基于鎖相環(huán)的電磁感應(yīng)水處理器研究

郎佳紅，解潤(rùn)生，馮德仁

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032）

試驗(yàn)研究

基于鎖相環(huán)的電磁感應(yīng)水處理器研究

郎佳紅，解潤(rùn)生，馮德仁

（安徽工業(yè)大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院，安徽馬鞍山243032）

通過分析電磁感應(yīng)水處理器的工作原理和影響水處理效果的關(guān)鍵因素，建立了決定除垢效率的溶液感生電流和磁感應(yīng)強(qiáng)度的解析模型。針對(duì)感生電流對(duì)溶液做功的平均功率與激磁信號(hào)的函數(shù)關(guān)系，提出了一種將雙極性脈沖饋入LC電路產(chǎn)生諧振的優(yōu)化方法，采用自動(dòng)頻率跟蹤技術(shù)對(duì)其脈沖的輸出頻率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，從而保證諧振電路輸出最優(yōu)頻率的激磁信號(hào)，以提高電磁感應(yīng)水處理器的處理效果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該水處理器可以更有效地提高除垢效率，且對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力更強(qiáng)。

電磁感應(yīng)水處理；LC電路；解析模型；鎖相環(huán)

電磁感應(yīng)水處理器在阻垢除垢上具有操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于工業(yè)和民用水冷系統(tǒng)〔1-3〕。一般認(rèn)為，其除垢的基本機(jī)理為信號(hào)發(fā)生裝置對(duì)纏繞在水管上的線圈施加一定頻率和幅值的激磁信號(hào)后，產(chǎn)生的交變磁場(chǎng)方向與水流方向平行，同時(shí)又會(huì)在水管中產(chǎn)生與電流方向平行的感生電場(chǎng)，硬水在感生電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)的雙重作用下，實(shí)現(xiàn)了和電場(chǎng)、磁場(chǎng)的能量交換，促使水分子團(tuán)向氫鍵斷開方向變化；同時(shí)該電、磁場(chǎng)能量使熱平衡體系中的自由能增加，提高了文石晶體核形成的幾率，致使粉末狀的文石晶體更易于隨水流沖走，從而達(dá)到除垢的效果〔4-5〕。

由于水質(zhì)參數(shù)和工況等條件不同，對(duì)激磁信號(hào)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化尤為重要。實(shí)驗(yàn)和理論表明〔6-7〕，激磁信號(hào)的電壓幅值、電流大小以及信號(hào)頻率是影響纏繞式電磁感應(yīng)水處理器除垢效率的關(guān)鍵因素。傳統(tǒng)纏繞式電磁感應(yīng)水處理器輸出的是單一頻率的信號(hào)，無法預(yù)知水質(zhì)特性，因此單一固定頻率不可能有效提高除垢效率。本研究針對(duì)當(dāng)前電磁感應(yīng)水處理器輸出頻率單一以及除垢參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)出可以對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行測(cè)量和自動(dòng)調(diào)整的裝置。通過建立解析模型，從水溶液內(nèi)感生電場(chǎng)對(duì)溶液做功值和磁感應(yīng)強(qiáng)度兩個(gè)方面證明了這種電磁感應(yīng)水處理器可以有效地提高除垢效率；同時(shí)基于鎖相環(huán)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)信號(hào)源頻率跟蹤，使電路可以實(shí)時(shí)地工作在諧振狀態(tài)；最后通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試得到了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

