新型超声波管道清洗机

【电路图】新型超声波管道清洗机与模块化电源的应用

在石油、化工、冶金或制药领域，其生产现场中会有大量的热交换器以及介质输送管，而金属管道内的除垢与防垢问题，一直是国内外众多产业部门多年来未能解决的难题。目前普遍采用的是化学药剂除垢、离子交换树脂防垢，高压水枪清洗等方法，但由于该类方法技术陈旧，因而成效不明显。近年来，虽然也出现了用超声波清洗技术，但由于可靠性技术没有解决，故此类设备或装置不是故障维修率高就是寿命短实用性差，无法解决管道污垢的清洗问题。随着半导体功率器件集成控制技术的发展，一种新型模块化的高声强度高可靠超声波管道清洗机已经闻世，正在各个领域被应用。

超声波管道清洗

超声波清洗机是通过超声波发生器将高于频率为20KHz的震荡信号进行电功率放大后经超声波换能器(震头)的逆压电效应转换成高频机械振动能量通过清洗液体中的声幅射，使清洗液体分子振动并产生无数微小空穴和气泡。并沿超声波传播方向在负压区形成、生长，并在正压区迅速闭合而产生上千个大气压的间瞬间高压而

爆破，形成无数微观高压冲击波作用于管道璧的成垢杂质并将此粉碎。此即称之谓超声波清洗中的“空化效应”。超声波管道清洗机就是基于“空化效应” 技术而工作的。从“空化效应” 可知空穴和气泡是在液体中施加高频(超声频率)、高强度的声波而产生的。为此任何管道超声波管道清洗机的组成都必须具备二个基本部件：高频高压大功率电信号的超声波发生器、以及能将电能转化为机械能(即压电逆效能)并经液体流通过的管道式高声强换能器。

从图1可以看出，高声强度超声波管道清洗机主要由高频高压大功率电信号的超声波发生器(信号源)、传输电缆、管道式高声强压电换能器组成，其换能器放置于管道内。

其工作过程是这样: 当液体围绕换能器流过，超声波发生器产生高频(22-25KHz)高压(100-120V)大功率1000W的电功率信号，经电缆传输到换能器，由换能器实现电、机、声的转换并发出超声波。而超声波管道清洗机除垢防垢的作用，主要是利用超声波高声强场“空化效应”处理介质而获得，成垢物质在强声场“空化效应”作用下，其物理和化学性能发生一系列变化，导致成垢物脱落，并在这一强大的压力峰分散成细粉末状，形成松散而不易板洁的沉积物, 悬浮于液体介质中。理论和实践测算，对1cm3液体加以频率为20KHz、功率为50W/cm2的超声波时，可发生空化的气泡数为5×104/S，其局部增压峰值数百甚至上千大气压。

管道式压电换能器主要指标为：

·静态电容为3~100nf(25℃)；

·机械品质因素2-10；

·绝缘电阻1000MΩ；

·压电晶体耐压1200V；

·谐振频率22~25KHz；

·允许介质温度≤135℃。

确保超声波管道清洗机性能的高可靠高声强的关键是高频高压大功率的超声波发生器，这是因为分立式高频高压大功率开关电源实用性差。

由于换能器需要的超声波发生器均必须是高频高压大功率开关电源，虽然此类开关电源均是用单个集成电源控制芯片和MOSFET或IGBT大功率全桥式组成，但还是多个分立元器件的组合, 连线间分布电容所形成的尖峰干扰或特别在大负载开闭情况下会造成大功率管的击穿或烧毁，故此类开关电源非但效率低，而且故障率高、难维护、寿命短、实用性差。为彻底改变此现状，最紧迫的是应用高可靠模块化的高频高压大功率开关电源。

我们采用联美兰达公司的PF1000A-360型AC/DC功率变换模块和IPM-4M型全桥式DC/AC高频大功率变换模块并将其前后级相连又与高频大功率脉冲变压器T等一起组合而成新型模块式高频(22-25)KHz 高压(100V-120V)大功率(1000W)开关电源，并作为超声波发生器(信号源)与换能器匹配组合成高声高强度超声波管道清洗机。

高频高压大功率开关电源设计

高频高压大功率开关电源由前级AC-DC和后级DC-AC(直流高压逆变成高频高压)两大主要部分组成。

按目前常规的设计，前级AC-DC往往采用市电220V交流输入经整流滤波；而后级采用电源管理IC和全

桥大功率管(MOSFTT管或IGBT管) 及脉冲大功率变压器一起组成的零电压开通、关断的谐振电路 (ZVS)拓扑方式来实现DC-AC(见图2)。

这种分立组合式的设计有较大缺陷。

虽然电源管理器功能很强，但由于仍属分立组合,故制作调试烦琐，特别是与大功率管连接的功率驱动部分往往都是小型高频变压器与驱动三极管的合成，所以在负载匹配上经常出现由于连线分布电容和电感所形成的尖峰脉冲击穿或烧毁器件。

