RU2046550C1

RU2046550C1 - Pulse ultrasound oscillator

Info

Publication number: RU2046550C1
Authority: RU
Inventors: В.В. Тропин; И.А. Потапенко
Original assignee: Кубанский государственный аграрный университет
Priority date: 1992-01-09
Filing date: 1992-01-09
Publication date: 1995-10-20

Abstract

FIELD: pulse devices. SUBSTANCE: device has magnetostrictive converter, capacitor, two resistors, two thyristors, two systems of pulse-phase control, potentiometer, power supply. EFFECT: increased functional capabilities. 1 dwg

Description

Изобретение относится к устройствам получения импульсных колебаний ультразвукового спектра и предназначено для предупреждения отложений в тепломассообменной аппаратуре и интенсификации технологических процессов. The invention relates to a device for producing pulsed oscillations of the ultrasonic spectrum and is intended to prevent deposits in heat and mass transfer equipment and the intensification of technological processes.

Известны импульсные ультразвуковые генераторы, содержащие магнитострикционный преобразователь (МСП) с последовательно-включенной частотно-корректирующей параллельной RC-цепью, возбуждаемый импульсами тока, формируемыми управляемым силовым электронным ключом, например тиристорным, включенным между одним из двух полюсов источника энергии переменного напряжения промышленной частоты и свободным выводом магнитострикционного преобразователя [1]
Недостатком известных устройств является наличие постоянной составляющей тока в обмотке магнитострикционного преобразователя и высокая нестабильность величины тока в связи с отклонениями напряжения сети, наличием в нем высших гармоник, а также изменением окружающей температуры, поскольку при этом из-за высокой температурной чувствительности управляющего р-n-перехода меняется величина тока управления, открывающего тиристор. Постоянная составляющая тока намагничивает сердечник магнитострикционного преобразователя, что значительно снижает его импульсную мощность, КПД и повышает потери электроэнергии.Known pulsed ultrasonic generators containing a magnetostrictive transducer (MRF) with a series-connected frequency-correcting parallel RC circuit, excited by current pulses generated by a controlled power electronic switch, for example a thyristor one, connected between one of the two poles of an industrial frequency AC power source and free magnetostrictive converter output [1]
A disadvantage of the known devices is the presence of a constant current component in the winding of the magnetostrictive transducer and high instability of the current value due to deviations of the mains voltage, the presence of higher harmonics in it, as well as a change in ambient temperature, because at the same time due to the high temperature sensitivity of the control pn transition changes the magnitude of the control current, opening the thyristor. The constant component of the current magnetizes the core of the magnetostrictive transducer, which significantly reduces its pulse power, efficiency and increases energy losses.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство [2] содержащее магнитострикционный преобразователь (МСП) с последовательно-включенной частотно-корректирующей параллельной RC-цепью, возбуждаемый импульсами тока, формируемыми управляемым силовым ключом, состоящим из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, каждый из которых открывается определенным током управления, величина которого задается выбором сопротивления потенциометра, включенного между анодом и управляющим электродом соответствующего тиристора. Closest to the proposed technical essence is a device [2] containing a magnetostrictive transducer (MRF) with a series-connected frequency-correcting parallel RC circuit, excited by current pulses generated by a controlled power switch, consisting of two counter-parallel connected thyristors, each of which opens with a certain control current, the value of which is set by choosing the resistance of the potentiometer connected between the anode and the control electrode of the corresponding thyristor.

