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    前言

    在石油、化工、冶金或制藥領(lǐng)域，其生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)中會(huì)有大量的熱交換器以及介質(zhì)輸送管，而金屬管道內(nèi)的除垢與防垢問題，一直是國(guó)內(nèi)外眾多產(chǎn)業(yè)部門多年來(lái)未能介決的難題。目前普遍采用的是化學(xué)藥劑除垢、離子交換樹脂防垢，高壓水槍清洗等方法，但由于該類方法技術(shù)陳舊、因而成效不明顯。近年來(lái)，雖然也出現(xiàn)了用超聲波清洗技術(shù)，但由于可靠性技術(shù)沒有解決，故此類設(shè)備或裝置不是故障維修率高就是壽命短實(shí)用性差，無(wú)法解決管道污垢的清洗問題。隨著半導(dǎo)體功率器件集成控制技術(shù)的發(fā)展，一種新型模塊化的高聲強(qiáng)度高可靠超聲波管道清洗機(jī)已經(jīng)聞世，正在各個(gè)領(lǐng)域被應(yīng)用。

    超聲波管道清洗

    超聲波清洗機(jī)是通過超聲波發(fā)生器將高于頻率為20KHz的震蕩信號(hào)進(jìn)行電功率放大后經(jīng)超聲波換能器（震頭）的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動(dòng)能量通過清洗液體中的聲幅射，使清洗液體分子振動(dòng)并產(chǎn)生無(wú)數(shù)微小空穴和氣泡. 并沿超聲波傳播方向在負(fù)壓區(qū)形成、生長(zhǎng)，并在正壓區(qū)迅速閉合而產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓的間瞬間高壓而爆破，形成無(wú)數(shù)微觀高壓沖擊波作用于管道璧的成垢雜質(zhì)并將此粉碎。此即稱之謂超聲波清洗中的“空化效應(yīng)”. 超聲波管道清洗機(jī)就是基于“空化效應(yīng)” 技術(shù)而工作的。從“空化效應(yīng)” 可知空穴和氣泡是在液體中施加高頻（超聲頻率）、高強(qiáng)度的聲波而產(chǎn)生的.為此任何管道超聲波管道清洗機(jī)的組成都必須具備二個(gè)基本部件：高頻高壓大功率電信號(hào)的超聲波發(fā)生器、以及能將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能（即壓電逆效能）并經(jīng)液體流通過的管道式高聲強(qiáng)換能器。

    高聲強(qiáng)度超聲波管道清洗機(jī)主要由高頻高壓大功率電信號(hào)的超聲波發(fā)生器（或稱信號(hào)源）、傳輸電纜、管道式高聲強(qiáng)壓電換能器組成，其換能器放置于管道內(nèi)。

    其工作過程是這樣: 當(dāng)液體圍繞換能器流過，超聲波發(fā)生器產(chǎn)生高頻（22-25KHz）高壓（100-120V）大功率1000W的電功率信號(hào)，經(jīng)電纜傳輸?shù)綋Q能器，由換能器實(shí)現(xiàn)電、機(jī)、聲的轉(zhuǎn)換并發(fā)出超聲波。而超聲波管道清洗機(jī)除垢防垢的作用，主要是利用超聲波高聲強(qiáng)場(chǎng)“空化效應(yīng)”處理介質(zhì)而獲得，成垢物質(zhì)在強(qiáng)聲場(chǎng)“空化效應(yīng)”作用下，其物理和化學(xué)性能發(fā)生一系列變化，導(dǎo)致成垢物脫落，并在這一強(qiáng)大的壓力峰分散成細(xì)粉末狀，形成松散而不易板潔的沉積物, 懸浮于液體介質(zhì)中. 理論和實(shí)踐測(cè)算，對(duì)液體加以頻率為20KHz, 功率為 的超聲波時(shí)，可發(fā)生空化的氣泡數(shù)為5×，其局部增壓峰值數(shù)百甚至上千大氣壓。

    管道式壓電換能器主要指標(biāo)為：

    * 靜態(tài)電容為(25℃)3--100nf;

    * 機(jī)械品質(zhì)因素2-10;

    * 絕緣電阻1000MΩ;

    * 壓電晶體耐壓1200V; 

    * 諧振頻率22-25KHz; 

