新型超聲波管道清洗機(jī)

1、 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，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 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)根本部件：高頻高壓大功 【電路圖】新型超聲波管道清洗機(jī)與模塊化電源的應(yīng)用 在石油、化工、冶金或制藥領(lǐng)域，其生產(chǎn)現(xiàn)場中會(huì)有大量的熱交換器以及介

2、質(zhì)輸送管，而金屬管道內(nèi)的除垢 與防垢問題，一直是國內(nèi)外眾多產(chǎn)業(yè)部門多年來未能解決的難題。 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，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)的開展， 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 空化效

3、應(yīng)。超 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。 從圖1可以看出，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 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 空化效應(yīng)處理介質(zhì)而獲得，成垢物質(zhì)在強(qiáng)聲場 空化效應(yīng)作 用下，其物理和化學(xué)性能發(fā)生一系列變

4、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)踐測算，對(duì)1cm3液體加以頻率為20KHz、功率為50W/cm2 的超聲波時(shí)，可發(fā)生空化的氣泡數(shù)為 5X104/S ,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 3100nf(25 C )； 機(jī)械品質(zhì)因素2-10; 絕緣電阻1000& ; 圖1超聲波管道除垢清洗機(jī)示意圖 (信號(hào)源)、傳輸 壓電晶體耐壓 1200V ; 諧振頻率2225KHz ; 允許介質(zhì)溫度 135C。 確保超聲波管道清洗機(jī)性能的高可靠高聲強(qiáng)的關(guān)鍵是高頻高壓大功率的超聲波發(fā)

5、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。 我們采用聯(lián)美蘭達(dá)公司的 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

6、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 22-25KHz?高壓 100V-120V大功率1000W開關(guān)電源，并作為超聲波發(fā)生器 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) 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局部組成。 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?式來實(shí)現(xiàn)DC-AC見圖2。 這種分立組合式的設(shè)計(jì)有較大缺陷。

7、? 雖然電源管理器功能很強(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)局部 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，假設(shè)是采用一般的橋式 整流加濾波，那么在交流電源一個(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)，

8、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(圖3),將交流輸入220V變換成直流360V。交流 輸入220V加到PF功率變換模塊的輸入引腳 L火線和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。 圖4新型DC/AC全橋式高頻功率模塊(IPM-4M) 結(jié)構(gòu)原理圖 圖5新型模塊式高頻(22-25KHZ)高壓 (100

9、V-120V)大功率(1000W)開關(guān)電源圖 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(見圖4),?應(yīng)用IR公司的功率器件和貼片工 藝生產(chǎn)。用戶可以簡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。 ( 2A tVt g n 寸SEI Ci O 4TSVB X TO&i /&Jdr a 理財(cái)誠共齊 g 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，實(shí)現(xiàn)恒流控制。 具

10、有輔助電源供電流型 PWM及輔助保護(hù)電路。 模塊式高頻高壓大功率高頻開關(guān)電源電路 技術(shù)要求 輸出脈沖電壓：幅值為 100V-120V、頻率為2225KH壯1% ,占空比0.4-0.5 ,可調(diào)。 輸出功率:1000W 從圖5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等三大局部一起組合而成，？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： 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IP

11、M-4M(DC/AC)? 模塊IC2的P1、P4 弓I腳上時(shí)，那么輸出脈沖變壓器 (功率應(yīng)大于1200W)T的初級(jí)二端P2與P3上將獲得360V高頻2225KHz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。該高頻高壓大功率開關(guān)電源框圖示于圖 5。 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

12、100V120V的脈沖電壓加到 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，由此那么組成 LC諧振器，見圖5右上角虛線所示)，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)了高頻 (22-25?KHz)?高壓(100V-120V)?大功率(1000W)?的輸出。 結(jié)語 PF-1000A-360模塊與IPM-4M模塊組合成的新型模塊式高頻高壓大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)、調(diào)試、制作簡單方便， 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