門艷旗,張偉光,李金博,李聯(lián)通

(哈爾濱師范大學(xué))

0 引言

在工業(yè)管道工作的過程中，由于水中易溶鹽類的受熱分解、某些結(jié)垢物質(zhì)溶解度降低析出、水中鹽類的化學(xué)反應(yīng)、金屬腐蝕等原因，管道內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象不可避免的會(huì)出現(xiàn).而水垢的積累會(huì)造成鍋爐熱效率降低，增加燃料的消耗、金屬受熱面過熱事故、沉積物下腐蝕、增加檢修和清洗費(fèi)用、縮短設(shè)備使用壽命等危害.水垢問題的影響早在1993年就有專家學(xué)者進(jìn)行了研究，Steinhagen[1]對(duì)新西蘭當(dāng)?shù)囟嗉移髽I(yè)的 3000 多臺(tái)換熱器設(shè)備進(jìn)行了調(diào)查和研究，得到的結(jié)論是其中 90%以上的換熱器都存在著水垢問題.實(shí)踐表明換熱設(shè)備在熱力發(fā)電、石油開采、冶金化工等很多行業(yè)中都起著至關(guān)重要的作用.另外還有研究表明，目前我國(guó)現(xiàn)在擁有的40多萬臺(tái)鍋爐中，每年因?yàn)榻Y(jié)垢嚴(yán)重而導(dǎo)致的事故發(fā)生的數(shù)量超過總數(shù)的20%.水垢造成的問題是使設(shè)備維修的周期變短，使工人維護(hù)的工作量增加，使設(shè)備的正常運(yùn)行時(shí)間縮短，后果是導(dǎo)致生產(chǎn)的產(chǎn)量下降.而且，水垢的堆積會(huì)使管道直徑變小，造成管道排量減小甚至出現(xiàn)管道堵塞，從而造成了能源的浪費(fèi)，僅鍋爐這一個(gè)燃料浪費(fèi)就達(dá)到千萬噸.水垢還會(huì)有很多危害，例如加劇管道的局部腐蝕甚至穿孔造成災(zāi)害性事故、加劇水中細(xì)菌滋生使管道污染嚴(yán)重、溶解氧含量降低影響水質(zhì)等[2].

因此，為了有效降低工業(yè)管道由于水垢的積累造成的損失，運(yùn)用有效的除垢防垢措施保證安全高效生產(chǎn)已經(jīng)成為一些企業(yè)急需解決的問題.傳統(tǒng)的物理除垢方法目前比較認(rèn)可的方式有超聲波、磁化、共振等方式.它們?cè)谧韫浮⒎拦阜矫嬗幸欢ǖ男Ч?一些化學(xué)方法是通過在溶液中加入一定量的阻垢劑，改變水的一系列物理化學(xué)特性，從而起到一定的阻垢作用.它的缺點(diǎn)是成本較高，易造成二次污染和對(duì)管道、換熱器有一定的腐蝕且除垢的作用有限.對(duì)于已經(jīng)出現(xiàn)結(jié)垢影響到熱傳導(dǎo)的情形時(shí)，一般多是采用酸洗加高壓沖洗的方式對(duì)換熱器等進(jìn)行維護(hù).但是酸洗后大量的產(chǎn)物及殘液對(duì)公共環(huán)境破壞極大，也難以監(jiān)管.同時(shí)，對(duì)酸洗強(qiáng)度與時(shí)間的把握完全依賴操作者的經(jīng)驗(yàn)，很容易在除垢的同時(shí)，也損壞了管網(wǎng)、熱交換器本體.

電磁防垢與化學(xué)藥劑防垢相比，其特點(diǎn)是不消耗化學(xué)試劑、少腐蝕、無污染、成本低、維修簡(jiǎn)單、安裝管理方便.該文將介紹基于ARM信號(hào)源的掃頻電磁除垢裝置的功率放大電路部分，掃頻除垢裝置的優(yōu)點(diǎn)是電壓可分檔調(diào)節(jié)，輸出功率較大且功率可變，且信號(hào)源的頻率從30 Hz連續(xù)變到14.3 kHz[3]，能有效的運(yùn)用共振頻率去除水垢.該文所述功率放大電路的優(yōu)點(diǎn)是兩組IGBT輪流導(dǎo)通且能保證不會(huì)同時(shí)導(dǎo)通，功率放大電路會(huì)輸出較大功率帶動(dòng)負(fù)載線圈工作.

