基于VAPAR的改进超声换能器阻抗匹配电路的研究

发布时间：2020-07-23 10:29

【摘要】：功率超声广泛应用于超声清洗、超声焊接、超声加工以及超声萃取等方面,这些应用取得了良好的社会效益和经济效益。而功率超声中的核心问题是如何把电能有效转化为机械能,因而功率超声的研究重点是超声电源以及换能器的匹配电路。随着电力电子器件以及电力电子技术的迅速发展,使得一些以前只能存在于理论中的拓扑结构具备了实际应用的基础。本文的主要研究的是超声换能器的匹配电路,提出一种基于可变有源-无源电抗(Variable Active-Passive Reactance,VAPAR)的电感-电容匹配电路。这种电路是在传统的电感-电容匹配电路的基础上,引入了一种可以较大幅度改变自身等效电感值的可变有源-无源电抗,其调谐性能优于普通的电感-电容匹配电路,而且对换能器谐振频率的偏移也有较强的适应性。文中从理论上分析了基于VAPAR的电感-电容匹配的电路的理论基础。先介绍超声换能器的集中参数等效电路模型,并引入导纳圆理论以简化分析。接着叙述了换能器的匹配理论并详细讨论了其中的串联电感匹配电路以及电感-电容匹配电路,指出当换能器的等效电路参数因外界影响而发生变化时,固定参数的匹配电路不足以满足电路的匹配要求,因此引入VAPAR对电路进行改进。继而介绍VAPAR的原理、电路拓扑结构以及控制方式,确定了以定时比较的控制方法对VAPAR的电流进行控制,并且对基于VAPAR的电感-电容匹配电路的整体系统进行了讨论。以理想线性方法从微观角度分析VAPAR之中的参数选择。这些参数包括辅助电感L_a的电感值、逆变器中直流电源的电压值及定时比较控制器的时基。从VAPAR的电路电流对指令电流的跟踪能力与跟踪误差宽度以及逆变器的换相这三个角度,分VAPAR所模拟电感量比辅助电感大与所模拟电感量比辅助电感小这两种情况,得出了VAPAR的理想参数不等式组。在该不等式组的基础上,结合实际的带负载的超声换能器,选择7个不同的频率点,分析理想情况下VAPAR所对应的电路状态,从而将基于VAPAR的电感-电容匹配电路系统的参数全部具体化。然后在Cadence PSpice A/D 16.6软件的环境下深化设计了该电路系统的各模块电路,并进行对电路系统进行仿真。仿真结果表明VAPAR能根据给定值变换自身的等效电感,对外表现出的等效电感值与给定值基本相符;因VAPAR所产生的电流谐波成分不多,能够正常使用;对于换能器等效电路参数的改变所引起的串联谐振频率偏移,普通电感-电容匹配在偏移量不大时可以起到一定的无功补偿作用,但在频率偏移量稍大时,其补偿能力不足,将VAPAR引入电感-电容匹配电路后,能加强匹配电路对系统无功功率的吸收能力,拓宽电路的工作频率范围。
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB552
【图文】：

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华南理工大学硕士学位论文器的工作频率远低于其内部固有谐振频率时，可以直接测得。另外，并联支路中还个用于表征换能器介质损耗的并联电阻 R0。当压电换能器工作在其固有谐振频率附近时，换能器电阻抗特性及机械特性随频率化而激烈变化，因此, 压电换能器在其固有谐振频率附近，还存在出等效的动态支这个动态支路是换能器的机械特性在电学上的反映。改串联支路中包含了动态电感态电容 C1，描述换能器机械损耗的动态电阻 R1’以及表示辐射能量的负载电阻 RL，不是真正的电学量, 而是从换能器的物理特性折算过来的等效参数。在实际应用中，常常将动态电阻 R1’和负载电阻 RL合并而成为一个表征换能器从电收电磁能量的动态电阻 R1。并且由于，为方便计算，可将并联电阻 R0忽略。可得到简化的等效电路，如图 2-2 所示，其对外等效为一个复阻抗 Zs。

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华南理工大学硕士学位论文 Y1向 Ys的平移矢量，一般而言，换能器的负载能力越强就越大，对于额定功率很大的超声换能器而言甚至可以将第一象限内。为在某一频率下，换能器对外等效的导纳复数值即为 Ys的值。由式（2-5）可知，当时，b1>0；当器的导纳矢量终端随频率的增大而沿顺时针方向移动。

【参考文献】