Файл: Хорбенко, И. Г. Ультразвук в машиностроении.pdf

Глава II УЛЬТРАЗВУКОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ

Для питания электромеханических преобразователей (электродинамических, магнитострикционных и пьезо­ электрических) необходимы источники питания электри­ ческой энергией. Эту задачу выполняют ультразвуковые генераторы, которые подразделяются на машинные и лам­ повые (полупроводниковые). К ультразвуковым генерато­ рам предъявляются следующие основные требования: стабильность частоты, возможность плавного регулиро­ вания частоты в заданном диапазоне; возможность регу­ лирования выходной мощности в заданном диапазоне; кривая выходного напряжения генератора должна иметь синусоидальный характер; надежность в работе; неболь­ шие габаритные размеры; небольшие затраты.

Машинные генераторы

Машинные генераторы, а точнее машинные преобразова­ тели (умформеры) рассчитаны на работу с частотой до 20 кГц и мощностью до 150 кВт. Машинные генераторы просты по устройству и обслуживанию, экономичны, имеют большой к. п. д. и надежны в работе. Однако они не получили широкого распространения в ультразвуковой технике ввиду низкой стабильности частоты и сложности ее регулирования, а также трудности получения частоты

более 20 кГц без дополнительных устройств — множителей частоты.

Машинные генераторы представляют собой смонтиро­ ванные на одной оси электродвигатель переменного тока промышленной частоты и генератор переменного тока по­ вышенной частоты. Машинные генераторы строятся обычно по типу синхронных генераторов. В однофазных син­ хронных генераторах магнитные полюсы неподвижны, а якорная обмотка вращается. Однако при создании гене­ раторов больших мощностей целесообразно, чтобы обмотка была неподвижна, а вращался статор (индуктор).

76

Машинные синхронные генераторы по способу воз­ буждения делятся на генераторы с самовозбуждением и не­ зависимым возбуждением. При независимом возбуждении к генератору подводится питание от автономного источ­ ника постоянного тока. Самовозбуждение может быть до­ стигнуто с помощью полупроводниковых выпрямителей или постоянных магнитов. В мощных машинных генера­ торах иногда используют отдельный возбудитель — элек­ трическую машину постоянного тока, расположенную на одном валу с ротором генератора.

Машинные генераторы повышенной частоты могут быть двух типов: переменно-полюсные и индукторные. У гене­ раторов с переменно-полюсной системой большой диа­ пазон изменений магнитного потока ротора, связанного с витком обмотки статора, что обеспечивает возможность получения значительной величины э. д. с. на виток и уменьшение общего числа витков статорной обмотки. Генераторы индукторного типа отличаются тем, что э. д. с. индуцируете# в обмотке не за счет периодического изме­ нения магнитного сопротивления какой-либо части магни­ топровода машины, а в результате пульсации магнитного потока. Генераторы индукторного типа могут быть пе­ ременно-полюсными с магнитным полем, замыкающимся

вплоскости, перпендикулярной плоскости вала, и по­ стоянно-полюсными с магнитным полем, замыкающимся

вплоскости вала. В переменно-полюсных генераторах статор и ротор делают сдвоенными. Каждая часть статора имеет свою обмотку, связанную с магнитным потоком только одной полярности, что позволяет иметь общую

катушку возбуждения, расположенную между двумя ча­ стями статора.

У постоянно-полюсных генераторов индукторного типа имеется ряд преимуществ перед другими типами генера­ торов подобного назначения. У них можно увеличить полюсное деление в результате того, что на каждой части статора остается одинаковая полярность. Пульсации ма­ гнитного потока происходят вследствие перераспределе­ ния магнитного потока между зубцами статора, а ма­ гнитный поток ротора остается почти неизменным, что позволяет сделать ротор сплошным.

Отечественной промышленностью выпускаются машин­ ные генераторы типа ВПЧ [35]. Они предназначены для преобразования электрической энергии трехфазного пере­ менного тока с частотой 50 Гц в однофазный с частотой 2,4

77

или 8 кГц. Генератор типа ВПЧ состоит из асинхронного электродвигателя и синхронного генератора индукторного типа.

