功率超声电源的研制

本文介绍了一种具有无相差频率自动跟踪和输出功率恒定功能的功率超声电源,此电源采用集成锁相环来实现无相差自动频率跟踪,采用ＰＷＭ方式控制ＢＵＣＫ电路的斩波,达到恒功能及功率可调的目的。另外,此电源系统还有电路简单、工作可靠、体积小、重量轻、成本低、实用性强等特点。     

C1双重跟踪超声电源的研制

目前，国内外功率超声应用技术中，不仅要求超声功率源具有宽的输出功率范围，而且对输出功率的稳定性、可预置性提出严格要求。为了适应超声雕刻工艺研究的需要，我们研究了一种输出功率从０～５００Ｗ任意可变，且有频率和输出功率双重跟踪的超声功率电源。工作的频率范围是１０～５０ｋＨｚ，输出负载为压电式换能器     

C1 双重跟踪超声电源的研制

目前，国内外功率超声应用技术中，不仅要求超声功率源具有宽的输出功率范围，而且对输出功率的稳定性，可预置性严格要求，为了适应超声雕刻工艺研究的需要，我们研究了一种输出功率从０～５００Ｗ任意可变，且有频率和输出功率双重跟踪的超声功率电源。工作的频率范围是１０～５０ｋＨｚ输出负载力压电式换能器。     

超声波电源频率跟踪系统的研究

当超声波换能器在长时间工作时,受发热的影响,谐振频率会发生漂移。为了保证超声波换能器一直工作在最佳谐振状态,本文提出了一种自动频率跟踪系统。该系统通过鉴相电路检测超声波换能器电压与电流的相位和方向,将PI调节频率变化大小与相位关系调节频率方向相结合来实现精确的频率跟踪。经过试验验证,该方法能够精确锁定最佳谐振频率并跟踪上超声波换能器的动态变化。     

面向铁氧体裂纹检测的感应加热电源研制

针对常规感应加热电源对铁氧体加热时存在加热均匀性差和负载回路谐振频率漂移的问题,提出了一种全桥逆变拓扑结构的串联谐振式数字感应加热电源.基于负载串联谐振回路换流时电压和电流的相位差特性,通过PSPICE软件分析了阻性、感性和容性三种换流状态,仿真结果表明,串联谐振回路工作于弱感性状态,可以保证电路安全可靠运行;基于电磁耦合原理,对比分析了原边补偿和副边补偿两类负载匹配变压器,通过匹配负载等效电阻实现电源系统最大能效输出;采用Fuzzy-PI频率跟踪技术实现负载谐振频率实时跟踪.最后,将研制的数字感应加热电源成功地应用于铁氧体裂纹检测实验.     

小型风力电源在铁路货车上的应用

本文讨论一种用于铁路货车车载安全监测的风力电源系统的设计方案,将小型风力发电系统用于货车车载监测。采用功率信号反馈算法实现风能最大捕获,通过调节Buck电路的占空比,实现输出功率的最大功率点跟踪控制,并建立基于等效电路和推导公式的系统仿真模型,仿真结果验证了方法的正确性。     

基于性能可调阶梯型变幅杆的超声波振子调谐研究

为减小超声波振子外接负载时其谐振频率漂移的幅度,使用机电等效电路法和COMSOL Multiphysics 5.3有限元仿真软件设计制造了一种基于性能可调阶梯型变幅杆的超声波振子。对该超声波振子的谐振频率进行有限元仿真和现场测试。以超声清洗机为例,搭建与其原理相似的试验装置,以不同液面高度的水作为变幅杆的外接负载,探究在不同外接负载情况下,调节连接在变幅杆处压电晶堆的调谐电感对解决超声波振子谐振频率漂移问题的有效性。试验结果表明：随着水杯中液面高度的增加,超声波振子的谐振频率整体呈上升趋势;通过在变幅杆的压电晶堆处外接调谐电感,超声波振子的谐振频率会得到一定的补偿,可重新回归到原始设定的谐振频率值附近。研究表明在使用超声波振子进行超声辅助加工时,该超声波振子对减小外接负载引起的谐振频率漂移幅度具有一定作用。研究结果可为超声波振子的调谐提供新思路和新方法。     

KTX反场箍缩实验装置感应加热烘烤除气方案设计

KTX反场箍缩实验装置不锈钢环形真空室外包覆一层1.5 mm厚无氧铜皮用来稳定等离子体,真空室外壁与铜皮间用聚四氟薄板隔开,简单的壁加热烘烤除气手段难以实现。巧妙地将纵场(TF)线圈作为感应加热线圈,通过工频电磁感应直接加热方法来实现真空室的烘烤除气。计算了热平衡条件下由于传导、对流引起的热量损失确定了保温阶段所需的加热功率。工频电源采用三相交流供电,晶闸管全波整流;4只晶闸管构成的H桥逆变电路为串联LC谐振电路供电。电源频率选择2000 Hz,通过对系统电参数的计算,确定串联谐振电容参数。串联LC谐振电路等效为纯电阻电路,通过改变整流晶闸管的触发角改变直流电压来实现加热功率在0~153 kW间可调,满足了加热初始大功率升温和后阶段小功率保温的加热流程的要求。加热中通过TF线圈的电流、电压以及过程中的温升对TF线圈都是安全的,设计方案可行。     