进行AC-DC, 是将输入交流的220V市电变换成直流高压(320V-350V)的大功率变换，若是采用一般的桥式整流加滤波，则在交流电源一个周期内，其整个开关电源只有很短时间从交流电源吸取电流，输入脉冲电流的峰值很大，它含有非常高的谐波分量(三次谐波尤为突出)，由于只有输入电流的基波分量才能产生有功功率，因此功率因素很低，同时，谐波电流还会严重污染电网，并干扰其它设备。

采用模块化技术是克服上述缺陷的最有效设计。前级AC-DC大功率变换为了提高功率因素，限制电流畸变和谐波，必须采用功率因素校正(PFC)技术，即具有谐波和功率因素校正及各种过压、过流等保护功能的功率变换模块电路。

据此，采用了PF-1000A-360型AC-DC大功率变换模块(图3)，将交流输入220V变换成直流360V。交流输入220V加到PF功率变换模块的输入引脚L火线和N零线，经功率因素和谐波校正后，从PF模块的引脚+U0和-Uo输出。

后级DC-AC的设计,是采用IPM-4M全桥式DC-AC高频大功率变换模块(见图4), 应用IR公司的功率器件和贴片工艺生产。用户可以简单方便地直接利用它或其组合设计制作成各类高频大功率开关电源。

IPM-4M全桥式DC-AC高频大功率变换模块特性有：

·具有功能较强的电源管理器电路(电源控制芯片)，即电流型PWM及辅助保护电路。

·内含IC驱动电路代替脉冲变压器隔离。

·采用全桥DC-AC变换器。

·应用P1电流检测，实现恒流控制。

·具有辅助电源供电流型PWM及辅助保护电路。

模块式高频高压大功率高频开关电源电路

技术要求

·输出脉冲电压：幅值为100V-120V、频率为22~25KHz±1%，占空比0.4-0.5，可调。

·输出功率:1000W

该高频高压大功率开关电源框图示于图5。

从图5可看出该开关电源由前级IC1的PF1000A-360型AC/DC大功率变换模块和后级IC2的

DC/AC IPM-4M 模块相连并与高频大功率脉冲变压器T等三大部分一起组合而成, 成为超声波管道清洗机的信号源(超声波发生器)。

模块式高频高压大功率开关电源的工作调试过程：

当IC1的(AC/DC)PF-1000A-360型变换模块输出电压为直流360V并加于IPM-4M(DC/AC) 模块IC2的

P1、P4引脚上时，则输出脉冲变压器(功率应大于1200W)T的初级二端P2与P3上将获得360V高频22~25KHz脉冲电压。

IC2的P2、P3引脚上有脉冲波形输送,调整W3便可看到脉宽变化。

当K1、K2在断开位置，频率计显示模块标称频率22KHz。当合K1上时，减少W1阻值，频率将向高端变化。当K2合上时，增加W1阻值，频率将向低端变化。根据需要来决定使用参数。

调整W3，可改变稳定的输出电压的幅值。

调整W2，可改变输出电流输出值。这个功能不用时可悬空。

当大功率脉冲变压器T次级N2输出的100V~120V的脉冲电压加到LC谐振电路( 其L为可调高频电感线圈，C为超声波换能器的等效电容，由此则组成LC谐振器，见图5右上角虚线所示)，通过调整高频电感线圈L可使谐振器得到串联谐振，其谐振频率f0为换能器固有频率 并在电容C两端将获得谐振后的高压高频(22-25 KHz)正弦波。以上整个过程实现了高频(22-25 KHz) 高压(100V-120V) 大功率(1000W) 的输出。 结语

PF-1000A-360模块与IPM-4M模块组合成的新型模块式高频高压大功率开关电源的设计、调试、制作简单方便，实践证明与由PF-1000A-360模块和移相谐振软开关PWM全桥控制芯片ML4818及MOSFET大功率管分立组合方案相比较，该模块式高频高压大功率开关电源作为信号源经与大功率超声波换能器配套反复使用和现场运行，其性能稳定可靠，彻底克服了以往用单个集成和分立式大功率管组合而成的开关电源那种经常被烧毁、击穿及故障率高、维修难等不足之处，经反复使用，该新型模块式高频高压大功率开关电源实现了高效率(效率达95%以上)高可靠免维护，是属新一代高频高压大功率开关电源技术和产品。■