1 電磁場(chǎng)解析模型

1.1 電磁感應(yīng)水處理器工作原理

纏繞式電磁感應(yīng)水處理器主要由信號(hào)發(fā)生器、激磁線圈及諧振電容組成。圖1為電磁感應(yīng)水處理器系統(tǒng)原理圖。

圖1 電磁感應(yīng)水處理器系統(tǒng)原理圖

設(shè)備工作時(shí)，通過信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生雙極性脈沖饋入LC電路產(chǎn)生諧振，諧振狀態(tài)時(shí)管道上的激磁線圈將被施加高頻的正弦信號(hào)〔8〕，由激磁線圈在水管內(nèi)感應(yīng)出的感生電場(chǎng)和交變磁場(chǎng)對(duì)水溶液進(jìn)行處理。電磁感應(yīng)水處理器可以實(shí)時(shí)地輸出諧振頻率是由于該系統(tǒng)內(nèi)部的電流檢測(cè)單元將實(shí)時(shí)檢測(cè)到的主電路電流信號(hào)輸入到信號(hào)處理器中，信號(hào)處理器利用諧振時(shí)相位相同原理實(shí)現(xiàn)對(duì)高頻信號(hào)源頻率的鎖相環(huán)控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載電路諧振頻率的跟蹤。

1.2 模型建立和分析

由于感生電場(chǎng)的大小是由感生電流決定的，故對(duì)感生電流進(jìn)行建模。將激磁線圈與水管內(nèi)的水溶液等效為2個(gè)互感線圈組成的系統(tǒng)〔9〕，故纏繞式電磁感應(yīng)水處理器的等效電路如圖2所示。

圖2電磁感應(yīng)水處理器等效電路

圖2 中，i1（t）為激磁線圈電流，R1為激磁線圈電阻，L1為激磁線圈電感，i2（t）為溶液內(nèi)感生電流，R2為溶液電阻，L2為溶液的電感，M為互感，Us（t）為激磁正弦電壓信號(hào)。

根據(jù)圖2所示電路的方程組：

由于在實(shí)際的電路中，感生電流i2（t）的變化率較小，故可以做如下的關(guān)鍵近似：

經(jīng)過近似后，式（1）變?yōu)槿缦碌男问剑?/p>

線圈兩端的激磁信號(hào)為正弦波，Us（t）=A sin wt，A為正弦波的幅值（單位：V）；w為正弦波的角頻率（單位：rad/s）。根據(jù)方程組（2），可求得i2（t）的表達(dá)式：

本研究利用感生電場(chǎng)在單位時(shí)間對(duì)溶液截面上做功的平均功率來衡量感生電流對(duì)溶液做功的強(qiáng)弱，平均功率P的表達(dá)式：

將式（3）帶入式（4）進(jìn)行計(jì)算，簡(jiǎn)化后可得：

式（5）中，K、C均為與t有關(guān)的函數(shù)，且K＞0。由解析式（5）可知，當(dāng)激磁信號(hào)的頻率大小和激磁線圈結(jié)構(gòu)一定時(shí)，感生電流對(duì)溶液做功量只與激磁線圈上電壓有關(guān)，且隨激磁信號(hào)的電壓幅值增大而增大。水管內(nèi)磁感應(yīng)強(qiáng)度B的計(jì)算公式：

式中：N——線圈匝數(shù)；

I——電流，A；

L e——有效磁路長(zhǎng)度，m；

μ——磁導(dǎo)率，H/m。

由式（6）可知，在線圈的激磁電壓幅值一定時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度的大小與線圈內(nèi)有效電流相關(guān)，當(dāng)電路中的有效電流變大時(shí)，磁感應(yīng)強(qiáng)度也會(huì)變大。

由以上各式可知，當(dāng)電磁感應(yīng)水處理器輸出的雙極性脈沖頻率等于負(fù)載諧振頻率時(shí)，線圈上的激磁信號(hào)電壓幅值及主電路電流值可以同時(shí)得到最大值〔10〕，此時(shí)水和電場(chǎng)、磁場(chǎng)的能量交換也是最大的。此解析模型的建立為電磁感應(yīng)水處理器有效提高除垢效率提供了理論依據(jù)。

2 鎖相環(huán)控制的實(shí)現(xiàn)