Однако данному устройству присущи описанные выше недостатки. В первую очередь наличие двух регулировочных потенциометров, что серьезно усложняет установку одинаковых величин токов в обоих тиристорах при устранении постоянной составляющей. Кроме того, ввиду отличия параметров тиристоров, особенно по величине открывающего тока управления, значения сопротивлений этих потенциометров при точной настройке будут различны. Следовательно, при отклонении напряжения сети, которое достигает ± 10% будут и различны приращения токов управления, что приведет не только к изменению, но и разбалансу токов тиристоров, и появлению постоянной составляющей тока МСП. Аналогичным будет влияние высших гармоник напряжения сети, величина которых может достигать 5% от номинального значения напряжения, поскольку на высших гармониках возможны резонансные явления в цепи МСП и RC-цепи. Еще один недостаток высокая установленная мощность регулировочных потенциометров, что ведет к дополнительным потерям энергии в цепи управления. However, this device has the disadvantages described above. First of all, the presence of two adjustment potentiometers, which seriously complicates the installation of the same current values in both thyristors while eliminating the DC component. In addition, due to the difference in the parameters of thyristors, especially in terms of the opening control current, the resistance values of these potentiometers with fine tuning will be different. Therefore, with a deviation of the mains voltage that reaches ± 10%, the increments in the control currents will be different, which will lead not only to a change, but also an imbalance of the thyristor currents, and the appearance of a constant component of the current of the ICF. The influence of the higher harmonics of the mains voltage, the magnitude of which can reach 5% of the nominal voltage value, will be similar, since resonant phenomena in the ICF circuit and the RC circuit are possible at higher harmonics. Another disadvantage is the high installed power of the control potentiometers, which leads to additional energy losses in the control circuit.

Цель изобретения устранение указанных недостатков, т.е. повышение стабильности и точности установки токов тиристоров, а также снижение потерь энергии в цепи управления тиристоров и расширение функциональных возможностей. The purpose of the invention is the elimination of these disadvantages, i.e. increasing the stability and accuracy of installation of thyristor currents, as well as reducing energy losses in the thyristor control circuit and expanding functionality.

Цель достигается тем, что в импульсном ультразвуковом генераторе, содержащем регулировочный потенциометр, магнитострикционный преобразователь, первый вывод обмотки которого через корректирующую параллельную RC-цепь соединен с первым выводом источника электроэнергии, второй вывод обмотки магнитострикционного преобразователя через тиристорный ключ, состоящий из двух встречно-параллельно включенных тиристоров, соединен с вторым выводом источника электроэнергии, в управляющие цепи тиристоров тиристорного ключа введена система импульсно-фазового управления, включающая первое и второе симметричные взаимодополняющие плечи, каждое из которых состоит из параллельно включенных конденсатора и диода, первые выводы которых соединены с эмиттером p-n-p-транзистора собственного плеча, коллектор которого соединен с базой n-p-n-транзистора собственного плеча, коллектор и эмиттер которого соединены соответственно с базой p-n-p-транзистора и управляющим электродом тиристора собственного плеча, катод которого соединен с вторыми выводами конденсатора и диода и первым выводом резистора собственного плеча, второй вывод которого соединен с базой p-n-p-транзистора собственного плеча и через опорный резистор с базой p-n-p-транзистора второго плеча, эмиттер которого через регулировочный потенциометр соединен с эмиттером p-n-p-транзистора первого плеча. The goal is achieved by the fact that in a pulsed ultrasonic generator containing a control potentiometer, a magnetostrictive transducer, the first terminal of the winding of which is connected through a correcting parallel RC circuit to the first terminal of the electric power source, and the second terminal of the winding of the magnetostrictive transducer through a thyristor switch, consisting of two counter-parallel connected of thyristors, connected to the second output of the electric power source, an impulse system is introduced into the control circuits of the thyristors of the thyristor switch phase-to-phase control, including the first and second symmetrical complementary arms, each of which consists of a parallel-connected capacitor and diode, the first conclusions of which are connected to the emitter of the pnp transistor of its own arm, the collector of which is connected to the base of the npn transistor of its own arm, the collector and emitter which are connected respectively to the base of the pnp transistor and the thyristor control electrode of the own arm, the cathode of which is connected to the second terminals of the capacitor and diode and the first terminal of the resistor and own arm, the second terminal of which is connected to the base of p-n-p-transistor self shoulder and across the reference resistor with the base of p-n-p-transistor of the second arm, the emitter of which through an adjusting potentiometer is connected to the emitter of p-n-p-transistor of the first arm.