1 電源及功率放大電路的實(shí)現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)整體描述

科學(xué)研究表明，水分子是由一個(gè)氧原子和兩個(gè)氫原子組成的.通常情況下，水分子是由氫鍵鏈接成水分子團(tuán)共同存在的.當(dāng)交變電磁場(chǎng)作用于水中，即變化的電場(chǎng)作用在水分子團(tuán)上，水分子在合適頻率的電磁場(chǎng)作用下產(chǎn)生共振，由于氫鍵不像共價(jià)鍵那樣牢固，當(dāng)震動(dòng)的能級(jí)較大，高于氫鍵的鍵能時(shí)，氫鍵會(huì)因?yàn)檎饎?dòng)過于強(qiáng)烈而斷開，此時(shí)分子的結(jié)構(gòu)被改變了.改變后的水分子中的結(jié)垢晶體顆粒的溶解度增加了，使水垢物質(zhì)比較不容易析出.同時(shí)變化中的電磁場(chǎng)會(huì)使水中的鈣離子和碳酸根離子相互碰撞，形成特殊的文石碳酸鈣體[4-5]，由于其不易吸附在管道壁上，從而達(dá)到了預(yù)防水垢的目的.該文設(shè)計(jì)的除垢裝置優(yōu)點(diǎn)是電磁場(chǎng)的頻率是連續(xù)變化的，從而其中一定會(huì)有一個(gè)最佳的頻率使水分子與其達(dá)到共振，使氫鍵斷裂，因此達(dá)到更好的防垢、除垢的效果.而且變化的頻率使該裝置的使用范圍更廣泛，除垢效果更好.

如圖1所示是本系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖.該裝置主要由信號(hào)發(fā)生電路、IGBT全橋驅(qū)動(dòng)模塊、分檔可調(diào)電源、以及可調(diào)節(jié)負(fù)載線圈組成.

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)框圖

其中變壓器是B0D600環(huán)形變壓器，電路中采用抽頭方式改變電壓值.電壓值從0V到30V分檔變化，一方面能滿足裝置所需要的工作方式可變及功率可調(diào)節(jié)的要求，另一方面變壓輸出比較穩(wěn)定且成本低廉.變壓器輸出電壓經(jīng)過大功率繼電器實(shí)現(xiàn)大電流輸出，繼電器輸出電壓由旋鈕選擇，同時(shí)LED小燈直觀的指示繼電器的輸出電壓值.輸出電壓經(jīng)過整流濾波后輸送到IGBT功率放大模塊，同時(shí)單片機(jī)STM32輸出四路帶死區(qū)的方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)兩組IGBT輪流導(dǎo)通，從而使負(fù)載線圈中電流發(fā)生變化產(chǎn)生變化電磁場(chǎng)，帶動(dòng)負(fù)載達(dá)到除垢的目的.

1.2 電源的實(shí)現(xiàn)

首先電源通過保險(xiǎn)絲，再經(jīng)過整流濾波實(shí)現(xiàn)電源的穩(wěn)定供給.電壓通過變壓器、繼電器模塊以及switch連接的旋鈕選擇開關(guān)及LED小燈指示模塊，來完成電壓的分檔可調(diào)節(jié).撥動(dòng)旋鈕開關(guān)來選擇繼電器輸出電壓檔位，通過L1—L10顯示當(dāng)前選擇的電壓值.輸出的電壓值再經(jīng)過整流濾波送到IGBT驅(qū)動(dòng)模塊，電壓值選擇及指示模塊如圖2所示，繼電器連接電路圖如圖3所示.

該方法可以實(shí)現(xiàn)電壓值的分檔可調(diào)節(jié)，既有穩(wěn)定的電壓值輸出又有LED指示燈的直觀顯示，高效方便.

1.3 功率放大電路的實(shí)現(xiàn)

該裝置采用IGBT全橋驅(qū)動(dòng)的方法實(shí)現(xiàn)功率的放大，功率放大電路中的 IGBT 選用 2MBI100VA-060-50模塊，耐壓值 600 V，最大電流100A.IGBT 具有電壓控制、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)功率小、控制電路簡(jiǎn)單、開關(guān)損耗小、通斷速度快和工作頻率高等優(yōu)點(diǎn).

