基于PM50B4LB060的變頻電磁抑垢裝置設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)研究

孫 浩 黃俊峰

(1.吉林化工學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.東北電力大學(xué)，吉林 吉林 132012)

污垢是工業(yè)生產(chǎn)過程中換熱設(shè)備普遍存在的問題[1,2]，換熱設(shè)備結(jié)垢會(huì)降低設(shè)備的傳熱性能，增加燃料耗費(fèi)，引起管道堵塞，增大系統(tǒng)功耗，影響系統(tǒng)安全運(yùn)行[3～5]。諸多抑垢方法中電磁水處理技術(shù)雖然作用機(jī)理還不清晰[6～8]，但因其無二次污染、方便經(jīng)濟(jì)的特點(diǎn)，使其成為目前最為關(guān)注和推崇的抑垢技術(shù)[9,10]。熊蘭等經(jīng)過仿真，得出在相同激勵(lì)條件和處理相同體積水時(shí)，同軸電極式處理腔的電磁能量大、分布不均勻，而纏繞式處理腔電磁能量小、分布均勻[11]；王建國等對(duì)纏繞式變頻電磁水處理器電磁頻率對(duì)抑垢效果的影響進(jìn)行了研究[12]。

變頻電磁水處理裝置是變頻電磁抑垢技術(shù)研究的基礎(chǔ)，許多學(xué)者對(duì)其逆變部分進(jìn)行了研究。張學(xué)孟和王建國應(yīng)用大功率MOS管IRFP460A及IR2110構(gòu)成變頻裝置的驅(qū)動(dòng)和逆變電路[13]；蔣文斌等采用TDA8920BTH構(gòu)成了功率放大電路[14]；費(fèi)繼友等提出了基于STM32F103變頻水磁化處理系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方案并設(shè)計(jì)了硬件電路[7]。以上方法均需要器件構(gòu)成保護(hù)電路。筆者采用PM50B4LB060構(gòu)成變頻抑垢裝置中的逆變電路，降低了變頻電磁水處理裝置的復(fù)雜性，使其具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高的特點(diǎn)。裝置可以長時(shí)間安全穩(wěn)定運(yùn)行，對(duì)電磁抑垢技術(shù)機(jī)理、抑垢效果實(shí)驗(yàn)研究和抑垢裝置工業(yè)應(yīng)用具有重要的作用。

PM50B4LB060是三菱公司應(yīng)用于光伏發(fā)電逆變器設(shè)計(jì)的IPM(Intelligent Power Module)模塊[15]，最大輸入電壓600V，輸出電流50A，最大絕緣電壓2 500V。通過監(jiān)測Tj(Junction Temperature)，可以實(shí)現(xiàn)過熱保護(hù)，而且PM50B4LB060上下橋臂都具有故障信號(hào)輸出功能，同時(shí)其還具有短路、過熱和欠壓監(jiān)測保護(hù)功能。PM50B4LB060內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1所示。

應(yīng)用PM50B4LB060進(jìn)行全橋逆變電路設(shè)計(jì)過程中需要注意PWM信號(hào)的死區(qū)時(shí)間，由于PM50B4LB060要求tdead≥2μs，筆者設(shè)計(jì)的裝置死區(qū)時(shí)間取6μs。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

采用PM50B4LB060作為逆變電路的核心器件構(gòu)成的變頻電磁抑垢裝置由ATmega128A、驅(qū)動(dòng)電路、PM50B4LB060和負(fù)載線圈(螺線管)構(gòu)成。施加磁場的方式為外壁纏繞螺線管方式。其硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。ATmega128A單片機(jī)利用定時(shí)器產(chǎn)生雙路帶死區(qū)的PWM信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)PM50B4LB060進(jìn)行逆變和功率放大，從而使負(fù)載線圈產(chǎn)生交變磁場，同時(shí)ATmega128A監(jiān)測短路、欠壓、過熱保護(hù)信號(hào)，啟動(dòng)相應(yīng)的保護(hù)措施。

圖1 PM50B4LB060的內(nèi)部結(jié)構(gòu)