Новизна предлагаемого изобретения объясняется тем, что управление каждым тиристором выполняется не амплитудно-фазным (т.е. угол открытия, или фаза открытия, зависит от величины амплитуды тока управления, определяемой величиной сопротивления потенциометра), а импульсно-фазовым способом, т.е. фаза открытия тиристора определяется временем задержки импульса тока управления от начала действия полусинусоиды напряжения сети, соответствующей полярности. Стабильность повышается за счет того, что при импульсном управлении параметры самих тиристоров и температура окружающей среды не оказывают заметного влияния на фазу включения тиристора, которая определяется параметрами системы импульсно-фазового управления (СИФУ). Точность установки токов тиристоров и устранение их разбаланса достигаются тем, что фаза открытия обоих тиристоров изменяется одним и тем же потенциометром, задающим одинаковые токи заряда генераторов пилообразного напряжения (ГПН) СИФУ каждого тиристора. The novelty of the invention is explained by the fact that each thyristor is controlled not by amplitude-phase control (i.e., the opening angle, or opening phase, depends on the magnitude of the control current amplitude determined by the resistance value of the potentiometer), but by a pulse-phase method, i.e. the thyristor opening phase is determined by the delay time of the control current pulse from the onset of the action of a half-sine wave of the mains voltage corresponding to the polarity. The stability is increased due to the fact that, under pulsed control, the parameters of the thyristors themselves and the ambient temperature do not significantly affect the turn-on phase of the thyristor, which is determined by the parameters of the pulse-phase control system (SIFU). The accuracy of setting the thyristor currents and eliminating their imbalance is achieved by the fact that the opening phase of both thyristors is changed by the same potentiometer, which sets the identical charge currents of the sawtooth voltage generators (GPN) of the SIFU of each thyristor.

Расширение функциональных возможностей предлагаемого устройства достигается тем, что с помощью импульсно-фазового управления удается включать тиристоры с фазой управления не только в диапазоне 0-90 эл.град при амплитудно-фазовом управлении устройства-прототипа, но и в диапазоне 90-180 эл.град. Это позволяет при той же выходной импульсной мощности МСП увеличить в спектре ультразвука содержание высших гармоник и снизить мощность потерь МСП. The expansion of the functionality of the proposed device is achieved by the fact that with the help of pulse-phase control it is possible to turn on thyristors with a control phase not only in the range of 0-90 el. Grad when the amplitude-phase control of the prototype device, but also in the range of 90-180 el. . This makes it possible to increase the content of higher harmonics in the ultrasound spectrum at the same output pulsed power of the SME and to reduce the power of the loss of the SME.

Снижение мощности потерь в цепи управления тиристорами достигается тем, что энергия импульса управления, надежно открывающего тиристор, в десятки и сотни раз меньше энергии, затрачиваемой в регулировочном потенциометре в течение времени задержки включения тиристора (т.е. фазы управления). В предлагаемом устройстве энергия импульса управления СИФУ тиристором накапливается на конденсаторе ГПН, который одновременно выполняет функции времязадающего элемента. Это значительно упрощает и унифицирует предлагаемое устройство. The loss of power in the thyristor control circuit is reduced by the fact that the energy of the control pulse that reliably opens the thyristor is tens and hundreds of times less than the energy spent in the adjustment potentiometer during the delay time of the thyristor (i.e., the control phase). In the proposed device, the energy of the control pulse SIFU by the thyristor is accumulated on the GPN capacitor, which simultaneously performs the functions of a timing element. This greatly simplifies and unifies the proposed device.

На чертеже показана схема предлагаемого генератора. The drawing shows a diagram of the proposed generator.

Импульсный ультразвуковой генератор состоит из четырех основных частей. Первая магнитострикционный преобразователь (МСП) 1 с последовательно включенной корректирующей цепью, содержащей конденсатор 2 и резистор 3. Вторая силовой электронный ключ, содержащий два встречно-параллельно включенных тиристора 4, 5, соединенный последовательно с МСП 1. Третья две одинаковых СИФУ 6, 7, каждая из которых одним и тем же выводом соединена с катодом соответствующего тиристора, а двумя одинаковыми другими между собой через общий регулировочный потенциометр 8 и общий резистор 9 цепи опорного напряжения ГПН каждой СИФУ. A pulsed ultrasonic generator consists of four main parts. The first magnetostrictive converter (ICM) 1 with a series-connected correction circuit containing a capacitor 2 and a resistor 3. A second power electronic switch containing two counter-parallel connected thyristors 4, 5 connected in series with the ICM 1. The third two identical SIFUs 6, 7, each of which is connected with the same output to the cathode of the corresponding thyristor, and with two identical others through a common adjusting potentiometer 8 and a common resistor 9 of the GPN voltage reference circuit of each SIFU.

