Отечественной промышленностью выпускаются источники элек­трической ультразвуковой энергии, типоразмеры которых пере­крывают необходимую для нужд УЗС часть ряда номинальных

Тип преобразователя

Тип генератора или страна — изготовитель

Мощность

Частота рабочая, кГц

Отечественные обравцы

Пьезоэлектрический

Магнитострикционный

»

»

»

УЗГ1-0,04/22 УЗГ11-0,1/22 УЗГ4-0,4/22 УЗГ2-1,0/22 УЗГ-1,6

40/90

100/200

400/800

1000/2000

1600/3200

20.35—23,65

20.35—23,65

20.35— 23,65

20.35— 23,65 16,65—23,65

Зарубежные образцы

Пьезоэлектрический

ФРГ

НРБ

Япония

»

»

125

630/900

1000/2500

1800/4100

2000/6000

40

19—21

20

18

15

Примечание. УЗШ — ультразвуковое шлифование; УЗРО — УЗС — ультразвуковая сварка. Все типы генераторов имеют АПЧ.

— ультразвуковая

мощностей. В то же время приходится констатировать недостаток таких источников, которые полностью отвечали бы требованиям технологии УЗС. Некоторые из разработанных ВНИИТВЧ им. В. П. Вологдина типов генераторов, которые применяют в на­стоящее время для питания преобразователей сварочных систем машин УЗС или которые могут быть рекомендованы к применению с некоторыми ограничениями, обусловленными характеристиками самих генераторов, приведены в табл. 4.4.

Ультразвуковой транзисторный генератор УЗГ1-0,04/22 был испытан для питания сварочной системы на основе пьезокерами­ческого преобразователя при сварке металлизированной пленки в технологическом процессе изготовления елочных украшений.

Генератор выполнен по схеме с независимым возбуждением, содержащей функциональные блоки: задающий генератор (муль­тивибратор), регулируемый аттенюатор, резонансный усилитель напряжения, усилитель мощности, работающий в режиме В, блок автоматической подстройки частоты (АПЧ) и блок автома­тической подстройки амплитуды (АПА). Система АПЧ выполнена по принципу синхронизации. Блок АПА содержит детектор, ин­тегратор, схему сравнения и усилитель рассогласования, управля­ющий через регулятор аттенюатором. Сигнал обратной связи для обеих систем авторегулирования формируется в выходной цепи генератора с помощью мостовой схемы с дифференциальным трансформатором тока. Такое решение применено во всех моделях генераторов малой и средней мощности, имеющих системы АПЧ и АПА. Генератор имеет электронную схему защиты от перегру-

зок и плавную регулировку выходной мощ­ности и выполнен в виде настольного прибо­ра. Охлаждение — естественное, воздушное.

Отличительной особенностью генератора УЗГ11-0,1/22 (рис. 4.22) является наличие системы АПА, выполненной на основе одно­фазного управляемого выпрямителя на ти­ристорах. Устройство имеет схему элек­тронной защиты и плавную регулировку выходной мощности. Конструктивное испол­нение — настольное. Охлаждение — естест­венное, воздушное.

Примененный в генераторе УЗГ11-0,1/22 усилитель мощности, выполненный по полу — мостовой схеме, работающий в режиме пе­реключения, явился удачным решением. Используя его в качестве базового модуля, можно создавать выходные каскады для раз­работок генераторов большей мощности. Путем последовательного включения таких модулей с источником постоянного нап­ряжения созданы схемы генераторов

Рис. 4.23. Структурная схема
ультразвукового генератора ти-
па УЗГІЗ-1,6:

I — сетевой фильтр; 2 — зада­

ющий генератор; З — мульти­вибратор; 4 — регулирующий

аттенюатор; 5 — предоконеч­ный резонансный усилитель; 6 — усилитель мощности; 7 — электрическая схема выделения сигнала обратной связи; 8 —ис­точник питания транзисторных каскадов; 9 — источник подмаг — ничивания акустического дат­чика; 10 — источник питания се­ток ламп выходного каскада;

II — источник напряжения на­кала ламп; 12 — высоковольт­ный источник; 13 — источник подмагничивания преобразова­теля; 14 — акустический дат­чик; 15 — магнитострикционный преобразователь; 16 — детектор; 17 — интегратор;

18 — схема сравнения

структивно устройство выполнено в настольном исполнении в виде стойки с двумя выдвигающимися блоками. Охлаждение генерато­ра — естественное, воздушное.

В моделях УЗГ4-0.4/22 и УЗГб-0,4/22 модули выходных кас­кадов включаются параллельно источнику постоянного напряже­ния. Генератор УЗГ4-0.4/22 предназначен для питания колеба­тельных систем ультразвуковых швейных машин для сварки не­которых синтетических материалов при изготовлении одежды. Ре­гулируемое электронное реле времени генератора обеспечивает необходимую дозировку ультразвуковой энергии, подводимой в зону сварки, а синхронизирующее устройство — подачу этой энергии синхронно с работой механизма перемещения сваривае­мого материала. Генератор обеспечен схемой электронной защиты от перегрузки и имеет ступенчатую регулировку выходной мощ­ности. Конструктивное исполнение — напольное. Охлаждение — естественное, воздушное.