Частоту электрического тока, вырабатываемого машин­ ным генератором, можно определить из выражения

f __ тп

I W ’

где т — число полюсов; п — частота вращения ротора в об/мин.

Для получения более высоких частот применяются удвоители (умножители) частоты. Принцип умножения частоты заключается в том, что если к цепи, содержащей сопротивление R, индуктивность L и емкость С, приложена э. д. с. синусоидальной формы, то на каждом участке цепи напряжение и ток тоже будут изменяться синусоидально. Чтобы добиться умножения частоты, необходимо исказить форму напряжения или тока, так как только несинусои­ дальная периодическая функция, будучи разложена в ряд Фурье, дает нужные гармоники высшего порядка [56]. Для искажения кривой напряжения или тока необходимо, чтобы один из параметров цепи R, L или С менялся во времени в зависимости от переменных Е или / (на практике обычно изменяют индуктивность).

На рис. 23 приведена схема умножителя частоты в чет­ ное число раз, состоящего из трех обмоток и двух кернов. Обмотка^ W ! (общая для обоих сердечников) является обмоткой поляризации и одновременно обмоткой умножен­

78

Рис. 24. Схема установки для испытания удвоителя частоты

дый момент времени какой-либо из сердечников сильно насыщен, другой же работает при сравнительно малых индукциях.

Расчет удвоителя частоты ведется графоаналитиче ким методом при условии, если потери на гистерезис и вих­ ревые токи в сердечниках отсутствуют, обмотки удвоителя не обладают сопротивлениями и индуктивностями рассея­ ния, пренебрегают всеми гармониками выше первой в кри­ вой тока первичной обмотки удвоителя и выше второй в кривой тока вторичной обмотки. Методика расчета удвои­ теля частоты мощностью 25 кВт была испытана на уста­ новке (рис. 24), состоящей из машинного генератора ВПЧ-30/8000, пускорегулировочной аппаратуры и на­ грузки удвоителя — шести магнитострикционных преоб­ разователей по 4 кВт каждый [56]. Машинный генера­ тор МГ питает удвоитель частоты, состоящий из двух торои­ дальных сердечников с намотанными на них обмотками. Конденсатор Сф служит для согласования удвоителя с ма­ шинным генератором, конденсатор С2 — разделительный, конденсатор С3 — для компенсации реактивных токов. Трансформатор поляризации 7 \ включен в контур 8 кГц через катушку связи L v Одновременно с ростом возбу­ ждения машинного генератора растет и ток поляризации удвоителя. Следовательно, одной регулировкой возбужде­ ния машинного генератора можно установить нормальный режим установки,

7і

Удвоитель частоты был изготовлен из стали Э44 тол­ щиной 0,1 мм тороидального типа с наружным диаметром 120 мм и внутренним 20 мм. Один сердечник набран из 90 пластин, которые для лучшего съема тепла разделены между собой прокладками толщиной 0,8 мм. Для предот­ вращения коррозии пластины фосфатированы и покрыты лаком. Два сердечника с обмотками помещены в алюминие­ вый корпус, который имеет штуцера для входа и выхода охлаждающей жидкости, а также выводы от обмотки. В корпусе удвоителя вмонтированы диоды выпрямителя поляризации. Испытания подтвердили преимущества уд­ воителей частоты, работающих от машинных генераторов ВПЧ-30/8000.

Ламповые генераторы

Ламповые генераторы получили наиболее широкое приме­ нение для возбуждения в преобразователях механических колебаний ультразвуковой частоты, особенностью которых является то, что они позволяют изменять частоту в широ­ ких пределах, имеют большой по сравнению с машинными к. п. д. и могут быть выполнены в широком диапазоне мощностей (от нескольких ватт до десятков киловатт). Ламповые генераторы применяются в промышленности в диапазонах частот от 3 кГц до 3 МГц при выходной мощ­ ности от 300 Вт до 100 кВт.

Ламповые генераторы делятся на следующие основные группы: 1) генераторы низкой ультразвуковой частоты от 3 кГц до 100 кГц; 2) широкодиапазонные ультразву­ ковые генераторы от 3 кГц до 3 МГц; 3) высокочастотные ультразвуковые генераторы от 100 кГц до 3 МГц; 4) уль­ тразвуковые генераторы, выполненные на основе высоко­ частотных установок для индукционного нагрева, радио­ трансляционных и других усилителей.