圖2 變頻電磁水處理器結(jié)構(gòu)框圖

驅(qū)動(dòng)電路由WB1215CS電源隔離模塊、HCPL-4504光耦芯片和PC817光耦芯片構(gòu)成。電路原理如圖3所示。

圖3 應(yīng)用電路原理

3 抑垢效果實(shí)驗(yàn)和分析

實(shí)驗(yàn)中的直流電源為Agilen N5772A，最大輸出電壓600V(DC)，最大輸出電流2.6A，最大功率1 560W。信號(hào)測量采用RIGOL DS1052E，模擬帶寬50MHz，采樣率1GS/s，探頭采用RP2200型無源示波器探頭。直流電源輸出電壓100V，通過程序設(shè)置ATmega128A定時(shí)器輸出兩路1kHz、死區(qū)時(shí)間為6μs的方波信號(hào)，經(jīng)過驅(qū)動(dòng)電路控制PM50B4LB060輸出交流方波。負(fù)載線圈兩端的電壓波形如圖4所示。

采用自行研制的實(shí)驗(yàn)裝置驗(yàn)證筆者設(shè)計(jì)的變頻電磁抑垢裝置的抑垢效果。實(shí)驗(yàn)裝置由冷卻系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)水質(zhì)循環(huán)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)和污垢熱阻計(jì)算系統(tǒng)組成。冷卻系統(tǒng)為水冷系統(tǒng)，冷卻水由工業(yè)用冷水機(jī)(YB-LS-5HP)制備。恒溫水浴中的換熱實(shí)驗(yàn)管段采用U形銅質(zhì)管道。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖5所示。

圖4 負(fù)載線圈兩端電壓波形

圖5 實(shí)驗(yàn)裝置系統(tǒng)

工業(yè)過程中的污垢主要是CaCO3型污垢[16，17]，實(shí)驗(yàn)中采用無水Na2CO3、無水CaCl2按物質(zhì)的量1∶1配置1g/L高硬度水(以CaCO3)作為實(shí)驗(yàn)水質(zhì)研究其抑垢效果。恒溫水浴溫度控制在50℃，流速0.4m/s。經(jīng)過重復(fù)性實(shí)驗(yàn)(周期為10天)，分別記錄無電磁作用和有電磁(頻率為1kHz，磁感應(yīng)強(qiáng)度為200Gs)作用的污垢熱阻，并根據(jù)孫靈芳等采用的抑垢率公式[18]可得污垢熱阻和抑垢率數(shù)據(jù)(表1)。抑垢率公式為：

式中Rf1——未裝變頻電磁水處理器的換熱管污垢熱阻，m2·K/W；

Rf2——安裝變頻電磁水處理器的換熱管污垢熱阻，m2·K/W。

表1 污垢熱阻對(duì)比和抑垢率

根據(jù)污垢熱阻對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可看出：0～24 h內(nèi)施加磁場后的抑垢效果不明顯，污垢熱阻差值僅為0.363 3×10-5m2·K/W；24～168 h內(nèi)施加頻率1kHz、磁感應(yīng)強(qiáng)度200Gs的交變磁場，污垢熱阻及其上升速率均明顯減小,平均污垢熱阻差值為6.714 9×10-5m2·K/W；168～192h內(nèi)施加磁場后的管道污垢熱阻上升速率增加，但污垢熱阻比未施加磁場的管道污垢熱阻小，平均污垢熱阻差值為6.716 8×10-5m2·K/W；192～240h內(nèi)施加磁場和未施加磁場的管道污垢熱阻均不再上升，但施加磁場的管道污垢熱阻比未施加磁場的管道污垢熱阻小，平均污垢熱阻差值為5.585 3×10-5m2·K/W。

4 結(jié)束語

采用PM50B4LB060作為變頻電磁抑垢裝置的變頻逆變部分，可以簡化設(shè)計(jì)過程，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。PM50B4LB060的短路、過熱和欠壓監(jiān)測保護(hù)功能可以有效提高裝置的可靠性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，裝置可以安全穩(wěn)定運(yùn)行，采用該裝置對(duì)實(shí)驗(yàn)水質(zhì)施加磁場可以有效抑制管道CaCO3型污垢的形成，降低污垢熱阻，在120h抑垢率達(dá)到最大值(81.13%)，實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻抑垢率為45.34%，平均抑垢率為60.84%，裝置具有良好的抑垢效果。

[1] 楊善讓，徐志明，孫靈芳．換熱設(shè)備污垢與對(duì)策[M]．北京：科學(xué)出版社，2004.