鎖相環(huán)模塊是電磁感應(yīng)水處理器的核心，鎖相環(huán)一般是由鑒相器PD、低通濾波器LPF和壓控振蕩器VCO 3部分組成。本研究設(shè)計(jì)利用鎖相環(huán)專用芯片CD4046來實(shí)現(xiàn)頻率跟蹤。圖3是逆變控制原理框圖，圖4是鎖相控制電路圖。

圖3 逆變控制原理框圖

圖4 鎖相控制電路圖示意

從圖4可以看出，逆變電路工作狀態(tài)分為他激和自激2種〔11〕。

電路啟動(dòng)時(shí)，由于電流反饋信號(hào)為0，逆變器不能進(jìn)入自激狀態(tài)。因此，本研究提出一種由CD4046自身實(shí)現(xiàn)的由他激轉(zhuǎn)自激的啟動(dòng)電路。系統(tǒng)上電時(shí)，利用電容的充放電，VCO電壓控制端9腳所加電壓由最高逐漸降低為0，VCO也相應(yīng)地從最高頻率滑向最低頻率。選擇適當(dāng)參數(shù)，使得負(fù)載諧振頻率在最高頻率和最低頻率之間，VCO的輸出就會(huì)鎖定在負(fù)載諧振頻率上，順利地啟動(dòng)逆變器。啟動(dòng)完成后，二極管D1將轉(zhuǎn)換電路與濾波電路隔離，逆變電路進(jìn)入自激狀態(tài)。

當(dāng)逆變器在自激狀態(tài)工作時(shí)，控制電路中的比較器LM393起波形變換作用，它將電流互感器送來的負(fù)載正弦電流信號(hào)轉(zhuǎn)化成方波信號(hào)，然后輸入到CD4046鎖相環(huán)芯片。鎖相環(huán)輸出同頻率、同相位的方波信號(hào)經(jīng)過死區(qū)形成、驅(qū)動(dòng)放大后分別驅(qū)動(dòng)全橋逆變模塊的上下橋臂；通過控制功率開關(guān)器件來控制逆變輸出電壓的頻率和相位，使其與負(fù)載電流的頻率和相位變化保持一致，逆變器輸出電壓始終使負(fù)載工作在諧振狀態(tài)。

自激狀態(tài)下的實(shí)際控制電路中，由于硬件器件延時(shí)造成負(fù)載電壓會(huì)滯后負(fù)載電流一定的相位角，因此實(shí)際電路中需加入相位補(bǔ)償環(huán)節(jié)。同時(shí)在逆變器中為了防止同橋臂中上下橋臂的短路，需要在逆變器的兩路驅(qū)動(dòng)信號(hào)之間留有適當(dāng)?shù)乃绤^(qū)時(shí)間，圖4中鎖相環(huán)輸出對(duì)RC電路的充電時(shí)間即死區(qū)時(shí)間。

3 實(shí)驗(yàn)

南京某空調(diào)機(jī)電有限公司精密空調(diào)中的加濕罐電極部分容易產(chǎn)生大量水垢，本研究選取加濕罐作為電磁感應(yīng)水處理器的除垢對(duì)象。圖5為實(shí)驗(yàn)原理圖。

圖5 實(shí)驗(yàn)原理圖

實(shí)驗(yàn)原理是通過在加濕罐外壁纏繞一定匝數(shù)的線圈進(jìn)行水處理。隨著水垢的分解，水中的鈣、鎂等金屬離子會(huì)隨著循環(huán)水流出管道，從而使得線圈的電感量不斷減小，且出水水體渾濁度逐漸增大。

