Современные универсальные ультразвуковые генераторы

А.А.Новик
ООО «Ультразвуковая техника – ИНЛАБ»
т. (812) 234-1401, факс 234-0254
E-mail: inlab@mail.wplus.net

Современные универсальные ультразвуковые генераторы

Многие современные технологические процессы немыслимы без использования энергии мощного ультразвука. Использование ультразвуковых колебаний в технологических процессах  позволяет ускорить ход процесса, изменить направление процесса или получить результаты, невозможные без использования ультразвука [ 1 ].

Типичная ультразвуковая  установка состоит из ультразвукового инструмента, преобразователя  энергии электрических колебаний в механические колебания и электронного генератора, вырабатывающего электрические колебания необходимой частоты и мощности. В данной статье не рассматривается получение ультразвуковых колебаний не электрическим способом.

За десятилетия применения ультразвуковых технологических установок определились их  сферы приложения, что позволяет говорить о некотором устоявшемся наборе ультразвуковых инструментов. Многообразие ультразвуковых установок предусматривает подачу ультразвуковых колебаний в газообразные, жидкие и твердые среды. При этом колебания подаются как непосредственно от преобразователя к инструменту, так и через различные согласующие звенья, волноводы или концентраторы. 

В настоящее время разработчики и конструкторы ультразвуковых установок остановились на двух основных видах ультразвуковых преобразователей, основанных на магнитострикционном и пьезоэлектрическом эффектах. Подключение этих преобразователей к электронным генераторам требует различных согласующих схемных решений. Кроме того, при применении магнитострикционных преобразователей, генератор должен включать в себя источник тока поляризации (подмагничивания). Различная технологическая нагрузка на ультразвуковые преобразователи приводит к изменению ряда механических и электрических параметров преобразователей. Изготовление же универсальных электронных генераторов, исходя из выше перечисленных требований, представляет значительные трудности. Чтобы добиться в каждой конкретной ультразвуковой установке максимально возможного электроакустического КПД и соответствующего физического или химического эффекта, необходимы генераторы с различными электрическими параметрами.

Традиционно сложилось так, что генераторы, применяемые для питания ультразвуковых преобразователей, классифицируются по видам электрических или электронных приборов, на основе которых они изготовлены. Это электромашинные генераторы, генераторы на электронных лампах, генераторы на тиристорах и генераторы на транзисторах. О достоинствах и недостатках каждого класса генераторов подробно можно ознакомиться в соответствующей литературе [ 2 ]. Коротко можно сказать, что электромашинные генераторы на достаточно высокие рабочие частоты обладают малым КПД, имеют значительный вес и габариты, максимальная рабочая частота обычно не превышает 8 кГц, и невозможна подстройка на частоту акустического резонанса применяемого преобразователя;  ламповые генераторы, при соответствующей мощности, так же имеют значительный вес и габариты, наличие служебных источников питания, энергия которых не идет в нагрузку, понижает общий КПД генератора; тиристорные генераторы сложны в настройке и эксплуатации, кроме того, при изготовлении подобных генераторов на частоты выше 20 кГц возникают сложности. При проектировании электронных ультразвуковых генераторов, свободных в значительной мере от выше перечисленных недостатков, мы остановились на современных полевых транзисторах. Успехи технологии производства этих приборов позволяют создавать генераторы в широком диапазоне рабочих частот, с выходными мощностями от единиц ватт до 30 – 50 кВт, с возможностью регулирования всех рабочих параметров [ 3 ].

Немаловажное значение для применения ультразвукового оборудования имеют размеры всей установки. Если преобразователи, в общем случае, достаточно компактны, то размеры и вес, при соответствующей мощности, ультразвуковых генераторов выпускавшихся ранее советской, а ныне российской промышленностью оставляют желать лучшего. В наших генераторах, с точки зрения уменьшения объема,  мы достигли рекордных массогабаритных показателей. Габаритные размеры электротехнического устройства определяются либо требуемой поверхностью теплоотвода, либо конструктивным объемом, необходимым для размещения всех деталей устройства. Для охлаждения генераторов мы применили принудительное воздушное охлаждение. Двухкратное резервирование параметров охлаждения значительно повышает надежность работы генераторов. Использование самых современных магнитных материалов в конструкции генераторов резко снизило массу и обьем устройства. 

