Page 59 - 《应用声学》2021年第3期
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第 40 卷 第 3 期 周持衡等： 基于级联 9 电平技术的大功率超声波电源 377
于换能器空载阶段，相位差法运用于带载阶段，该方
0 引言
法跟踪频率范围较小，换能器受到外界环境影响较
随着超声技术在工业领域的深入研究和广泛 大时无法保持超声波电源在最佳频率状态工作。
应用，人们对于超声波电源的需求也越来越广泛。 考虑到传统超声波电源输出功率不够，本文提
目前功率超声波技术主要应用于超声波焊接、超声 出一种基于级联 9 电平技术的大功率超声波电源，
波清洗和超声波电机等领域 [1−2] 。传统的超声波电 该技术可以显著提高超声波电源的输出功率，并且
源功率多为几百瓦、几千瓦，对于某些大功率场合 可以提高输出电压的波形质量，减小匹配网络中滤
的应用远远不够。超声系统属于谐振系统，要求超 波所需要的电感和电容，加入光伏电源可实现节能
声波电源输出的信号频率必须与换能器谐振频率 减排；提出一种电压差法跟踪换能器的谐振频率。
相同，才能保证换能器在稳定状态工作 [3−4] 。然而 本文首先分析了该超声波电源的系统结构与工作
系统在加工过程中，随着负载及换能器工作温度的 原理，其次简要说明频率自动跟踪算法的控制策
变化，元件暴露在空气中逐渐老化等问题，会导致换 略，最后通过仿真实验验证了该方案的可行性和有
能器谐振频率发生漂移，引起整个系统在失谐状态 效性。
工作甚至导致系统无法正常工作 [5−7] ，因此必须使
超声换能器在谐振状态工作。 1 系统结构与工作原理
文献 [8] 通过工业应用、清洗技术的发展、水处
1.1 系统结构
理应用以及测量技术全面介绍了大功率超声波电
源的工业应用、发展前景。现有文献多采用传统超 图 1 为基于级联 9 电平技术的大功率超声波电
声波电源主电路拓扑，输出功率较小，无法适用于大 源电路结构。Buck电路左侧输入为直流电，光照充
功率场合，因此对大功率超声波电源的研究是必不 足时由光伏电源提供，大功率超声波电源常用于油
可少的。文献 [9] 采用锁相环对谐振频率进行检测 田解堵采油，户外阳光充足，可实现节能减排；光照
跟踪，采样换能器两端的电压电流信号，分析计算电 不充足时由市电经过 AC/DC 整流电路补充能量。
压电流信号的相位关系，调节电源输出频率实现频 超声波电源不工作时可实现光伏发电。Buck 电路
率自动跟踪，该方法在负载变化较大时容易造成相 可调节直流电压大小，用于调整超声波电源的输出
位失锁。文献 [10] 采用基于电流和相位差的方法对 功率。9电平变换器由两个H桥单元级联组成，输出
超声换能器频率进行自动跟踪，将最小电流法运用 9电平电压波形，经过匹配网络通入换能器。
DC/DC
H2
1: 3k Ӝ ૱
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A ٨
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B AC/DC Buck H1
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1:k
C
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图 1 超声波电源系统电路结构
Fig. 1 Circuit configuration of ultrasonic power supply system
1.2 工作原理 为使 9 电平电压波形 U 趋近正弦波 U S ，将正弦
1.2.1 9电平变换器工作原理 波 U S 上下分别均分成 9 份。记切割线编号为 ±m
(m = 1, 2, · · · , 9)，其中，“+” 表示正弦波上半部分
9 电平变换器由两个 H 桥单元级联组成，两个 的切割线，“−” 表示正弦波下半部分的切割线。沿
变压器的变比从上到下依次为 1 : 3k、1 : k (k 为变 编号 ±m 中 m 为奇数的切割线和正弦波的交点依
压器变比系数)。采用适当的调制策略就可以产生 次画纵垂线，从而可以获得 9 电平输出波形和每个
一个9电平的电压，相关电平的组合方式见表1。 H桥单元的输出波形，具体见图 2。