    * 允許介質(zhì)溫度≤135℃

    實(shí)踐證明，該換能器技術(shù)比賽成熟主要指標(biāo)能得到保證,而要確保超聲波管道清洗機(jī)性能的高可靠高聲強(qiáng)其關(guān)鍵是高頻高壓大功率的超聲波發(fā)生器，這是因?yàn)榉至⑹礁哳l高壓大功率開關(guān)電源實(shí)用性差。

    由于換能器需要的超聲波發(fā)生器。均必須是高頻高壓大功率開關(guān)電源，雖然此類開關(guān)電源均是用單個(gè)集成電源控制芯片和MOSFET或IGBT大功率全橋式組成，但還是多個(gè)分立元器件的組合, 連線間分布電容所形成的尖峰干擾時(shí)刻或特別在大負(fù)載開閉情況下會(huì)造成大功率管的擊穿或燒毀，故此類開關(guān)電源非但效率低，而且故障率高、難維護(hù)、壽命短、實(shí)用性差。為徹底改變此現(xiàn)狀，最緊迫的是應(yīng)用高可靠模塊化的高頻高壓大功率開關(guān)電源。 

    我們采用了日本聯(lián)美蘭達(dá)（NEMIC -LAMBDA）公司產(chǎn)的PF1000A-360型AC/DC功率變換模塊和IPM-4M型全橋式DC/AC高頻大功率變換模塊并將其前后級(jí)相連又與高頻大功率脈沖變壓器T等一起組合而成新型模塊式高頻(22-25)KHz 高壓(100V-120V)大功率（1000W）開關(guān)電源, 并作為超聲波發(fā)生器（或稱信號(hào)源)與換能器匹配組合成高聲高強(qiáng)度超聲波管道清洗機(jī)。

    高頻高壓大功率開關(guān)電源設(shè)計(jì)

    對(duì)高頻高壓大功率開關(guān)電源由前級(jí)AC-DC和后級(jí)DC-AC(直流高壓逆變成高頻高壓) 兩大主要部分組成。 

    按目前常規(guī)的設(shè)計(jì)，前級(jí)AC-DC往往采用市電220v交流輸入經(jīng)整流濾波；而后級(jí)采用電源管理IC（電源控制芯片）和全橋大功率管(MOSFTT管或IGBT管) 及脈沖大功率變壓器一起組成的零電壓開通、關(guān)斷的諧振電路 （ZVS）拓?fù)浞绞絹?lái)實(shí)現(xiàn)DC-AC。

    這種分立組合式的設(shè)計(jì)有較大缺陷。

    雖然電源管理器(控制芯片IC)功能很強(qiáng)，但由于仍屬分立組合,故制作調(diào)試煩瑣，特別是與大功率管連接的功率驅(qū)動(dòng)部分往往都是小型高頻變壓器與驅(qū)動(dòng)三極管的合成，所以在負(fù)載匹配上經(jīng)常出現(xiàn)由于連線分布電容和電感所形成的尖峰脈沖擊穿或燒毀器件。

    進(jìn)行AC-DC, 是將輸入交流的220V市電變換成直流高壓(320V-350V)的大功率變換，若是采用一的般的橋式整流加濾波，則在交流電源一個(gè)周期內(nèi)，其整個(gè)開關(guān)電源只有很短時(shí)間從交流電源吸取電流，輸入脈沖電流的峰值很大，它含有非常高的諧波分量（三次諧波尤為突出），由于只有輸入電流的基波分量才能產(chǎn)生有功功率，因此功率因素很低，同時(shí)，諧波電流還會(huì)嚴(yán)重污染電網(wǎng)，并干擾其它設(shè)備。

    采用模塊化技術(shù)是克服上述缺陷的最有效設(shè)計(jì)。前級(jí)AC-DC大功率變換為了提高功率因素，限制電流畸變和諧波，必須采用功率因素校正（PFC）技術(shù)，即具有諧波和功率因素校正及各種過壓、過流等保護(hù)功能的功率變換模塊電路。

    據(jù)此，采用了PF-1000A-360型AC-DC大功率變換模塊，將交流(AC)輸入220V變換成直流(DC)360V。交流輸入220v加到PF功率變換模塊的輸入引腳AC(L火線)和AC(N零線)，經(jīng)功率因素和諧波校正后, 從PF模塊的引腳+U0和-Uo輸出。

    后級(jí)DC-AC的設(shè)計(jì),是采用IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊, 應(yīng)用美國(guó)IR公司的功率器件和貼片工藝生產(chǎn)。用戶可以簡(jiǎn)單方便地直接利用它或其組合設(shè)計(jì)制作，成各類高頻大功率開關(guān)電源。

