Scientific journal
Modern problems of science and education
ISSN 2070-7428
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,791

DEVELOPMENT OF THE POWER SUPPLY OF ULTRASONIC PYEZOKERAMICHESKY OF THE RADIATOR

Akhmedova O.O. 1
1 Kamyshinsky institute of technology (branch) of VolgGTU
Основными источниками акустических колебаний являются излучатели на основе пьезокерамики. Пьезокерамические излучатели обычно работают на мощностях до 1 кВт. Питание данных излучателей осуществляется от ультразвуковых генераторов, которые могут работать в двух режимах: ключевом и линейном. Условию оптимизации согласующейся цепи при выполнении указанных критериев, а именно – минимальной массе, стабильности коэффициента передачи основной гармоники при изменении сопротив-ления нагрузки и максимальном коэффициенте мощности удовлетворяет схема с неявной продольной и поперечной компенсацией. Для повышения эффективности ультразвукового воздействия на сточные воды применяется амплитудная модуляция. Работа ультразвукового преобразователя на воду в непрерывном режиме приводит к тому, что около его излучающей поверхности на низких частотах образуется экраниру-ющая область, которая состоит из множества пульсирующих и кавитационных пузырьков.
The main sources of acoustic fluctuations are radiators on a basis piezoelectric ceramics. Pyezokeramichesky radiators usually work at powers up to 1 kW. A food of these radiators is carried out from ultrasonic generators which can work in two modes: key and linear. To condition of optimization of a consistent chain when performing the specified criteria, namely the minimum weight, stability of coefficient of transfer of the main harmonica at change of resistance of loading and the maximum power factor the scheme, with implicit longitudinal and cross compensation satisfies. Amplitude modulation is applied to increase of efficiency of ultrasonic impact on sewage. Operation of the ultrasonic converter on water in a continuous mode leads to that about its radiating surface at low frequencies the shielding area which consists of a set of pulsing and cavitational bubbles is formed.
acoustic fluctuations
ultrasonic influence
cavitation
power supplies

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.