Генератор УЗГ5-0,4/22 является более мощной моделью базо­вого образца — УЗГ11-0,4/22 и отличается от него только числом модулей в выходном каскаде. Применение этих генераторов в ма­шинах УЗС ограничено инерционными свойствами управляемого выпрямителя.

В настоящее время для питания акустических систем мощно­стью 1,5 кВт в машинах УЗС применяется генератор типа УЗГб-1,6/22. Генератор выполнен по схеме с независимым воз­буждением. Задающий блок представляет собой LC-автогенератор. Каскады предварительного усиления — транзисторные, работают в ключевом режиме. Выходной каскад выполнен по двухтактной схеме на лампах, работающих в режиме В. Генератор имеет реле защиты по току и плавную регулировку выходной мощности. Конструктивно генератор выполнен в напольном исполнении. Охлаждение — принудительное воздушное. Однако, отсутствие систем автоматического регулирования значительно ограничивает область его применения и снижает качество и эффективность

Рис. 4.24. Внешний вид источника питания
УЗГІЗ-1,6

оборудования для УЗС в целом.

Во ВНИИТВЧ им. В. П. Волог­дина разработан новый источ­ник ультразвуковой энергии мощностью 1,6 кВт — это ге­нератор типа УЗГ13-1,6, струк­турная схема которого приве­дена на рис. 4.23. На рис. 4.24 изображен внешний вид гене­ратора.

Генератор выполнен по схе­ме независимого возбуждения с автоматической подстройкой частоты. В качестве задающего генератора в режиме незави­симого возбуждения использу­ется LC-генератор, выполнен­ный с транзистором типа КТ801Б. Усилитель генерато­ра состоит из четырех каскадов: эмиттерного повторителя (тран­зистор КТ315), усилителя (транзистор КТ801Б), двухтакт­ного транзисторного усилителя (транзистор КТ809А) и двух­тактного лампового усилителя мощности (лампы ГУ-84Б). Схема АПЧ выполнена по принципу синхронизации релаксационного генератора (мультивибратора), выполненного на микросхеме типа К140УД2А.

Генератор в режиме АПЧ работает как с электрической схемой выделения, включенной на выходе генератора, так и с акустиче­скими датчиками обратной связи, для чего в генераторе преду­смотрен разъем «синхронизация». Для использования акустиче­ских датчиков, требующих подмагничивания, в генераторе преду­смотрен источник постоянного тока.

Регулирование мощности осуществляется с помощью регули­руемого аттенюатора, выполненного на двух полупроводниковых диодах и включенного между мультивибратором и эмиттерным повторителем усилителя. Пределы регулирования выходной мощ­ности 20—-100 %.

В генераторе имеется система АСА, состоящая из детектора, интегратора и схемы сравнения, подключенной к управляемому входу регулируемого аттенюатора. Источник тока поляризации выполнен по двухфазной однополупериодной схеме на полупро­водниковых диодах типа ВЛ-25, высоковольтный источник пита­ния — на полупроводниковых диодах типа ВЛ-10 по схеме Ла­рионова. Источники низковольтных каскадов и сеток ламп усили­теля выполнены по однофазным мостовым схемам на полупро-

Рис. 4.25. Акустическая система машины типа МТУ-1*5-ЗУХЛ4

с датчиком обратной связи:

/ — преобразователь; 2 — волновод; 3 — фланец; 4 — датчик обратной связи; 5 — регулировочная гайка положения датчика

водниковых диодах. Входные цепи генератора снабжены сетевыми фильтрами. Охлаждение генератора — принудительное воздушное.

Схемы блокировки и защиты не допускают включения генератора при неправильном выбо­ре фазы питающей сети, при неплотно закры­тых дверях генератора или превышении анодного тока вы­ходного каскада генератора. При работе на магнитострикционный преобразователь с сопротивлением Z = 15-*-25 Ом и cos ср ^ 0,5 генератор обеспечивает нагрузку (1,6 ± 0,16) кВт при непрерыв­ном режиме с АПЧ и нагрузку (2 ± 0,2) кВт в режиме независи­мого возбуждения в течение 4 ч работы за восьмичасовую рабочую смену. Генератор имеет два частотных диапазона: (18 ± 1,35) кГц и (22 ± 1,65) кГц, внутри которых осуществляется плавная регу­лировка частоты. Источник подмагничивания обеспечивает ступен­чатое регулирование тока от 10 до 25 А через (2 ± 0,2).

При работе генератора в режиме АПЧ акустической системы (рис. 4.25) сварочной машины типа МТУ-1,5 можно использовать акустическую обратную связь, а для питания колебательных си­стем установок для шовной УЗС включают схему выделения элект­рической обратной связи. В обоих случаях точность АПЧ не ниже 50 Гц. Для обеспечения режима манипуляции в конструкции ге­нератора предусмотрен разъем «манипуляция», через который контакты внешних устройств подключаются к выходу регулируе­мого аттенюатора.