Принцип действия ультразвуковых генераторов. Выби­ рая ту или иную электрическую схему для низкочастотных ультразвуковых генераторов, сталкиваются с противоре­ чием^ между стремлением получить с одной стороны вы­ сокий к. п„ д., простоту конструкции и минимальную стоимость, а с другой стороны — обеспечить стабильность в широком диапазоне частот и возможность плавного ре­ гулирования частоты и отдаваемой мощности. В связи с этим ультразвуковые генераторы низкой частоты могут быть выполнены как по схеме с самовозбуждением, так и по схеме с независимым возбуждением.

80

На рис. 25 изображена упрощенная схема лампового генератора с независимым возбуждением. На вход генера­ тора (в сеточную цепь) подается переменное напряжение ивх от возбудителя. В анодную цепь включен колебатель­ ный контур L, С. С выхода генератора снимается перемен­ ное напряжение цвых с частотой, соответствующей подо­ бранным параметрам излучателя. Для обеспечения работы генератора па анод лампы подается постоянное напряже­ ние Е а, а на сетку — напряжение смещения Ес. Генератор с независимым возбуждением состоит из нескольких блоков: задающего генератора, предварительного и вы­ ходного усилителей. Блок задающего генератора пред­ ставляет собой маломощный генератор с самовозбужде­ нием, в котором вырабатываются высокочастотные колеба­ ния заданной (рабочей) частоты. С выхода задающего генератора напряжение высокой частоты поступает на предварительный усилитель, где мощность генерируемых колебаний повышается до уровня, необходимого для ра­ боты выходного каскада. Одновременно с этим предвари­ тельный каскад предохраняет задающий генератор от влияния нагрузки на его режим. Поэтому предваритель­ ных усилителей может быть несколько.

Выходной каскад предназначен для получения колеба­ ний ультразвуковой частоты мощностью, необходимой для обеспечения работы электроакустического преобра­ зователя. Выходную мощность ультразвукового генера­ тора, а следовательно, и мощность, подаваемую к преоб­ разователю, можно регулировать изменением анодного напряжения или напряжения, подаваемого на экранную сетку генераторной лампы. Ультразвуковые генераторы с независимым возбуждением легко поддаются плавной регулировке частоты. Кроме того, у таких генераторов высокая стабильность частоты.

На рис. 26 изображена упрощенная схема ультразву­ кового генератора с самовозбуждением с индуктивной

81

обратной связью. В отли­ чие от генератора с неза­ висимым возбуждением этот генератор преобразу­ ет энергию постоянного тока в энергию перемен­ ного тока без подведения внешнего переменного на­ пряжения ивх и поэтому является автономной ко­ лебательной системой. Ге­ нератор с самовозбужде­ нием, как правило, играет роль задающего генерато­ ра и служит источником

колебаний высокой частоты для последующих каскадов генератора с независимым возбуждением. В случае, если ультразвуковой генератор состоит из одного каскада, он собирается по схеме с самовозбуждением.

При подаче питания на генератор в контуре L, С возникают колебания, которые через обратную связь вы­

стабилизации, который зависит от параметров схемы. Частота колебаний определяется параметрами контура.

Генераторы с самовозбуждением имеют меньшее коли­ чество элементов по сравнению с генераторами с незави­ симым возбуждением. Схема с самовозбуждением обеспе­ чивает возможность работы генератора на преобразовг.- тели с различными характеристиками их импеданса и настройку генератора на частоту механического резонанса преобразователей. Расчет ламповых генераторов приведен в работе [54].

Ультразвуковой генератор состоит из собственно гене­ ратора, который преобразует энергию постоянного тока в энергию токов ультразвуковой частоты, источника пи­ тания, питающего генератор постоянным током, элемен­ тов управления генератором и нагрузки — преобразова­ теля, потребляющего энергию тока ультразвуковой ча­ стоты. Непосредственно ламповый генератор состоит из трех основных элементов: источника питания, электрон­ ной лампы (иногда нескольких ламп) и колебательного

82