Импульсный ультразвуковой генератор

 

Изобретение относится к импульсной технике и предназначено для предупреждения отложений в тепломассообменной аппаратуре и интенсификации технологических процессов. Устройство содержит магнитострикционный преобразователь, конденсатор, два резистора, два тиристора, две системы импульсно-фазового управления, потенциометр, источник питания. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам получения импульсных колебаний ультразвукового спектра и предназначено для предупреждения отложений в тепломассообменной аппаратуре и интенсификации технологических процессов.

Известны импульсные ультразвуковые генераторы, содержащие магнитострикционный преобразователь (МСП) с последовательно-включенной частотно-корректирующей параллельной RC-цепью, возбуждаемый импульсами тока, формируемыми управляемым силовым электронным ключом, например тиристорным, включенным между одним из двух полюсов источника энергии переменного напряжения промышленной частоты и свободным выводом магнитострикционного преобразователя [1] Недостатком известных устройств является наличие постоянной составляющей тока в обмотке магнитострикционного преобразователя и высокая нестабильность величины тока в связи с отклонениями напряжения сети, наличием в нем высших гармоник, а также изменением окружающей температуры, поскольку при этом из-за высокой температурной чувствительности управляющего р-n-перехода меняется величина тока управления, открывающего тиристор. Постоянная составляющая тока намагничивает сердечник магнитострикционного преобразователя, что значительно снижает его импульсную мощность, КПД и повышает потери электроэнергии.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство [2] содержащее магнитострикционный преобразователь (МСП) с последовательно-включенной частотно-корректирующей параллельной RC-цепью, возбуждаемый импульсами тока, формируемыми управляемым силовым ключом, состоящим из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, каждый из которых открывается определенным током управления, величина которого задается выбором сопротивления потенциометра, включенного между анодом и управляющим электродом соответствующего тиристора.

Однако данному устройству присущи описанные выше недостатки. В первую очередь наличие двух регулировочных потенциометров, что серьезно усложняет установку одинаковых величин токов в обоих тиристорах при устранении постоянной составляющей. Кроме того, ввиду отличия параметров тиристоров, особенно по величине открывающего тока управления, значения сопротивлений этих потенциометров при точной настройке будут различны. Следовательно, при отклонении напряжения сети, которое достигает 10% будут и различны приращения токов управления, что приведет не только к изменению, но и разбалансу токов тиристоров, и появлению постоянной составляющей тока МСП. Аналогичным будет влияние высших гармоник напряжения сети, величина которых может достигать 5% от номинального значения напряжения, поскольку на высших гармониках возможны резонансные явления в цепи МСП и RC-цепи. Еще один недостаток высокая установленная мощность регулировочных потенциометров, что ведет к дополнительным потерям энергии в цепи управления.

Цель изобретения устранение указанных недостатков, т.е. повышение стабильности и точности установки токов тиристоров, а также снижение потерь энергии в цепи управления тиристоров и расширение функциональных возможностей.

Цель достигается тем, что в импульсном ультразвуковом генераторе, содержащем регулировочный потенциометр, магнитострикционный преобразователь, первый вывод обмотки которого через корректирующую параллельную RC-цепь соединен с первым выводом источника электроэнергии, второй вывод обмотки магнитострикционного преобразователя через тиристорный ключ, состоящий из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, соединен с вторым выводом источника электроэнергии, в управляющие цепи тиристоров тиристорного ключа введена система импульсно-фазового управления, включающая первое и второе симметричные взаимодополняющие плечи, каждое из которых состоит из параллельно включенных конденсатора и диода, первые выводы которых соединены с эмиттером p-n-p-транзистора собственного плеча, коллектор которого соединен с базой n-p-n-транзистора собственного плеча, коллектор и эмиттер которого соединены соответственно с базой p-n-p-транзистора и управляющим электродом тиристора собственного плеча, катод которого соединен с вторыми выводами конденсатора и диода и первым выводом резистора собственного плеча, второй вывод которого соединен с базой p-n-p-транзистора собственного плеча и через опорный резистор с базой p-n-p-транзистора второго плеча, эмиттер которого через регулировочный потенциометр соединен с эмиттером p-n-p-транзистора первого плеча.

Новизна предлагаемого изобретения объясняется тем, что управление каждым тиристором выполняется не амплитудно-фазным (т.е. угол открытия, или фаза открытия, зависит от величины амплитуды тока управления, определяемой величиной сопротивления потенциометра), а импульсно-фазовым способом, т.е. фаза открытия тиристора определяется временем задержки импульса тока управления от начала действия полусинусоиды напряжения сети, соответствующей полярности. Стабильность повышается за счет того, что при импульсном управлении параметры самих тиристоров и температура окружающей среды не оказывают заметного влияния на фазу включения тиристора, которая определяется параметрами системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Точность установки токов тиристоров и устранение их разбаланса достигаются тем, что фаза открытия обоих тиристоров изменяется одним и тем же потенциометром, задающим одинаковые токи заряда генераторов пилообразного напряжения (ГПН) СИФУ каждого тиристора.

Расширение функциональных возможностей предлагаемого устройства достигается тем, что с помощью импульсно-фазового управления удается включать тиристоры с фазой управления не только в диапазоне 0-90 эл.град при амплитудно-фазовом управлении устройства-прототипа, но и в диапазоне 90-180 эл.град. Это позволяет при той же выходной импульсной мощности МСП увеличить в спектре ультразвука содержание высших гармоник и снизить мощность потерь МСП.

