Основными источниками акустических колебаний являются излучатели на основе пьезокерамики. Пьезокерамические излучатели обычно работают на мощностях до 1 кВт [4], [3]. Питание данных излучателей осуществляется от ультразвуковых генераторов, которые могут работать в двух режимах: ключевом и линейном.

Основными параметрами пьезокерамики, применяемой в качестве ультразвуковых преобразователей, являются:

1) пьезомодуль d33,

2) модуль Юнга Е,

3) диэлектрическая проницаемость ε,

4) тангенс угла диэлектрических потерь tgδ,

5) зависимость пьезомодуля и тангенса угла диэлектрических потерь от температуры и напряженности электрического поля,

6) стабильность физических параметров во времени.

После анализа применяемых пьезоэлектрически веществ можно сделать следующие выводы, что высокими качественными показателями обладают твердые растворы цирконата-титана свинца. Керамике цирконата-титана свинца присущ больший пьезомодуль, по сравнению с титаном бария, он имеет малые диэлектрические потери в сильных электрических полях и обладает высокой точкой Кюри.

Для обеспечения оптимального режима работы источника питания необходимо произвести согласование ультразвукового генератора с подключенной к нему нагрузкой, это производится с учетом стабилизации коэффициента передачи основной гармоники при изменении сопротивления нагрузки, коэффициента мощности и массогаборитных показателей.

Жесткость внешней характеристики согласующей цепи является важным параметром, так как эквивалентное электрическое сопротивление ультразвукового излучателя может изменяться в течение технологического процесса в десять раз и более [12].

В качестве согласующихся цепей наиболее эффективно использовать фильтры нижних частот (ФНЧ) [1], [5], [6].

На рис. 1 приведена схема согласующихся цепей Г-образного LC-фильтра нижних частот, из которой исключается продольная и/или поперечная компенсации [5].

Рис. 1. Схема согласующихся цепей

На рис. 2.10 представлена схема возбуждения излучателя

Рисунок 2. Схема возбуждения пьезокерамического преобразователя

Из рис. 2 следует, что подобную нагрузку необходимо питать переменным напряжением, так как при питании постоянным напряжением произойдет заряд емкостей С и Сэл , из-за чего перестанет течь электрический ток и соответственно затухнут механические колебания пьезокерамического излучателя.

На рис. 3 показано возбуждение пьезокерамического излучателя однократным импульсом напряжения.

Рис. 3. Процесс возбуждения излучателя однократным импульсом напряжения

При возбуждении излучателя прямоугольным напряжением ток имеет большую часть высших гармоник и большой ток перезаряда собственной электрической ёмкости, что приводит к нагреву пьезокерамического излучателя и к динамическим потерям в вентильных элементах источника питания.

Определим коэффициент передачи напряжения первой гармоники

(1)

где Zпос – полное сопротивление последовательной ветви фильтра, равное

(2)

Gпар – проводимость параллельной ветви фильтра, равное

(3)

Для оценки поперечной и продольной компенсации применим следующие коэффициенты

(4)

(5)

Тогда

(6)

где ,

– эквивалентное электрическое сопротивление механической ветви LnCnRn при работе её на резонансе.

Схема, представленная на рис. 2.9, обладает коэффициентом передачи KU=1 во всем диапазоне изменения сопротивления нагрузки.

Основным параметром, характеризующим энергетические свойства согласующихся цепей, является коэффициент мощности χ.

(7)

где P – активная мощность ультразвуковых колебаний в первой гармонике, равная

(8)

где I21д – действующее значение тока первой гармоники через нагрузку; U21д – напряжение первой гармонике на нагрузке; S – полная мощность согласующейся цепи.

Мощностью колебаний высших гармоник не принимается, так как она преобразуется в тепло [1,4].

Прямоугольное выходное напряжение с одним импульсом в полупериоде и паузой в нуле содержит нечетные гармоники с номером n, напряжение которых определяется [5]

(9)

где Um – амплитуда прямоугольного напряжения; γ – относительная длительность импульса прямоугольного напряжения, равная

(10)

где tи – длительность импульса; Т – период повторения импульсов.

Определяется действующее значение напряжения первой гармоники на нагрузке

(11)

где Uвх1д – действующее напряжение первой гармоники во входном прямоугольном напряжении; КU1 – коэффициент передачи, согласующийся цепи для первой гармоники.

Полная мощность цепи равна среднеквадратичному значению входной мощности всех гармоник

(12)

где Uвх.д – действующее значение входного напряжения, равное для прямоугольной характеристики с паузой в нуле

Действующее значение входного тока равно среднеквадратичному значению всех гармоник, его составляющих [8]

(13)

Входной ток n-й гармоники

(14)

где Uвх.д.n – входное действующее напряжение n-й гармоники; Zвх.п – входное сопротивление согласующей цепи с учётом нагрузки Rн для n-й гармоники.

Определяется для схемы, представленной на рис. 1, комплексное входное сопротивление для первой гармоники

(15)

Модуль входного сопротивления согласующей цепи для n-й гармоники

(16)

С учётом выше приведённых формул определяется полная мощность

(17)

Тогда коэффициент мощности будет равен

(18)

Зависимости коэффициента мощности χ от относительной частоты ω, для различных вариантов согласующейся цепи при γ=1, представлены на рис. 4.

Рис. 4. Для различных вариантов схем зависимость коэффициента мощности от изменения относительной частоты

Следовательно, наибольший коэффициент мощности имеет схема с полной продольной и поперечной компенсацией, при а1=1 и а2=1.

При увеличении нагрузки содержание высших гармоник во входном токе согласующейся цепи увеличивается, что приводит к снижению коэффициента мощности, из-за снижения первой гармоники и, как следствие, роста относительного содержания высших гармоник и снижения модуля суммы проводимости параллельной ветви согласующейся цепи и нагрузки и, как следствие, увеличение коэффициента передачи высших гармоник [5], [7].

На рис. 5 показаны зависимости коэффициента мощности от изменения нагрузки для цепей с различной компенсацией.

Рис. 5. Зависимость коэффициента мощности от изменения нагрузки для согласующихся цепей с различной компенсацией

Из выше представленных зависимостей можно сделать вывод, что схема, изображенная на рис. 1, обладает наилучшим сочетанием коэффициента передачи напряжения первой гармоники и коэффициентом мощности с полной продольной и поперечной компенсацией.

Рецензенты:

Артюхов И. И., д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А., г. Саратов.

Угаров Г. Г., д-р техн. наук, профессор кафедры «Электроснабжение промышленных предприятий», Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю. А., г. Саратов.