基于PM50B4LB060的变频电磁抑垢装置设计与实验研究

孙 浩 黄俊峰

(1.吉林化工学院，吉林 吉林 132022；2.东北电力大学，吉林 吉林 132012)

污垢是工业生产过程中换热设备普遍存在的问题[1,2]，换热设备结垢会降低设备的传热性能，增加燃料耗费，引起管道堵塞，增大系统功耗，影响系统安全运行[3～5]。诸多抑垢方法中电磁水处理技术虽然作用机理还不清晰[6～8]，但因其无二次污染、方便经济的特点，使其成为目前最为关注和推崇的抑垢技术[9,10]。熊兰等经过仿真，得出在相同激励条件和处理相同体积水时，同轴电极式处理腔的电磁能量大、分布不均匀，而缠绕式处理腔电磁能量小、分布均匀[11]；王建国等对缠绕式变频电磁水处理器电磁频率对抑垢效果的影响进行了研究[12]。

变频电磁水处理装置是变频电磁抑垢技术研究的基础，许多学者对其逆变部分进行了研究。张学孟和王建国应用大功率MOS管IRFP460A及IR2110构成变频装置的驱动和逆变电路[13]；蒋文斌等采用TDA8920BTH构成了功率放大电路[14]；费继友等提出了基于STM32F103变频水磁化处理系统的实验方案并设计了硬件电路[7]。以上方法均需要器件构成保护电路。笔者采用PM50B4LB060构成变频抑垢装置中的逆变电路，降低了变频电磁水处理装置的复杂性，使其具有结构简单、可靠性高的特点。装置可以长时间安全稳定运行，对电磁抑垢技术机理、抑垢效果实验研究和抑垢装置工业应用具有重要的作用。

PM50B4LB060是三菱公司应用于光伏发电逆变器设计的IPM(Intelligent Power Module)模块[15]，最大输入电压600V，输出电流50A，最大绝缘电压2 500V。通过监测Tj(Junction Temperature)，可以实现过热保护，而且PM50B4LB060上下桥臂都具有故障信号输出功能，同时其还具有短路、过热和欠压监测保护功能。PM50B4LB060内部结构如图1所示。

应用PM50B4LB060进行全桥逆变电路设计过程中需要注意PWM信号的死区时间，由于PM50B4LB060要求tdead≥2μs，笔者设计的装置死区时间取6μs。

2 硬件电路设计

采用PM50B4LB060作为逆变电路的核心器件构成的变频电磁抑垢装置由ATmega128A、驱动电路、PM50B4LB060和负载线圈(螺线管)构成。施加磁场的方式为外壁缠绕螺线管方式。其硬件结构如图2所示。ATmega128A单片机利用定时器产生双路带死区的PWM信号，经过驱动电路驱动PM50B4LB060进行逆变和功率放大，从而使负载线圈产生交变磁场，同时ATmega128A监测短路、欠压、过热保护信号，启动相应的保护措施。

图1 PM50B4LB060的内部结构

图2 变频电磁水处理器结构框图

驱动电路由WB1215CS电源隔离模块、HCPL-4504光耦芯片和PC817光耦芯片构成。电路原理如图3所示。

图3 应用电路原理

3 抑垢效果实验和分析

实验中的直流电源为Agilen N5772A，最大输出电压600V(DC)，最大输出电流2.6A，最大功率1 560W。信号测量采用RIGOL DS1052E，模拟带宽50MHz，采样率1GS/s，探头采用RP2200型无源示波器探头。直流电源输出电压100V，通过程序设置ATmega128A定时器输出两路1kHz、死区时间为6μs的方波信号，经过驱动电路控制PM50B4LB060输出交流方波。负载线圈两端的电压波形如图4所示。

采用自行研制的实验装置验证笔者设计的变频电磁抑垢装置的抑垢效果。实验装置由冷却系统、实验水质循环系统、温度控制系统、数据采集存储和污垢热阻计算系统组成。冷却系统为水冷系统，冷却水由工业用冷水机(YB-LS-5HP)制备。恒温水浴中的换热实验管段采用U形铜质管道。

实验装置如图5所示。

图4 负载线圈两端电压波形

图5 实验装置系统

工业过程中的污垢主要是CaCO3型污垢[16，17]，实验中采用无水Na2CO3、无水CaCl2按物质的量1∶1配置1g/L高硬度水(以CaCO3)作为实验水质研究其抑垢效果。恒温水浴温度控制在50℃，流速0.4m/s。经过重复性实验(周期为10天)，分别记录无电磁作用和有电磁(频率为1kHz，磁感应强度为200Gs)作用的污垢热阻，并根据孙灵芳等采用的抑垢率公式[18]可得污垢热阻和抑垢率数据(表1)。抑垢率公式为：

式中Rf1——未装变频电磁水处理器的换热管污垢热阻，m2·K/W；

Rf2——安装变频电磁水处理器的换热管污垢热阻，m2·K/W。

表1 污垢热阻对比和抑垢率

根据污垢热阻对比实验数据可看出：0～24 h内施加磁场后的抑垢效果不明显，污垢热阻差值仅为0.363 3×10-5m2·K/W；24～168 h内施加频率1kHz、磁感应强度200Gs的交变磁场，污垢热阻及其上升速率均明显减小,平均污垢热阻差值为6.714 9×10-5m2·K/W；168～192h内施加磁场后的管道污垢热阻上升速率增加，但污垢热阻比未施加磁场的管道污垢热阻小，平均污垢热阻差值为6.716 8×10-5m2·K/W；192～240h内施加磁场和未施加磁场的管道污垢热阻均不再上升，但施加磁场的管道污垢热阻比未施加磁场的管道污垢热阻小，平均污垢热阻差值为5.585 3×10-5m2·K/W。

4 结束语

采用PM50B4LB060作为变频电磁抑垢装置的变频逆变部分，可以简化设计过程，提高系统稳定性。PM50B4LB060的短路、过热和欠压监测保护功能可以有效提高装置的可靠性。实验结果表明，装置可以安全稳定运行，采用该装置对实验水质施加磁场可以有效抑制管道CaCO3型污垢的形成，降低污垢热阻，在120h抑垢率达到最大值(81.13%)，实验结束时刻抑垢率为45.34%，平均抑垢率为60.84%，装置具有良好的抑垢效果。

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