該裝置的全橋功率放大電路圖如圖4所示.CD4013BCM是觸發(fā)器 CD4011BCM是異或門電路.組成N/2分頻電路.TLP250為光耦隔離驅(qū)動(dòng).IGBT的開關(guān)特性和其安全工作區(qū)隨著柵極驅(qū)動(dòng)電路的變化而變化的特性要求驅(qū)動(dòng)電路必須有很好的性能.為了使IGBT能穩(wěn)定安全的工作，IGBT的驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該滿足以下幾點(diǎn)：第一，柵極驅(qū)動(dòng)電路向IGBT提供的正向柵壓應(yīng)該適當(dāng).在IGBT導(dǎo)通后，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供給IGBT的驅(qū)動(dòng)電壓和電流要有足夠的幅度，滿足使IGBT的功率輸出級(jí)總是處在飽和的狀態(tài).當(dāng)出現(xiàn)瞬時(shí)過載現(xiàn)象時(shí)，柵極驅(qū)動(dòng)電路提供的驅(qū)動(dòng)功率應(yīng)該足以保證IGBT不退出飽和工作區(qū).第二，驅(qū)動(dòng)電路滿足能向IGBT提供足夠的反向柵壓.在IGBT關(guān)斷期間，最佳的狀態(tài)是給處于截止?fàn)顟B(tài)的IGBT加上一個(gè)足夠的反向柵壓，使IGBT在柵極出現(xiàn)開關(guān)噪聲時(shí)仍能保證處于截止?fàn)顟B(tài).第三，驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該有柵極電壓限幅電路部分，保護(hù)柵極不被擊穿.第四，驅(qū)動(dòng)電路要求有足夠的輸入、輸出電隔離的能力.因?yàn)镮GBT多用于高壓場(chǎng)合，所以驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)該與整個(gè)控制電路在電位上嚴(yán)格隔離，在隔離電路中，多采用高速光耦合隔離或變壓器耦合隔離，該文所設(shè)計(jì)的功率放大電路采用光耦隔離的方法.第五，IGBT的柵極驅(qū)動(dòng)電路要盡可能的使用且簡(jiǎn)單.應(yīng)該有很強(qiáng)的抗干擾能力和IGBT的完整保護(hù)功能，同時(shí)輸出阻抗應(yīng)盡可能的低.

圖2 電壓值選擇及指示模塊

圖3 繼電器連接電路圖

1N4747A是穩(wěn)壓二極管，組成柵極過壓保護(hù)電路.目的是為了在運(yùn)行過程中，使IGBT受到保護(hù)以避免其脫離其安全工作區(qū)，使IGBT的壽命縮短甚至損壞的情況出現(xiàn).當(dāng)IGBT發(fā)生短路時(shí)，集電極會(huì)造成IGBT柵極電位的抬升，此時(shí)柵極過壓保護(hù)電路就會(huì)動(dòng)作，通過穩(wěn)壓管，將門極電壓鉗位住，短路電流不至于超過規(guī)定的范圍.

1N4739A穩(wěn)壓二極管的參數(shù)為9.1V、1W，用于提供0V以下負(fù)電壓.

圖4 全橋功率放大電路

1.4 工作過程描述

為了解決裝置多部分需要交流220V電源的問題，首先將輸入的220V電源通過整流濾波，輸出多個(gè)220V供電電壓，裝置如圖5所示.電源經(jīng)過變壓器，變壓器抽頭的方式輸出2V、4V、6V…30 V電壓與大功率繼電器相連接，通過旋鈕開關(guān)選擇繼電器輸出電壓值并有LED指示相應(yīng)的輸出電壓檔位.繼電器輸出的電壓，經(jīng)過電容器的整流濾波作用給IGBT供電，STM32輸出四路帶死區(qū)的方波信號(hào)，驅(qū)動(dòng)兩組IGBT輪流導(dǎo)通，在負(fù)載線圈中產(chǎn)生交變的電磁場(chǎng)，帶動(dòng)負(fù)載工作.信號(hào)從30Hz連續(xù)變到14.3KHz，適用范圍廣泛且除垢效果良好.

圖5 供電電源電路圖

2 結(jié)束語

該文設(shè)計(jì)的基于ARM信號(hào)源的掃頻電磁除垢器的功率放大電路具有較好的工作穩(wěn)定性.電路中采用的驅(qū)動(dòng)電路為光耦驅(qū)動(dòng)方式，保證了IGBT穩(wěn)定安全的工作.此外柵極過壓保護(hù)電路使IGBT在工作過程中受到保護(hù)，原理是避免IGBT在工作過程中出現(xiàn)脫離安全工作區(qū)的情況，以保證IGBT能有較長(zhǎng)的使用壽命.因此，該功率放大電路的良好工作性能對(duì)掃頻除垢裝置的設(shè)計(jì)和研究具有很好的實(shí)踐意義.

參 考 文 獻(xiàn)

[1] Steinhagen R, Steinhagen H M, Maani K. Problems and Costs due to Heat Exchanger Fouling in New Zealand Industries[J]. Heat Transfer Engineering, 1993, 14(1): 20-25.

[2] 蔣文斌.基于變化電磁場(chǎng)的電磁除垢系統(tǒng).碩士學(xué)位論文.中國(guó)計(jì)量學(xué)院，2012.

[3] 王瑤. 基于STM32掃頻除垢設(shè)備信號(hào)源的實(shí)現(xiàn). 哈爾濱師范大學(xué)自然科學(xué)學(xué)報(bào),2016,32(1) :56-58.

[4] Kim W T，Cho Y I. Experimental study of the crystal growth behavior of CaCO3fouling using a microscope[J]．Experimental Heat Transfer，2000，13：153-161.

[5] Fan Chunfu，Cho Y I. Microscopic observation of cal-cium carbonate crystallization induced by an electronic descaling technology[J]．International Communications in Heat and Mass Transfer，1997，24：757-770.