【摘要】：功率超聲廣泛應用于超聲清洗、超聲焊接、超聲加工以及超聲萃取等方面,這些應用取得了良好的社會效益和經濟效益。而功率超聲中的核心問題是如何把電能有效轉化為機械能,因而功率超聲的研究重點是超聲電源以及換能器的匹配電路。隨著電力電子器件以及電力電子技術的迅速發(fā)展,使得一些以前只能存在于理論中的拓撲結構具備了實際應用的基礎。本文的主要研究的是超聲換能器的匹配電路,提出一種基于可變有源-無源電抗(Variable Active-Passive Reactance,VAPAR)的電感-電容匹配電路。這種電路是在傳統(tǒng)的電感-電容匹配電路的基礎上,引入了一種可以較大幅度改變自身等效電感值的可變有源-無源電抗,其調諧性能優(yōu)于普通的電感-電容匹配電路,而且對換能器諧振頻率的偏移也有較強的適應性。文中從理論上分析了基于VAPAR的電感-電容匹配的電路的理論基礎。先介紹超聲換能器的集中參數等效電路模型,并引入導納圓理論以簡化分析。接著敘述了換能器的匹配理論并詳細討論了其中的串聯(lián)電感匹配電路以及電感-電容匹配電路,指出當換能器的等效電路參數因外界影響而發(fā)生變化時,固定參數的匹配電路不足以滿足電路的匹配要求,因此引入VAPAR對電路進行改進。繼而介紹VAPAR的原理、電路拓撲結構以及控制方式,確定了以定時比較的控制方法對VAPAR的電流進行控制,并且對基于VAPAR的電感-電容匹配電路的整體系統(tǒng)進行了討論。以理想線性方法從微觀角度分析VAPAR之中的參數選擇。這些參數包括輔助電感L_a的電感值、逆變器中直流電源的電壓值及定時比較控制器的時基。從VAPAR的電路電流對指令電流的跟蹤能力與跟蹤誤差寬度以及逆變器的換相這三個角度,分VAPAR所模擬電感量比輔助電感大與所模擬電感量比輔助電感小這兩種情況,得出了VAPAR的理想參數不等式組。在該不等式組的基礎上,結合實際的帶負載的超聲換能器,選擇7個不同的頻率點,分析理想情況下VAPAR所對應的電路狀態(tài),從而將基于VAPAR的電感-電容匹配電路系統(tǒng)的參數全部具體化。然后在Cadence PSpice A/D 16.6軟件的環(huán)境下深化設計了該電路系統(tǒng)的各模塊電路,并進行對電路系統(tǒng)進行仿真。仿真結果表明VAPAR能根據給定值變換自身的等效電感,對外表現(xiàn)出的等效電感值與給定值基本相符;因VAPAR所產生的電流諧波成分不多,能夠正常使用;對于換能器等效電路參數的改變所引起的串聯(lián)諧振頻率偏移,普通電感-電容匹配在偏移量不大時可以起到一定的無功補償作用,但在頻率偏移量稍大時,其補償能力不足,將VAPAR引入電感-電容匹配電路后,能加強匹配電路對系統(tǒng)無功功率的吸收能力,拓寬電路的工作頻率范圍。
【學位授予單位】：華南理工大學
【學位級別】：碩士
【學位授予年份】：2019
【分類號】：TB552
【圖文】：

華南理工大學碩士學位論文器的工作頻率遠低于其內部固有諧振頻率時，可以直接測得。另外，并聯(lián)支路中還個用于表征換能器介質損耗的并聯(lián)電阻 R0。當壓電換能器工作在其固有諧振頻率附近時，換能器電阻抗特性及機械特性隨頻率化而激烈變化，因此, 壓電換能器在其固有諧振頻率附近，還存在出等效的動態(tài)支這個動態(tài)支路是換能器的機械特性在電學上的反映。改串聯(lián)支路中包含了動態(tài)電感態(tài)電容 C1，描述換能器機械損耗的動態(tài)電阻 R1’以及表示輻射能量的負載電阻 RL，不是真正的電學量, 而是從換能器的物理特性折算過來的等效參數。在實際應用中，常常將動態(tài)電阻 R1’和負載電阻 RL合并而成為一個表征換能器從電收電磁能量的動態(tài)電阻 R1。并且由于 ，為方便計算，可將并聯(lián)電阻 R0忽略。可得到簡化的等效電路，如圖 2-2 所示，其對外等效為一個復阻抗 Zs。

華南理工大學碩士學位論文器的工作頻率遠低于其內部固有諧振頻率時，可以直接測得。另外，并聯(lián)支路中還個用于表征換能器介質損耗的并聯(lián)電阻 R0。當壓電換能器工作在其固有諧振頻率附近時，換能器電阻抗特性及機械特性隨頻率化而激烈變化，因此, 壓電換能器在其固有諧振頻率附近，還存在出等效的動態(tài)支這個動態(tài)支路是換能器的機械特性在電學上的反映。改串聯(lián)支路中包含了動態(tài)電感態(tài)電容 C1，描述換能器機械損耗的動態(tài)電阻 R1’以及表示輻射能量的負載電阻 RL，不是真正的電學量, 而是從換能器的物理特性折算過來的等效參數。在實際應用中，常常將動態(tài)電阻 R1’和負載電阻 RL合并而成為一個表征換能器從電收電磁能量的動態(tài)電阻 R1。并且由于 ，為方便計算，可將并聯(lián)電阻 R0忽略�？傻玫胶喕牡刃щ娐�，如圖 2-2 所示，其對外等效為一個復阻抗 Zs。

華南理工大學碩士學位論文 Y1向 Ys的平移矢量，一般而言，換能器的負載能力越強就越大，對于額定功率很大的超聲換能器而言甚至可以將第一象限內。 為在某一頻率下，換能器對外等效的導納復數值即為 Ys的值。由式（2-5）可知，當 時，b1>0；當器的導納矢量終端隨頻率的增大而沿順時針方向移動。

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本文編號：2767203