Известно, что ультразвуковые преобразователи изменяют свою рабочую (резонансную) частоту при изменении акустической нагрузки, нагреве и других внешних воздействиях. Для работы ультразвуковой установки с максимальным электроакустическим КПД необходимо, чтобы генератор имел автоматическую подстройку частоты (АПЧ). В настоящее время сложилось значительное число решений АПЧ в рамках применения электронных генераторов для питания ультразвуковых установок [ 2 ]. В нашем случае мы остановились на фазовой автоподстройке рабочей частоты (ФАПЧ). ФАПЧ в нашей реализации позволяет отказаться от дополнительных датчиков акустической обратной связи и поддерживает работу ультразвуковых преобразователей, как магнитострикционных, так и пьезокерамических, на частоте механического резонанса преобразователя при любых изменениях нагрузки и внешних условий. Ниже приводится таблица выпускаемых нами  универсальных генераторов для питания различных ультразвуковых преобразователей и ультразвуковых установок.

Выходная рабочая частота генераторов оговаривается при заказе. Возможна любая, допустимая стандартами, рабочая частота в рамках конструктивно-технологического решения конструкции генераторов.

Генераторы имеют встроенный источник тока подмагничивания для магнитострикционных преобразователей с соответствующими разделительными цепями. При заказе можно исключить его наличие и заменить его согласующим устройством для пьезокерамических преобразователей.

Параметры выходного сигнала оговариваются при заказе или соответствуют стандартному ряду выходных напряжений. Выход генератора гальванически развязан с питающей сетью.

Каждый генератор оснащен индикатором выхода и встроенным цифровым частотомером, что позволяет точно подстраивать генератор на оптимальный режим работы. При необходимости применения генераторов в импульсном режиме, что оговаривается при заказе, генераторы снабжаются управляющим входом. Параметры управляющего сигнала могут быть любыми, от замыкающего/размыкающего контакта до любых известных логических или управляющих уровней напряжения/тока.

Режим работы генераторов – долговременный, круглосуточный. Гарантия – год непрерывной работы. Все генераторы выполнены с выходным каскадом на полевых транзисторах и охвачены ФАПЧ. Это позволяет генераторам устойчиво работать на комплексную нагрузку. КПД генераторов достигает 92%, при cos ? нагрузки 0.86.

Маркетинговые исследования, проведенные в течении года, по ультразвуковым генераторам  различных производителей, как отечественных, так и зарубежных, показали, что по массо-габаритным показателям, удельной мощности и эргономическим параметрам наши генераторы не имеют себе равных.  

Наше предприятие выпускает различные виды ультразвуковых преобразователей и генераторов, и ультразвуковых установок на их основе. Возможно изготовление любых ультразвуковых преобразователей, как магнитострикционных, так и пьезокерамических,  любой конфигурации из известных магнитострикционных сплавов и пьезокерамики, в том числе по чертежам заказчика. Некоторую информацию о нашем предприятии можно посмотреть на Intenetсайте www.utinlab.ru.

1. Ю.В.Холопов, «Ультразвуковая сварка пластмасс и металлов» ,Ленинград, Машиностроение, 1988 г.
   
2. А.В.Донской, О.К.Келлер, Г.С.Кратыш, «Ультразвуковые электротехнологические установки» – 2-е издание – Ленинград, Энергоиздат, 1982 г.
   
3. В.А.Головацкий и др., под редакцией Ю.И.Конева , «Источники вторичного электропитания» – 2-е издание – Москва, Радио и связь, 1990 г.