[2] 陳曉文，張?jiān)缧?，陳二鋒．換熱設(shè)備污垢監(jiān)測及預(yù)測研究進(jìn)展[J]．化工機(jī)械，2005，32(1)：60～64.

[3] 張秀宇，孫偉，劉高生．電磁場對(duì)循環(huán)水致垢水質(zhì)參數(shù)的影響分析[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2013，40(10)：1309～1312，1325.

[4] 張艾萍，徐志明，賀香英．污垢對(duì)管內(nèi)層流對(duì)流換熱場協(xié)同影響的數(shù)值研究[J]．化工機(jī)械，2010，37(2)：204～207.

[5] 嚴(yán)曉宇，萬平玉，張?jiān)婈?，等．冷卻水系統(tǒng)中的污垢熱阻及金屬腐蝕速度的在線監(jiān)測[J]．化工機(jī)械，2000，27(1)：12～15.

[6] 王建國，邸昊，何芳．電磁頻率對(duì)污垢熱阻及電導(dǎo)率的影響[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(6)：761～764.

[7] 費(fèi)繼友，李玉泉，白鑫．水的電磁變頻除垢防垢技術(shù)和實(shí)驗(yàn)研究[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2011，38(2)：157～161.

[8] Higashitani K，Kage A，Katamura S，et al．Effects of a Magnetic Field on the Fomation of CaCO3Particles[J]．Journal of Colloid and Interface Science，1993，156(1)：90～95.

[9] 陳加鵬，熊蘭，胡國輝，等．高頻電磁脈沖處理工業(yè)循環(huán)水的頻率效應(yīng)實(shí)驗(yàn)研究[J]．工業(yè)水處理，2014，34(12)：71～75.

[10] 王建國，劉高生，孫偉．電磁場作用下循環(huán)水污垢熱阻的灰色預(yù)測模型實(shí)驗(yàn)研究[J]．中國電機(jī)工程學(xué)報(bào)，2013，33(11)：61～68.

[11] 熊蘭，伍懿美，席朝輝，等．高頻電磁水處理器處理腔的仿真與設(shè)計(jì)[J]．重慶大學(xué)學(xué)報(bào)，2012，35(9)：94～98.

[12] 王建國，李雨通，鄧麗娟．纏繞式變頻電磁水處理器電磁頻率對(duì)抑垢效果的影響[J]．化工學(xué)報(bào)，2015，66(3)：972～978.

[13] 張學(xué)孟，王建國．不同抑垢效果下電磁場對(duì)CaCO3溶液電導(dǎo)率和pH值的影響[J]．化工自動(dòng)化及儀表，2012，39(5)：587～590.

[14] 蔣文斌，陳華德，李青，等．用于除垢的新型電磁場發(fā)生裝置設(shè)計(jì)[J]．中國計(jì)量學(xué)院學(xué)報(bào)，2011，22(3)：263～267.

[15] 康怡，楊魯發(fā)．IPM在光伏并網(wǎng)逆變器中的應(yīng)用[J]．現(xiàn)代電子技術(shù)，2009，32(20)：209～211.

[16] 王建國，李松，辛紅偉，等．電磁場作用下循環(huán)水典型水質(zhì)參數(shù)與換熱器污垢熱阻的關(guān)聯(lián)分析[J]．化工進(jìn)展，2013，32(8)：1929～1933，1973.

[17] 張仲彬，徐志明，張明玉．不同涂層材料表面CaCO3污垢特性的研究[J]．化工機(jī)械，2011，38(2)：160～162，179.

[18] 孫靈芳，王建國，徐志明，等．一種新型電子水處理器阻垢率的在線監(jiān)測評(píng)價(jià)方法及裝置[J]．工業(yè)水處理，2000，20(3)：32～33.