Снижение мощности потерь в цепи управления тиристорами достигается тем, что энергия импульса управления, надежно открывающего тиристор, в десятки и сотни раз меньше энергии, затрачиваемой в регулировочном потенциометре в течение времени задержки включения тиристора (т.е. фазы управления). В предлагаемом устройстве энергия импульса управления СИФУ тиристором накапливается на конденсаторе ГПН, который одновременно выполняет функции времязадающего элемента. Это значительно упрощает и унифицирует предлагаемое устройство.

На чертеже показана схема предлагаемого генератора.

Импульсный ультразвуковой генератор состоит из четырех основных частей. Первая магнитострикционный преобразователь (МСП) 1 с последовательно включенной корректирующей цепью, содержащей конденсатор 2 и резистор 3. Вторая силовой электронный ключ, содержащий два встречно-параллельно включенных тиристора 4, 5, соединенный последовательно с МСП 1. Третья две одинаковых СИФУ 6, 7, каждая из которых одним и тем же выводом соединена с катодом соответствующего тиристора, а двумя одинаковыми другими между собой через общий регулировочный потенциометр 8 и общий резистор 9 цепи опорного напряжения ГПН каждой СИФУ.

Четвертая источник 10 электроэнергии переменного тока. В свою очередь, каждая СИФУ (6 или 7) состоит из полупроводникового диода 11, соединенного анодом с первым выводом СИФУ, который подключен к катоду тиристора; катодом с вторым выводом СИФУ, соединенным с одним из выводов регулировочного потенциометра 8. В СИФУ входит также конденсатор 12 ГПН, подключенный параллельно диоду 11; резистор 13, создающий опорное напряжение ГПН и включенный между анодом диода 11 и третьим выводом СИФУ, подключенным к резистору 9; триггер ГПН, состоящий из двух комплементарных биполярных транзисторов, p-n-p-типа 14 и n-p-n-типа 15, причем коллекторы каждого из них соединены с базой другого транзистора, эмиттер p-n-p-транзистора 14 соединен с катодом диода 11, эмиттер n-p-n-транзистора 15 соединен с четвертым выводом СИФУ, подключенным к управляющему электроду тиристора 5, а база транзистора 14 соединена с третьим выводом СИФУ, соединенным с резистором 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Пусть положительное синусоидальное напряжение источника 10 прикладывается к аноду тиристора 5. При этом диод 11 СИФУ 7 блокирует работу СИФУ 7, пропуская токи регулировочного потенциометра 8 и цепи опорного напряжения ГПН резистора 9 с учетом открытого состояния базо-эмиттерного перехода транзистора 14 СИФУ 7. Ток потенциометра 8 заряжает конденсатор 12 СИФУ 6, а ток резистора 9, протекая по резистору 13 СИФУ 6, создает опорное напряжение на базе транзистора 14 СИФУ 6. До тех пор, пока напряжение на конденсаторе 12 СИФУ 6 не превысит опорное напряжение на резисторе 13, транзистор 14, а значит, и 15 будут закрыты и, следовательно, тиристор 5 будет в закрытом состоянии. Когда же напряжение на конденсаторе 12 СИФУ 6 превысит напряжение на резисторе 13 СИФУ 6, откроется эмиттерно-базовый переход транзистора 14 СИФУ 6, что приведет к резкому увеличению коллекторных токов обоих транзисторов, взаимоусилению их базовых токов ввиду 100%-ной положительной обратной связи между транзисторами и, в конечном итоге, к насыщению коллекторно-эмиттерных переходов обоих транзисторов. Т. е. за несколько микросекунд сопротивление между эмиттерами обоих транзисторов понизится с единиц мегаОМ до единиц Ом (почти в миллион раз). Это позволит в результате импульсного разряда конденсатора 12 СИФУ 6 по цепи открытых транзисторов 14 и 15 и управляющего перехода тиристора 5 создать импульс тока, достаточный для открытия тиристора 5. После открытия тиристора 5 цепи обеих СИФУ блокируются и подготавливаются для работы в следующем полупериоде, в частности происходит рассасывание неосновных носителей тока в базах обоих насыщенных транзисторов и они восстанавливают начальное закрытое состояние.

После открытия тиристоров 5 напряжение сети приложится к обмотке МСП 1 и корректирующей цепи 2, 3, что вызовет возникновение в сердечнике МСП ультразвуковых колебаний. Амплитуду этих колебаний можно регулировать потенциометром 8 в широком диапазоне от нуля до максимума.

Для другой полярности питающего напряжения сети описанный процесс повторится, но только уже будет необходимо рассматривать цепи и элементы СИФУ 7 и тиристора 4.

Формула изобретения

ИМПУЛЬСНЫЙ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ГЕНЕРАТОР, содержащий регулировочный потенциометр, магнитострикционный преобразователь, первый вывод обмотки которого через корректирующую параллельную RC-цепь соединен с первым выводом источника электроэнергии, второй вывод обмотки магнитострикционного преобразователя через тиристорный ключ, состоящий из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, соединен с вторым выводом источника электроэнергии, отличающийся тем, что в управляющие цепи тиристоров тиристорного ключа введена система импульсно-фазового управления, включающая первое и второе симметричные взаимодополняющие плечи, каждое из которых состоит из параллельно включенных конденсаторов и диода, первые выводы которых соединены с эмиттером p-n-p-транзистора собственного плеча, коллектор которого соединен с базой n-p-n-транзистора собственного плеча, коллектор и эмиттер которого соединены соответственно с базой p-n-p-транзистора и управляющим электродом тиристора собственного плеча, катод которого соединен с вторыми выводами конденсатора и диода, и первым выводом резистора собственного плеча, второй вывод которого соединен с базой p-n-p-транзистора собственного плеча и через опорный резистор с базой p-n-p-транзистора второго плеча, эмитер которого через регулировочный потенциометр соединен с эмиттером p-n-p-транзистора первого плеча.

РИСУНКИ

Рисунок 1