变步长自适应结构振动主动控制算法

提出基于次级通道在线辨识的变步长振动主动控制算法,给出主动控制环节收敛步长、次级通路建模环节收敛步长的调整策略及新的附加噪声功率控制策略。此调整策略完全由初级振动、残余振动及附加随机噪声信号功率决定,无需额外引入经验参数,可简化系统算法复杂度,提高算法收敛性能,实现对附加随机噪声功率的调节,在保证系统稳定情况尽量消除其对残余噪声影响。仿真结果表明,与已有算法相比,该算法在收敛性能、振动控制效果两方面更具优势。基于NI CRIO实时控制器进行简支梁振动主动控制试验表明,该控制系统对简支梁振动响应有较好的抑制作用,对初级振动频率具有较好的跟踪性能。即基于次级通道在线辨识的主动控制方法行之有效。     

全数字控制超声波金属焊接电源的设计

针对超声波金属焊接工艺的需求,设计了一种全数字控制的超声波焊接电源。该电源采用ARM嵌入式处理器,WINCE多任务操作系统,具有能量、时间及峰值功率控制模式。主电路采用移相方式控制全桥变换器,提出了一种新型的电流有效值偏差频率自动跟踪方法。电源同时具有自动谐振频率点搜索与存储、可编程的缓启动、可编程的幅度阶梯输出控制、可编程次品检测控制、基于ModBus协议的RS232/RS485通信接口等功能。     

基于STM32的大功率超声电源的研究

油田近井处理需要的大功率超声电源具有容量大、频率稳定、输出功率因数高的特点。在实际应用中,为了有效地将井内激发的大功率超声振动能量通过套管井的井内液体、套管和水泥环送入声学参数不同的地层,套管井的声学参数需要随时测量,作业参数需要实时调整。为此,选择了数据处理功能比较强的STM32单片机。基于其精确的定时器实现脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation,PWM）输出,提供IGBT工作所需的波形;用其双路A/D同时采集作业时的电流和电压波形;用数字信号处理的方法快速处理电压和电流波形的相位差及幅值比,以此为基础调节发射波形的频率,使其与套管井条件下探头的谐振频率一致,实现频率跟踪和有效激发;借助于理论模型进一步处理电压和电流波形,获得套管井条件下的声阻抗,以便监测作业过程中套管井的声阻抗变化。     

基于可编程片上系统的宽频带超声波电源系统设计

针对当前超声波处理装置的频率单一、专机专用等问题,提出了一种基于可编程片上系统(System-On-aProgrammable-Chip,SOPC)的新型宽频带超声波电源系统。该系统基于现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array,FPGA)可编程逻辑及数学运算等方面的优势,移植了NIOS II软核作为主控制器,移相脉宽调制(Phase-Shifted Pulse-Width-Modulation,PS-PWM)用于调频调功,正交相关电路检测输出电压与电流间的相位差。实验结果表明,该方案能在指定带宽范围内(20~40 k Hz)使超声波振子工作状态趋近于谐振状态。     

超声波大功率清洗机

介绍一种基于AVR单片机控制的超声波大功率清洗设备。详细地阐述了超声波清洗及换能器、控制器的工作原理及结构,给出了系统及结构的设计、单片机控制电路和功率放大电路的设计。为了使换能器的固有机械谐振频率与电路的谐振频率保持一致,工作时电路要时刻对换能器进行频率自动跟踪。经多年制造、使用经验证明,整个系统具有频率跟踪功能,恒功率清洗功能,且可以方便调节功率,满足工业清洗要求。     

LCC resonant converter with power factor correction for power supply units

This article presents a power supply using an LCC resonant converter having power factor correction with burst mode operation. In order to improve the performance from no load to full load, a microcontroller with an active control has been introduced. The light load efficiency is increased using burst mode operation. The proposed controller provides zero voltage switching. Mathematical analysis is done, and steady state characteristics are drawn. A simple design example is given based on the equations. The proposed converter has good efficiency with good power factor at all loading conditions. This is shown by the simulation and experimental results obtained through testing the prototype.     

