книги / Тиристорные генераторы ультразвуковой частоты

С.В.Ш АПИ РО

В.Г.КАЗАНЦЕВ

В.В.КАРТАШ ЕВ

Р.Н.КИЯМОВ

ТИРИСТОРНЫЕ

ГЕНЕРАТОРЫ

УЛЬТРАЗВУКОВОЙ

ЧАСТОТЫ

М О СК ВА ЭНЕРГОАГОМИЗДАТ

19Ô6

ББК 31.264.5 Ш 23

УДК 621.314.27

Р е ц е н з е н т доктор т.ехн. наук А'^ С.-Васильев

© Энергоатомиздат, 1986

Технологические процессы, основанные на использова­ нии ультразвука, стали неотъемлемой частью современной промышленности. Использование ультразвука для непо­ средственного воздействия на материалы привело к необ­ ходимости генерирования акустических колебаний ультра­ звуковой частоты мощностью от единиц до десятков и со­ тен киловатт, которые применяются для воздействия на расплавленный металл с целью его дегазации и рафини­ рования, в сварке —для значительного упрочнения швов, коагуляции аэрозолей, воздействия на химические процес­ сы, эмульгирования, диспергирования, кристаллизации, механической обработки, пластической деформации. Мощ­ ные ультразвуковые волны используются в медицине и биологии — микромассаже, ультразвуковой терапии и хи­ рургии, пастеризации и т. п.

При воздействии на материалы возникают различные нелинейные эффекты, характерные для ультразвуковых акустических колебаний. В газообразных средах возника­ ют акустические течения, ускоряющие в несколько раз тепломассообмен. В жидкостях существенную роль игра­ ет процесс кавитации — возникновение пульсирующих пу­ зырьков вследствие мгновенного местного понижения дав­ ления в жидкой массе. На кавитации основаны такие про­ цессы, как диспергирование, дегазация, улучшение кри­ сталлизации металлов и т. п. В твердых телах под воз­ действием ультразвука уменьшаются предел текучести и трение движущихся относительно друг друга тел, проис­ ходит упрочнение поверхности, снятие остаточных напря­ жений и т. п.

Расширение диапазона использования ультразвука в современной технологии ставит новые задачи по созданию источников питания, генерирующих колебания в диапазо­ не частот 18—66 кГц. Главные из них —обеспечение не­ обходимой энергоемкости, хорошей управляемости, ком­ пактности источников питания.

На протяжении ряда последних лет в Уфимском ор­ дена Ленина авиационном институте им. Серго Орджони­ кидзе {УАИ) ведутся интенсивные научные исследования и опытно-конструкторские работы по разработке и про-

3

мышленному внедрению тиристорных источников питания магнитострикционных преобразователей электромагнит­ ных колебаний в акустические.

Результаты этой работы, а также анализ публикаций по данной тематике послужили основой предлагаемой книги.

Использование тиристорных генераторов в качестве источников тока ультразвуковой частоты имеет ряд пре­ имуществ по сравнению с источниками, основанными на

Следует подчеркнуть, что серийное освоение мощных высокочастотных тиристоров и их усовершенствование со­ здало стабильную базу для развития ультразвуковых ге­ нераторов.

Авторы книги ставили перед собой в качестве основ­ ной цели ознакомить читателя с основными схемами ти­ ристорных генераторов ультразвуковой частоты, исполь­ зуя которые удалось создать промышленные образцы мощностью 1—100 кВт, частотой 18—30 кГц, характери­ стиками этих генераторов и системами автоматического управления ими. В текст включены материалы по модели­ рованию магнитостриктора, так как процессы в послед­ нем неотделимы от процессов в генераторе.

Книга состоит из четырех глав. Глава I, посвященная

гл. 2, содержащая элементы общей теории ультразвуко­ вых генераторов, написана С. В. Шапиро. Главы 3 и 4,

стем управления ими, написаны С. Б. Шапиро, В. Г. Ка­ занцевым, В. В. Карташевым и P. Н. Киямовым.

Авторы приносят искреннюю благодарность сотрудни­ кам УАИ, оказавшим большую помощь при проведении экспериментов и обработке результатов, и будут весьма признательны читателям за замечания и советы по книге. Просим их направлять по адресу: 113114, Москва, М-114, Шлюзовая наб., 10, Энергоатомиздат.

А в т о р ы

и информации в ультразвуковом комплексе. На схеме С — питающая сеть, Г — генератор, П — магнитострикциониый преобразователь, Н — нагрузка (среда облучения), У — блок управления, О — оператор или внешнее программное устройство.

1.2. Магнитострикционные напряжения в ферромагнитных сердечниках

Как известно [9, 31, 32], любой ферромагнитный материал состоит из доменов — областей спонтанного намагничивания. Каждую из этих областей можно моделировать контуром с током, магнитный момент которого можно принять равным /п». При воздействии на ферромагне­ тик внешнего магнитного поля все элементарные контуры с током ори­ ентируются одинаково — рис. 1.2,а, и их можно заменить результирую­ щим эквивалентным током, протекающим вдоль боковой поверхности пластины ферромагнетика. Значение этого тока, приходящееся на еди­

где V— объем пластины.

Между напряженностью внешнего магнитного поля И, намагни­ ченностью М и магнитной индукцией В имеет место следующее соот­

На рис. 1.2,6 дана модель ферромагнитной пластины с протекаю­ щим вдоль ее поверхности эквивалентным током намагничивания. Меж­ ду противоположными гранями пластины возникают отталкивающие силы магнитного взаимодействия Fy и Fz. Между горизонтальными слоями пластины, направление токов в которых совпадает между со­ бой, возникают силы притяжения. При соотношении между размерами

Fz= 0.

Рис. 1.3. К объяснению действия пондеромоторных сил внутри ферро­ магнетика:

а — вдоль оси х\ б — вдоль оси у

Из (1.4) находим значения продольного и поперечного механиче­ ского (пондеромоторного) напряжения в ферромагнитной пластине

®мл:— Fх[аЬ = 0,5 ВН ;

(1 .5)

°.му = Fy/ah = 0,6(B*/h>)-

•Нетрудно убедиться в том, что

(1.5а)

так как

|Л0<В///.

Движение доменов при воздействии на ферромагнетик магнитного поля вызывает нарушение электрического равновесия между ионами кристаллов. Возникают внутренние напряжения, которые обусловли­ вают расширение или сжатие материала. Э.то явление называется магнитострикцией. Доминирующую роль в ее возникновении играют силы электрического взаимодействия. Поскольку эти силы являются по своей физической природе вторичными, вызванными силами магнитного взаи­ модействия [см. (1.4) и (1.5)], они пропорциональны квадрату магнит­ ной индукции [9, 19, 31, 32, 37].

Напряжение магнитострикции

Ом= Ом,n-f-Ом>м»

где Ом,э и Ом.м — напряжения магнитострикции, обусловленные соот­ ветственно электрическим и магнитным взаимодействиями. Из сказан-

где коэффициент пропорциональности Км может быть положительным или отрицательным в зависимости от результата электрического взаи­ модействия ионов доменов, возникающего при намагничивании. Значе­

Некоторое влияние на магнитострикционный эффект оказывает взаимодействие вихревых токов с магнитным полем сердечника. Одна­ ко у обычных ферромагнитных материалов оно незначительно.

В магнитострикторах применяются следующие материалы: никель,

а — теоретическое; б — экспериментальное для поликристаллического никеля