實(shí)驗(yàn)過程如下：選取3個(gè)水垢情況基本相同的加濕罐，按圖5設(shè)計(jì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過3組對(duì)照來分析處理效果。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)將對(duì)照組甲、乙、丙置于相同的條件下，水管的材質(zhì)都為塑料且循環(huán)水流速度為1m/s。甲組使用本研究設(shè)計(jì)的電磁感應(yīng)水處理器進(jìn)行處理，水處理器的前端直流電壓為24 V，鎖相環(huán)的輸出頻率范圍為100～200 kHz；乙組是以固定的脈沖頻率進(jìn)行處理；丙組作為對(duì)照組不做任何處理。進(jìn)行6次對(duì)照實(shí)驗(yàn)，詳細(xì)記錄線圈電感量及甲組的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率值，并做好觀察記錄。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后通過所測(cè)電感數(shù)據(jù)和對(duì)3組對(duì)照實(shí)驗(yàn)的出水水體渾濁度的觀察，定性比較除垢效果。

實(shí)驗(yàn)所得電感變化曲線如圖6所示，所得甲組電感和驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率值如表1所示。

圖6 電感變化曲線

表1 甲組電感與驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率值

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于甲組，電感值持續(xù)減小，第5次測(cè)量后電感值趨于穩(wěn)定，而6次所測(cè)的驅(qū)動(dòng)波形頻率卻逐漸增大；乙組的電感值變化較?。槐M電感值則基本保持不變。觀察3組實(shí)驗(yàn)出水水體的變化發(fā)現(xiàn)，甲組出水水體變得非常渾濁，并且水桶底部有大量的水垢沉淀物；乙組出水水體的渾濁度較?。槐M則基本無變化。觀察拆開后的加濕罐內(nèi)部電極上的水垢發(fā)現(xiàn)，甲組加濕罐內(nèi)部電極上的水垢已經(jīng)明顯減少，而乙組、丙組加濕罐內(nèi)部電極上的水垢基本無變化。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電磁感應(yīng)水處理器的自動(dòng)頻率跟蹤系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)隨著水質(zhì)的變化實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)脈沖頻率的目的，且采用頻率跟蹤系統(tǒng)的水處理器比采用單一頻率輸出的水處理器效果更好。

4 結(jié)論

基于鎖相環(huán)控制理論設(shè)計(jì)的電磁感應(yīng)水處理器不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且效率高，主電路中只需要很低的電壓即可達(dá)到理想的效果。通過對(duì)設(shè)計(jì)的電磁感應(yīng)水處理器進(jìn)行電路調(diào)試和實(shí)驗(yàn)測(cè)試，驗(yàn)證了該水處理器可以根據(jù)水質(zhì)的變化進(jìn)行自動(dòng)頻率跟蹤，保證電路可以實(shí)時(shí)地工作在諧振狀態(tài)，提高了水垢處理效果。

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Study on the electromagnetic induction water treatment device based on the phase-locked loop

Lang Jiahong，Xie Runsheng，F(xiàn)eng Deren
（SchoolofElectricaland Information Engineering，AnhuiUniversity of Technology，Ma'anshan 243032，China）

The analyticalmodel of solution induced current and magnetic induction intensity which decides the scale inhibition efficiency has been established by analyzing the working principle of electromagnetic induction water treatment device and the key factors affecting water treatment effects.Based on the functional relationship between theaverage powerof the induced currentin the solution and theexcitation signal，a kind ofoptimummethod for locking the bipolar pulse feed LC circuit to produce resonance isbrought forward.The automatic frequency tracking technology is used for real-time adjustment of pulse output frequency，so as to ensure the optimal frequency of the resonant circuitoutputexcitation signal，and，asa result，to improve the treatmenteffectofelectromagnetic induction water treatment device.Experiment results show that the water treatment device can more effectively improve the descaling efficiency and hashigher adaptive capacity for the environment.

electromagnetic induction water treatment；LC circuit；analyticalmodel；phase-locked loop

TM154.1；TQ085

A

1005-829X（2016）06-0021-04

郎佳紅（1973—），碩士，副教授。電話：15955515318，E-mail：1047094626@qq.com。通訊聯(lián)系人：解潤(rùn)生，電話：18155533587，E-mail：382437352@qq.com。

2016-03-03（修改稿）

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51309001）