Конструктивно генератор выполнен в напольном исполнении в виде «книжки», что обеспечивает свободный доступ ко всем элементам генератора. В нижней части расположены: сетевой фильтр, силовой трансформатор и блок источника подмагничива­ния магнитострикционного преобразователя. В средней части размещены лампы в держателях-воздуховодах, вентиляционная система, блок компенсирующих конденсаторов, схема выделения АПЧ и выходной трансформатор. На верхней панели смонтиро­ваны источники низковольтных напряжений, схема задающего генератора и транзисторные усилители генератора. На лицевую панель генератора выведены приборы для измерения анодного тока и тока подмагничивания. Здесь же расположены ручки регу­лировки частоты, регулировки мощности, переключатель рода работ — АПЧ «вкл», АПЧ «выкл», выведенный под шлиц по­тенциометр «подстройка АПЧ» для корректировки фазы сигнала обратной связи в цепи авторегулирования, сигналь­ные лампы и кнопки включения и выключения высокого нап­ряжения.

Рис. 4.26. Нагрузочные характеристики генератора с независимым возбуждением:

PQ — подводимая мощность; Р — полезная мощность; Р& — мощность рассеяния на аноде; Р* — электрическая мощность колебательной системы при изменении сопротив­ления нагрузки

Типовые нагрузочные характеристики лампового генератора с независимым возбуждением, показывающие зависимость мощ­ностей и КПД от анодной нагрузки, приведены на рис. 4.26, а [30].

При сопротивлении нагрузки R = 0 вся мощность рассеива­ется на аноде. С увеличением R подводимая мощность Р0 почти не меняется, полезная мощность Р и КПД генератора т растут, а мощность рассеяния уменьшается. При оптимальном сопро­тивлении нагрузки R, что соответствует критическому режиму генератора, полезная мощность максимальна. Дальнейшее уве­личение Ry как это видно из рис. 4.26, а, нецелесообразно, так как генератор переходит в перенапряженный режим. Некоторое время КПД генератора г) немного растет, так как Р убывает мед­леннее Р0у а затем начинает падать в результате сильного иска­жения и прекращения роста анодного напряжения.

Зависимость влияния сварочного усилия на электрическую мощность, поглощаемую механической колебательной системой, показана на рис. 4.26, б (система с продольно-поперечной схемой волноводов, ввод энергии — в узел колебательного смещения, сваривается медь толщиной 6 = 0,2 + 0,2 мм). Из рисунка видно, что кривые имеют хорошо выраженные максимумы (FCB = 120 кН), соответствующие оптимальному сопротивлению нагрузки. Дан­ные, полученные при сварке меди МО толщиной 6 = 0,2 + 0,2 мм, показывают, что максимуму электрической мощности, потребля­емой колебательной системой, соответствует максимальная ме­ханическая прочность сварных соединений (FCB = 1200 Н; РдЛ = = 1,23 кВт; Рсрез = 24 Н).

Снижение или увеличение сварочного усилия вызывает спад электрической мощности, потребляемой механической колебатель­ной системой. Характер изменения кривых на участке, соответ­ствующем FCB = 900-П800 Н, хорошо совпадает с характером изменения полезной мощности Р в зависимости от R.

Начальные участки рассматриваемых нагрузочных характери­стик генератора и мощности, поглощаемой механической колеба­тельной системой при сварочных усилиях FCB = 0; 300; 600 Н, не совпадают, что естественно. Дело в том, что Z электромеханиче­ской колебательной системы при Рсв = 0 не равно нулю. Резо­нансные кривые показывают, что в режиме холостого хода также наблюдается резонансное состояние системы.

Для согласования режима работы генератора с нагрузкой необходимо обеспечить равенство сопротивления нагрузки экви­валентному сопротивлению нагрузочного контура генератора. Связь контура с нагрузкой может быть емкостной, автотрансфор­маторной или трансформаторной. Чаще всего, если нагрузкой слу­жит магнитострикционный преобразователь, применяют схему с выходным трансформатором. Для компенсации индуктивности L преобразователя параллельно или последовательно подключается емкость С, которая образует с индуктивностью L резонансный контур.

При использовании пьезоэлектрических преобразователей, ко­торые являются активно-емкостной нагрузкой, последовательно или параллельно преобразователю включается компенсирующая индуктивность. Заметим, что работа генератора без компенсации реактивной составляющей нагрузки равносильна работе на не­настроенную нагрузку. Это приводит к резкому снижению вы­ходной мощности генератора и практически — к исключению эф­фекта сварки. Частота генератора должна быть равна резонанс­ной частоте нагрузочного контура и механической колебательной системы.

Компенсирующие реактивности рассчитываются по известной формуле, индуктивность или емкость и частота известны из рас­чета преобразователя и корректируются при наладке сварочной установки. Практически согласование производится путем под­бора числа витков понижающей обмотки выходного трансформа­тора и величины компенсирующей емкости. Подбором числа вит­ков выходного трансформатора и величины компенсирующей ем­кости добиваются того, чтобы при синусоидальной форме выход­ного напряжения мощность на выходе была максимальной.