此,VMOS管和晶体三极管一般适用于小功率超声波电源。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)大功率,高频化。随着功率器件MOSFET、IGBT、MCT、IGCT的发展,将来的超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。随着超声波发生器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,具有全数字化超声波电源成为下一代发展目标。

频率跟踪:

   为了使超声换能器高效率的工作并发挥超声加工的优越性,要求振动系统工作在谐振状态 。一般换能器振动系统工作前, 可通过调节超声波发生器的电频率来满足系统处于共振的工作条件。但是在实际加工中, 由于负载的变化、系统发热等一系列因素的影响,使振动系统的固有频率发生变化, 此时若不及时调整换能器的电源频率(即不采用自动频率跟踪),振动系统将工作在非谐振状态, 从而使其输出振幅减小,造成加工质量下降,当失谐严重时,超声振动加工的优越性消失。因此需要超声发生器具有自动调节频率的性能,即通常称作自动频率跟踪。

    所谓自动频率跟踪,是指在加工过程中当由换能器、变幅杆、刀具等组成的振动系统在外界因素影响下其固有振动频率发生变化时,控制系统能立即发现变化后的固有频率并及时调整供电频率与变化后的固有频率相同使振动系统始终工作在谐振状态,以维持振动系统的最大振幅。超声加工中的自动频率跟踪问题得到国内外学者及应用领域的广泛重视。频率跟踪的方法很多,其中较为普遍的方法:一种是自激式,另一种是他激式。自激式线路简单、成本低,但可靠性差,不容易起振;他激式线路复杂一些, 但可靠性好,并且频率自动跟踪能力强,但是不能实时控制。随着锁相技术的不断成熟,锁相环技术也正在应用于超声波发生器中。目前使用的锁相环可以分为模拟锁相环、数字锁相环、全数字锁相环和软件锁相环等几种。随着虚拟无线电技术的出现,软件锁相环得到了越来越广泛的应用。但是与其他类型锁相环相比,其基本原理并没有太大变化,只是在数学模型、参数设计和实现方式方面存在差异。

振幅控制:

  频率跟踪的超声波发生器还要要求:恒振幅功能及振幅的无级可调。恒振幅功能,它能保证焊接的一致性,为稳定生产的关键;振幅的无级可调是保障设备用途的基本。

   在工业生产中超声波换能器工作过程中即使频率跟踪良好,超声波发生器供入交流电压的变化、超声波从空载到负载从几十瓦到几千瓦在几毫秒内瞬间变化,使得超声波换能器的振幅和功率随之改变换能器达不到高效工作状态,使得超声波加工出来的产品不一致,对于超声波设备普遍存在的问题。为了适应工业生产过程中,发生器传输给换能器的超声频电能不受负载功率与及输入电压的变化而改变发生器在自动调整振幅,及恒定振幅功能