Ультразвуковые генераторы
Одной из ответственных частей УЗ аппарата является электронный генератор – устройство, предназначенное для преобразования энергии электрической промышленной сети в энергию электрических колебаний ультразвуковой частоты.Решение проблемы автоматической подстройки параметров генератора при всех возможных изменениях параметров обрабатываемых сред и разработка электрического генератора для специализированного ультразвукового станка является сложной проблемой.
Наиболее интересной и перспективной является схема генератора с независимым возбуждением и автоматической подстройкой частоты.
К достоинству таких схем относятся все достоинства схем генераторов с независимым возбуждением, плюс к этому добавляется возможность автоматической подстройки частоты в соответствии с изменением механической частоты колебательной системы.
Однако у всех разработанных к настоящему времени генераторов с автоподстройкой частоты есть следующие общие недостатки:
1. Ограничение по максимальной развиваемой мощности, обусловленное длительным временем рассасывания зарядов в базах современных высоковольтных транзисторов при протекании больших токов.
2. Диапазон перестройки рабочей частоты генератора меньше возможного диапазона изменения собственной рабочей частоты колебательной системы.
3. Ограниченный диапазон изменения или полное отсутствие регулировок выходной мощности генераторов.
4. Полное отсутствие или недостаточное быстродействие систем автоматического поддержания амплитуды механических колебаний колебательной системы.
5. Отсутствие систем защиты от нерегламентных режимов работы;
6. Отсутствие ультразвуковых колебательных систем, способных обеспечить максимально эффективное согласование выходного электрического сопротивления электрического генератора и механического сопротивления обрабатываемых сред в широком диапазоне.
7. Снижение производительности (эффективности ультразвукового воздействия) при изменении влияния обрабатываемых сред даже при наличии системы автоматической подстройки рабочей частоты.
На основании результатов создания электронных генераторов для ультразвуковых аппаратов и исследований, проведенных выше, был разработан электрический генератор, позволяющий исключить перечисленные недостатки.
Это стало возможным за счет обеспечения автоматической подстройки режимов работы электронной схемы генератора при всех возможных изменениях условий ультразвукового технологического воздействия, при использовании различных колебательных систем с большим числом разнообразных инструментов [13,14].
Рассмотрим структурную схему, представленную на рисунке 2.15.
Электронный генератор включает в себя:
1 - фазовый компаратор;
2 – генератор, управляемый напряжением;
3– выходные каскады УЗ генератора;
4 – электрический LC контур;
5 – ультразвуковую колебательную систему;
6 – устройство, фиксирующее амплитуду напряжения на колебательной системе;
7- датчики для снятия сигналов обратной связи;
8 – регулятор;
9 – тиристорный регулятор;
10 – устройство для формирования уставки, задающей стабилизируемую мощность;
11 – блок питания низковольтной части;
12 – устройство защиты и автоматики.
При включении УЗ станка низковольтная часть его питается с помощью источника питания 11, блок автоматики 12 запускает генератор 2 на максимально возможной частоте из диапазона перестройки генератора, и тот начинает поиск резонансной частоты колебательной системы. Это происходит следующим образом: сигнал с выхода генератора 2 подается на выходные ключевые каскады 3, этот же сигнал (опорный) поступает на один из входов фазового компаратора 1, на ключевые каскады нагружен колебательный контур 4, резонанс которого близок к резонансной частоте механической колебательной системы. Работая как фильтр, контур 4 выдает первую гармонику прямоугольного сигнала, который на него подается, то есть на колебательную систему подается синусоидальное напряжение.
В электрическую цепь питания колебательной системы включены датчики 7 для снятия сигналов обратной связи. Один из датчиков включен таким образом, что сигнал (ток), снимаемый с него, имеет ту же частоту и фазу, что и ток в механической ветви ультразвуковой колебательной системы. Сигнал с этого датчика подается на второй вход фазового компаратора 1.
При неравенстве фаз и частот на входах фазового компаратора на его выходе формируется соответствующее напряжение, подаваемое на ГУН 2, который перестраивается в соответствии с подаваемым напряжением.
Когда равенство фаз и частот будет достигнуто, данный генератор будет работать в условии резонанса, и любое изменение фазы и частоты будет скомпенсировано.
Выходные каскады 3 питаются постоянным напряжением, которое поступает с тиристорного регулятора 9. Напряжение, которым питаются выходные каскады, определяется видом работы и устанавливается устройством 10.