含规模化风电并网的负荷频率云PI控制策略研究

针对规模化风电并网对系统调频造成的不确定性问题,提出了一种计及风电不确定性的云模型负荷频率控制策略。首先将风电出力作为扰动信号,与联络线功率偏差组成的区域控制偏差作为负荷频率控制器的输入量,根据云模型规则发生器建立了具有不确定性映射关系的云（比例-积分,PI）负荷频率控制器。以含有风电的三区域互联电网为例,通过某区域电网实测运行数据仿真分析表明,所建立的云PI控制器能够较好地跟踪风电功率波动,具有较强的抗干扰性。所提方法不仅满足了风电接入对电网调频的要求,而且控制效果明显优于传统PI控制器。     

二端口网络在功率超声设计中的应用

依据二端口网络理论,利用力电类比方法,从变截面杆作一维纵振动的运动方程出发,建立了机械二端口网络的数学模型及传输特性方程,进而给出了功率超声振动系统中各部分的二端口网络传输参数;建立功率超声频率跟踪及恒定功率控制方案的网络分析方法。     

Design,real-time modelling,simulation and digital implementation of phase-locked loop-based auto-synchronising current-sourced converter for an induction heating prototype

Induction heating (IH) converters operate just above resonant frequency, at near unity power factor (UPF), to supply power to the targeted work-piece. Some power electronic converter-fed IH systems use power control strategies based on dynamic tracking of the changing resonant frequency as the work-piece gets heated up (since inductance changes). Therefore, the correct in-process determination of the resonant frequency is essential. A method of dynamically detecting the resonant frequency is by calculating the phase-shift between current and voltage continuously during the process. In case of CSI- (and VSI-) fed IH, the phase-shift between voltage and current is zero at resonant frequency. Hence one way of identifying the resonant frequency is by varying the frequency until the phase-shift is zero. For controlling this phase-shift between current and voltage waveforms, most of the controllers use a phase-locked loop (PLL) IC. In this paper, a novel method for the dynamic tracking of resonant frequency is proposed and the practical implementation of the same, using a field-programmable gate array (FPGA) based digital-PLL, is presented. The scheme is first simulated with generated off-line signal samples and then implemented on a real-time model of a CSI-fed IH application. Finally, the digital-PLL logic is implemented on controller hardware and practically tested in a laboratory-made experimental set-up of 2 kW at a nominal frequency of 10 kHz. The switching frequency is auto-synchronising. This fact is practically verified both by varying (i) the geometric dimensions as also (ii) the initial temperature of the work-piece. It is practically observed in the oscillograms that the phase gets locked in few cycles (and hence ensures quick tracking of the dynamically changing resonant frequency for this set-up).     

平衡式E/F类功率放大器的设计与实现

为了解决功率放大器设计过程中存在的效率低和输入/输出端回波损耗较大的问题,设计了一种工作频率为1.5 GHz的平衡式功率放大器。通过采用3 dB定向耦合器对射频信号进行分配及合成,大大降低了输入/输出端的驻波系数,并将逆F类功率放大器的谐波控制网络引入E类功率放大器的匹配电路中。使用ADS对晶体管进行负载牵引和源牵引,得到晶体管的输入/输出阻抗,同时结合晶体管的寄生参数,在输出匹配电路中对二次谐波、三次谐波分别进行开路和短路处理,且为了进一步提高功率放大器的工作性能,在输入电路结构中抑制了二次谐波。选用GaN HEMT器件CGH40010F晶体管,利用ADS软件进行电路仿真,并采用Rogers4350b高频板材制作该功率放大器的实际测试电路板。仿真优化和实测表明：在输入功率为28 dBm时,该功率放大器的输出功率为41.54 dBm,漏极效率为76.99%,功率附加效率（power additional efficiency,PAE）达到73.59%,输入/输出端驻波系数小于2,同时具有160 MHz的高效率带宽,且最大输出功率较单管功率放大器提高了3 dB。实测结果与仿真数据有一定的误差,但仍有较好的一致性,满足设计指标要求,验证了设计方法的可行性。该设计方法具有效率高和回波损耗低的优势,提高了功率放大器的设计效率,使它在当今高效绿色节能的射频微波通信系统中具有广阔的应用前景。     

多时滞无线通信网络的功率和速率最优跟踪

研究了无线通信网络的功率和速率控制这一热点问题。针对传统的无线通信网络模型并没有同时考虑状态时滞和输入时滞,已有的功率和速率控制算法也不能保证系统具有最优输出跟踪性能的情况,重新建立了无线通信网络的模型,在建模过程中考虑了多时滞,得到了含有不同的状态时滞和输入时滞的功率和速率控制系统模型,在此基础上,研究了一般形式的多时滞模型的时滞补偿算法,并将该算法应用在提出的多时滞模型中,给出了无线通信网络功率和速率的最优跟踪控制律。经过计算机仿真验证,提出的最优控制律具有良好的控制性能。