大功率油井超声波电源的设计

论文摘要

随着电力半导体技术和新材料的发展,超声技术广泛应用于生物医疗、器械加工、清洗等各个领域,但是其发展面临着提高超声功率、保证设备正常运行等关键性的问题。为了提高发射功率和工作可靠性,本文以换能器为切入点,分析了容性负载特性的压电换能器的工作原理、阻抗匹配和激发技术,同时对激发过程中的电压、电流信号所提供的信息进行了分析、利用。超声波电源的主电路包括整流、滤波、全桥逆变、可调电感、变压器等部分。本系统重点设计了大功率超声波电源的整体控制方案,保证了电源安全可靠的启动;开发了以AT89S52为核心的全桥逆变控制电路,实现了人机对话接口,为用户提供了电流、电压、频率等参数的显示,并支持手动调节激发频率;设计了自动进行阻抗匹配电感调节的控制电路,通过改变电感磁导率实现了匹配电感值可调,代替了传统的手动调电感的方法;设计了IGBT缓冲电路,保证功率器件的安全以及系统正常运行,对比了不同缓冲电路的保护效果,根据实际情况选择了合适的缓冲电路,并计算了电路中元件参数值。大功率超声波电源以换能器为基础,为了能够在换能器上施加最大的电能,主要解决了阻抗匹配和频率调节两个方面的问题。现场实验结果证实了本系统的设计方向是正确的,超声波电源的输出功率实际测量值达到了54kW。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 超声电源研究的背景及意义
• 1.1.1 功率超声技术的发展历程
• 1.1.2 超声换能器的发展历程
• 1.1.3 超声电源的发展现状及研究意义
• 1.2 本文的内容和安排
• 第二章 压电换能器的特性
• 2.1 探头的阻抗特性
• 2.2 压电换能器的测量原理
• 第三章 电源系统整体结构和工作流程
• 3.1 系统整体流程设计
• 3.2 整流与逆变器件的选择
• 3.2.1 整流电路器件的选择
• 3.2.2 逆变电路功率器件的选择
• 3.3 阻抗匹配设计
• 3.3.1 电压、电流检测电路
• 3.3.2 电压、电流相位差指示电路
• 3.3.3 阻抗匹配
• 3.3.4 实验验证阻抗匹配电路的工作效果
• 第四章 逆变电路的控制与驱动
• 4.1 驱动电路
• 4.1.1 驱动板原方电路设计与参数计算
• 4.1.2 驱动板副方电路设计与参数计算
• 4.1.3 驱动电路PCB 设计
• 4.2 控制电路
• 4.2.1 单片机的硬件设计电路
• 4.2.2 单片机的软件设计
• 4.2.3 改进的单片机系统设计
• 4.3 实验验证及讨论
• 4.3.1 IGBT 短路实验
• 4.3.2 IGBT 正常负载下的Uce 响应实验
• 4.3.3 半桥模式下同一桥臂上Ug 响应实验
• 4.4 本章小结
• 第五章 缓冲电路的设计
• 5.1 缓冲电路的比较
• 5.2 实际缓冲电路的设计和参数计算
• 第六章 总结与展望
• 参考文献
• 发表论文和参加科研情况说明
• 附录
• 致谢