Четвертая источник 10 электроэнергии переменного тока. В свою очередь, каждая СИФУ (6 или 7) состоит из полупроводникового диода 11, соединенного анодом с первым выводом СИФУ, который подключен к катоду тиристора; катодом с вторым выводом СИФУ, соединенным с одним из выводов регулировочного потенциометра 8. В СИФУ входит также конденсатор 12 ГПН, подключенный параллельно диоду 11; резистор 13, создающий опорное напряжение ГПН и включенный между анодом диода 11 и третьим выводом СИФУ, подключенным к резистору 9; триггер ГПН, состоящий из двух комплементарных биполярных транзисторов, p-n-p-типа 14 и n-p-n-типа 15, причем коллекторы каждого из них соединены с базой другого транзистора, эмиттер p-n-p-транзистора 14 соединен с катодом диода 11, эмиттер n-p-n-транзистора 15 соединен с четвертым выводом СИФУ, подключенным к управляющему электроду тиристора 5, а база транзистора 14 соединена с третьим выводом СИФУ, соединенным с резистором 9. The fourth source 10 of AC electricity. In turn, each SIFU (6 or 7) consists of a semiconductor diode 11 connected by the anode to the first output of the SIFU, which is connected to the cathode of the thyristor; a cathode with a second SIFU terminal connected to one of the terminals of the adjustment potentiometer 8. The SIPU also includes a GPN capacitor 12 connected in parallel with the diode 11; a resistor 13 that creates a reference voltage of the GPN and is connected between the anode of the diode 11 and the third output of the SIFU connected to the resistor 9; GPN trigger, consisting of two complementary bipolar transistors, pnp type 14 and npn type 15, with the collectors of each of them connected to the base of the other transistor, the emitter of the pnp transistor 14 connected to the cathode of the diode 11, the emitter of the npn transistor 15 connected to the fourth the output of the SIFU connected to the control electrode of the thyristor 5, and the base of the transistor 14 is connected to the third output of the SIFU connected to the resistor 9.