В результате работы на различные среды и при смене нагрузок происходит изменение напряжения на колебательной системе. Для стабилизации этого напряжения, а, следовательно, для стабилизации амплитуды механических колебаний системы, напряжение на колебательной системе отслеживается датчиком 7, затем в блоке 6 фиксируется его амплитуда, и этот сигнал, пропорциональный амплитуде питающего напряжения колебательной системы, подается на пропорциональный регулятор 8. Это регулятор, сравнивая уровень, задаваемый устройством 10, с приходящим от блока 6 сигналом, вырабатывает управляющий сигнал для тиристорного регулятора. В результате происходит автоматическая стабилизация амплитуды механических колебаний системы.
Устройство защиты и автоматики 12 служит для ручного пуска генератора, выключения его при аварийных ситуациях, повторного перезапуска генератора, при срыве частоты и при срабатывании токовой защиты.
Полная автоматизация подстройки параметров УЗ генератора, автоматическая защита электронной части от перегрузок позволяет свести к минимуму действия оператора, связанные с перестройкой генератора и аварийными ситуациями. При проведении определенной работы от оператора требуется лишь включить в сеть аппарат, выставить требуемую для данного процесса мощность и кнопкой пуска запустить на работу данный генератор. Далее обеспечение ультразвукового воздействия происходит в автоматическом режиме.
На рисунке 2.16 представлена структурная схема системы управления ультразвуковым технологическим аппаратом. Информацию о степени согласования колебательной системы и технологической среды несет величина разности фаз выходного напряжения и тока генератора. Изменение напряжений, токов и их фазовых соотношений осуществляется средствами, рассмотренными ранее.
Согласно предлагаемому способу управления регулировка амплитуды выходного напряжения электронного генератора осуществляется за счет изменения постоянного напряжения питания выходного каскада инвертора (блок ВК на схеме) [15,16]. Постоянное напряжение питания выходного каскада инвертора поступает от регулируемого источника питания (блок ИП). Величина напряжения устанавливается управляющим сигналом VS. Контроль напряжения осуществляется с помощью сигнала VR. Частота выходного напряжения электронного генератора определяется частотой тактовых импульсов задающего генератора (блок ЗГ). Частота тактовых импульсов задающего генератора устанавливается сигналом FS. Контроль тактовой частоты осуществляется сигналом FR. Значение индуктивности дросселя ДР1 устанавливается сигналом L1. Значение индуктивности дросселя ДР2 устанавливается сигналом L2. Коэффициент передачи нормирующего усилителя (блок НУ) устанавливается сигналом KS
.
ИП – регулируемый источник питания постоянного тока;
ВК – выходной каскад инвертора; Г – задающий генератор;
ДР1 и ДР2 – регулируемые дроссели; ИУ1-ИУ2 – исполнительные
устройства, регулирующие индуктивность дросселей;
УЗКС – ультразвуковая колебательная система;
НУ – нормирующий усилитель; ДУ – дифференциальный усилитель;
Д1-Д2 – делители напряжений; Ш1-Ш3 – токоизмерительные шунты
Рисунок 2.16 – Структурная схема устройства управления работой
технологического аппарата для оптимизации ультразвукового воздействия
В режиме осуществления УЗ воздействия требуется лишь компенсировать влияние изменения параметров технологических сред на режим преобразования и передачи энергии. Знание абсолютных значений параметров компонентов генератора, колебательной системы и технологической среды здесь не требуется, достаточно следящего режима регулирования [17].
В режиме запуска УЗТА начальные параметры компонентов электроакустического тракта ультразвукового аппарата и технологических сред неизвестны. Поэтому перед запуском УЗТА в работу они должны быть определены.
Фактически для полной автоматизации управления работой УЗТА требуются два различных способа [17]. Первый способ должен обеспечивать установку начальных значений параметров компонентов генератора, обеспечивающих его запуск в работу. Второй способ управления должен обеспечивать оптимальный режим ввода энергии ультразвуковых колебаний в технологическую среду в условиях изменения ее параметров.
В режиме запуска УЗТА в работу необходимо обеспечить скоординированное регулирование его основных параметров. Поскольку УЗТА второго типа практически не чувствительны к величине, приведенной к электрическому входу УЗКС активной составляющей общего акустического сопротивления системы УЗКС – технологическая среда, для установления начальных условий согласования необходимо определить значение собственной электрической емкости пьезопреобразователя и резонансной частоты УЗКС. Другие параметры системы известны. Для измерения электрической емкости использована схема выделения сигнала, пропорционального эквивалентному току «механической ветви» УЗКС, которая фактически представляет собой измерительный мост. Определение начального значения резонансной частоты УЗКС обычно выполняется сканированием диапазона рабочих частот электронного генератора. При этом производится плавное увеличение частоты выходного напряжения электронного генератора до тех пор, пока она не станет равной резонансной частоте УЗКС (или пока не достигнет верхней границы диапазона).