    IPM-4M全橋式DC-AC高頻大功率變換模塊特性有：

    * 具有功能較強(qiáng)的電源管理器電路（電源控制芯片），即電流型PWM及輔助保護(hù)電路。

    * 內(nèi)含IC驅(qū)動(dòng)電路代替脈沖變壓器隔離。

    * 采用全橋DC-AC變換器。
    
    * 應(yīng)用P1電流檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)恒流控制。

    * 具有輔助電源供電流型PWM及輔助保護(hù)電路。

    模塊式高頻(22-25KHZ)高壓(100V-120V)大功率（1000W）高頻開關(guān)電源的電路

    技術(shù)要求

    ?輸入電壓：交流220V

    ?輸出脈沖電壓：幅值為100V-120V、頻率f為(22-25)KHz±1%，占空比D0.4-0.5，可調(diào)。

    ?輸出功率:1000W

    從該高頻高壓大功率開關(guān)電源可看出該開關(guān)電源由前級(jí)IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率變換模塊和后級(jí)IC2的DC/AC IPM-4M 模塊相連并與高頻大功率脈沖變壓器T等三大部分一起組合而成, 即成為超聲波管道清洗機(jī)的信號(hào)源（超聲波發(fā)生器）。

    模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源的工作調(diào)試過程：

    合上進(jìn)線交流電源220V后，當(dāng)IC1的(AC/DC)PF-1000A-360型變換模塊輸出電壓為直流360V并加于IPM-4M(DC/AC) 模塊IC2的P1、P4引腳上時(shí)，則輸出脈沖變壓器(功率應(yīng)大于1200W)T的初級(jí)二端P2與P3上(接自IPM-4M模塊全橋型功率管對(duì)角線端)將并獲得360V高頻(22-25)KHz脈沖電壓。

    脈沖輸出電壓取決于大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2端不同的匝數(shù),可獲得的幅值為100V-120V的脈沖電壓。

    IC2的P2、P3引腳上有脈沖波形輸送,調(diào)整W3便可看到脈寬變化。
    
    當(dāng)K1、K2在斷開位置，頻率計(jì)顯示模塊標(biāo)稱頻率22KHz。當(dāng)合K1上時(shí)，減少W1阻值，頻率將向高端變化。當(dāng)K2合上時(shí)，增加W1阻值，頻率將向低端變化。根據(jù)需要來(lái)決定使用參數(shù)。
    
    調(diào)整W3，可改變穩(wěn)定的輸出電壓的幅值。

    調(diào)整W2，可改變輸出電流輸出值。這個(gè)功能不用時(shí)可懸空。

     當(dāng)大功率脈沖變壓器T次級(jí)N2輸出的100v-120v的脈沖波電壓加到LC諧振電路( 其L為可調(diào)高頻電感線圈, C為超聲波換能器的等效電容,由此則組成LC諧振器), 通過調(diào)整高頻電感線圈L可使諧振器得到串聯(lián)諧振，其諧振頻率f0為換能器固有頻率 并在電容C(換能器)兩端將獲得諧振后的高壓高頻(22-25 KHz)正弦波。以上整個(gè)過程實(shí)現(xiàn)了從AC-DC再?gòu)腄C-AC高頻(22-25 KHz) 高壓(100V-120V) 大功率(1000W) 的輸出。

    結(jié)語(yǔ)

    (AC-DC)PF-1000A-360模塊與(DC-AC)IPM-4M模塊組合成的新型模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源其設(shè)計(jì)、調(diào)試、制作簡(jiǎn)單方便，實(shí)踐證明與由PF-1000A-360模塊和移相諧振軟開關(guān)PWM全橋控制芯片ML4818及MOSFET大功率管分立組合應(yīng)用方案相比較,該模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源作為信號(hào)源(或稱超聲波發(fā)生器)經(jīng)與大功率超聲波換能器配套反復(fù)使用和現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行，其性能穩(wěn)定可靠，徹底克服了以往用單個(gè)集成和分立式大功率管組合而成的開關(guān)電源那種經(jīng)常被燒毀、擊穿及故障率高、維修難等不足之處，經(jīng)反復(fù)使用，該新型模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)了高效率（效率達(dá)95%以上）高可靠免維護(hù)，是屬新一代高頻高壓大功率開關(guān)電源技術(shù)和產(chǎn)品。