Предлагаемое устройство работает следующим образом. Пусть положительное синусоидальное напряжение источника 10 прикладывается к аноду тиристора 5. При этом диод 11 СИФУ 7 блокирует работу СИФУ 7, пропуская токи регулировочного потенциометра 8 и цепи опорного напряжения ГПН резистора 9 с учетом открытого состояния базо-эмиттерного перехода транзистора 14 СИФУ 7. Ток потенциометра 8 заряжает конденсатор 12 СИФУ 6, а ток резистора 9, протекая по резистору 13 СИФУ 6, создает опорное напряжение на базе транзистора 14 СИФУ 6. До тех пор, пока напряжение на конденсаторе 12 СИФУ 6 не превысит опорное напряжение на резисторе 13, транзистор 14, а значит, и 15 будут закрыты и, следовательно, тиристор 5 будет в закрытом состоянии. Когда же напряжение на конденсаторе 12 СИФУ 6 превысит напряжение на резисторе 13 СИФУ 6, откроется эмиттерно-базовый переход транзистора 14 СИФУ 6, что приведет к резкому увеличению коллекторных токов обоих транзисторов, взаимоусилению их базовых токов ввиду 100%-ной положительной обратной связи между транзисторами и, в конечном итоге, к насыщению коллекторно-эмиттерных переходов обоих транзисторов. Т. е. за несколько микросекунд сопротивление между эмиттерами обоих транзисторов понизится с единиц мегаОМ до единиц Ом (почти в миллион раз). Это позволит в результате импульсного разряда конденсатора 12 СИФУ 6 по цепи открытых транзисторов 14 и 15 и управляющего перехода тиристора 5 создать импульс тока, достаточный для открытия тиристора 5. После открытия тиристора 5 цепи обеих СИФУ блокируются и подготавливаются для работы в следующем полупериоде, в частности происходит рассасывание неосновных носителей тока в базах обоих насыщенных транзисторов и они восстанавливают начальное закрытое состояние. The proposed device operates as follows. Let the positive sinusoidal voltage of the source 10 be applied to the anode of the thyristor 5. In this case, the diode 11 of the SIFU 7 blocks the operation of the SIFU 7, passing the currents of the regulating potentiometer 8 and the reference voltage circuit of the GPN of the resistor 9, taking into account the open state of the base-emitter junction of the transistor 14 of the SIFU 7. Potentiometer current 8 charges the capacitor 12 SIFU 6, and the current of the resistor 9, flowing through the resistor 13 SIFU 6, creates a reference voltage based on the transistor 14 SIFU 6. Until the voltage across the capacitor 12 SIFU 6 does not exceed the reference voltage and the resistor 13, the transistor 14, and thus the 15 will be closed and, therefore, the thyristor 5 is closed. When the voltage on the capacitor 12 SIFU 6 exceeds the voltage on the resistor 13 SIFU 6, the emitter-base junction of the transistor 14 SIFU 6 will open, which will lead to a sharp increase in the collector currents of both transistors, the mutual amplification of their base currents due to 100% positive feedback between the transistors and, ultimately, saturation of the collector-emitter junctions of both transistors. That is, in a few microseconds the resistance between the emitters of both transistors will drop from megaohm units to units of ohms (almost a million times). This will allow, as a result of the pulsed discharge of the capacitor 12 SIFU 6 along the open transistors 14 and 15 and the control transition of the thyristor 5, to create a current pulse sufficient to open the thyristor 5. After opening the thyristor 5, the circuits of both SIFUs are blocked and prepared for operation in the next half-cycle, in particular the minority carriers are resorbed in the bases of both saturated transistors and they restore the initial closed state.

После открытия тиристоров 5 напряжение сети приложится к обмотке МСП 1 и корректирующей цепи 2, 3, что вызовет возникновение в сердечнике МСП ультразвуковых колебаний. Амплитуду этих колебаний можно регулировать потенциометром 8 в широком диапазоне от нуля до максимума. After the thyristors 5 are opened, the mains voltage will be applied to the winding of the ICF 1 and the correction circuit 2, 3, which will cause ultrasonic vibrations in the core of the ICP. The amplitude of these oscillations can be adjusted by potentiometer 8 in a wide range from zero to maximum.

Для другой полярности питающего напряжения сети описанный процесс повторится, но только уже будет необходимо рассматривать цепи и элементы СИФУ 7 и тиристора 4. For a different polarity of the mains supply voltage, the described process will be repeated, but it will only be necessary to consider the circuits and elements of SIFU 7 and thyristor 4.

Claims

A PULSE ULTRASONIC GENERATOR comprising an adjustment potentiometer, a magnetostrictive transducer, the first winding of which is connected through a correcting parallel RC circuit to the first output of the electric power source, and the second output of the magnetostrictive transducer winding through a thyristor switch, consisting of two on-parallel connected thyristors connected to the second an electric power source, characterized in that a pulse-phase system is introduced into the control circuits of the thyristor key thyristors call control, including the first and second symmetrical complementary arms, each of which consists of parallel connected capacitors and a diode, the first conclusions of which are connected to the emitter of the pnp transistor of the own arm, the collector of which is connected to the base of the npn transistor of the own arm, the collector and emitter of which are connected respectively, with the base of the pnp transistor and the thyristor control electrode of the own arm, the cathode of which is connected to the second terminals of the capacitor and diode, and the first terminal of the resistor with GOVERNMENTAL shoulder, a second terminal connected to the base of p-n-p-transistor self shoulder and across the reference resistor with the base of p-n-p-transistor of the second arm, emitter of which through an adjusting potentiometer is connected to the emitter of p-n-p-transistor of the first arm.