В процессе изменения частоты выходного напряжения электронного генератора производится изменение индуктивностей дросселей ДР1 и ДР2 таким образом, чтобы обеспечить равенство резонансных частот колебательного контура последовательного питания (ДР1С1), колебательного контура параллельного питания (ДР2С2+Сэ) и частоты выходного напряжения генератора.
Если в процессе сканирования удается обнаружить резонансную частоту УЗКС, то осуществляется переход блока управления в основной режим работы. В основном режиме работы осуществляется следящее управление параметрами УЗТА таким образом, чтобы обеспечить наилучшие условия ввода энергии ультразвуковых колебаний в технологическую среду. Фактически в основном режиме работы организуется четыре независимых контура регулирования.
Первый контур регулирования осуществляет автоматическую подстройку частоты выходного напряжения генератора. Для этого осуществляется непрерывный контроль разности фаз переменного напряжения питания УЗКС и переменного тока «механической ветви» на основании информации о фазах сигналов U2 и Iм и минимизация этой разности фаз за счет изменения выходной частоты генератора (используя управляющий сигнал FS).
Второй контур регулирования осуществляет поддержание заданного значения выходной мощности. Для этого применяется произведение амплитудных значений сигналов U2 и Iм, которое в процессе регулирования обеспечивается равным заданной уставке за счет изменения напряжения питания выходных каскадов электронного генератора (используя сигнал VS).
Третий контур регулирования обеспечивает работу электронного генератора с максимальным коэффициентом мощности нагрузки. Для этого производится контроль разности фаз сигналов U1 и I1 и ее минимизация за счет изменения индуктивности дросселя ДР1 (используя сигнал L1).
Четвертый контур регулирования обеспечивает компенсацию емкостной составляющей входного сопротивления УЗКС. Для этого производится контроль разности фаз сигналов U2 и I1 и ее минимизация за счет изменения индуктивности дросселя ДР2 (используя сигнал L2).
Структурная схема ультразвукового аппарата (электронного генератора и колебательной системы) показана на рисунке 2.17.
Рисунок 2.17 - Структурная схема ультразвукового технологического аппарата
Источник питания (ИП) преобразует переменное напряжение электрической сети в регулируемое постоянное напряжение 0–300 В, преобразуемое транзисторным ключевым преобразователем (ПР) с выходным повышающим трансформатором в переменное напряжение прямоугольной формы. Возбуждение преобразователя обеспечивается от маломощного генератора, управляемого напряжением (ГУН). Сопротивление токовых шунтов (Ш1-Ш3) 0,1 Ом. Для увеличения амплитуды снимаемого с них напряжения (0–0,25 В) применяются три одинаковых усилителя У1-У3 (коэффициент усиления 20). Напряжение, снимаемое с резистивных делителей, не нуждается в усилении (его амплитуда изменяется в пределах 0–5 В). Сигналы с делителей напряжений поступают на входы амплитудных детекторов (АД1-АД4) и формирователей прямоугольных импульсов (Ф1-Ф4). Напряжение сигнала с выхода усилителя У2 делится цифроаналоговым преобразователем (коэффициент деления задается основным микроконтроллером) и вместе с сигналом с выхода усилителя У3 поступает на вход дифференциального усилителя ДУ, с выхода которого снимается напряжение, пропорциональное амплитуде и совпадающее по фазе с током «механической ветви» УЗКС.
Микроконтроллер (МК1) дросселя последовательного колебательного контура на основании сигналов с выходов формирователей Ф1 и Ф2 вычисляет значение фазового угла между током и напряжением на выходе инвертора и его минимизацию. Микроконтроллер (МК2) дросселя параллельного колебательного контура на основании сигналов с выходов формирователей Ф3 и Ф1 вычисляет значение фазового угла между током и напряжением на параллельном колебательном контуре и общим током через контур и осуществляет минимизацию этого фазового угла (обеспечивая компенсацию емкостной составляющей комплексного электрического сопротивления УЗКС).
Устройство, реализованное по рассмотренной структурной схеме [17], позволяет осуществлять автоматическое согласование выходных каскадов электронного генератора и ультразвуковой колебательной системы при всевозможных изменениях в акустической нагрузке (технологической среды) и в самой ультразвуковой колебательной системе (изменение электрической емкости пьезоэлектрических элементов в процессе нагрева колебательной системы).
