基于锁相环的电磁感应水处理器研究

郎佳红，解润生，冯德仁

（安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243032）

试验研究

基于锁相环的电磁感应水处理器研究

郎佳红，解润生，冯德仁

（安徽工业大学电气与信息工程学院，安徽马鞍山243032）

通过分析电磁感应水处理器的工作原理和影响水处理效果的关键因素，建立了决定除垢效率的溶液感生电流和磁感应强度的解析模型。针对感生电流对溶液做功的平均功率与激磁信号的函数关系，提出了一种将双极性脉冲馈入LC电路产生谐振的优化方法，采用自动频率跟踪技术对其脉冲的输出频率进行实时调整，从而保证谐振电路输出最优频率的激磁信号，以提高电磁感应水处理器的处理效果。实验结果表明：该水处理器可以更有效地提高除垢效率，且对环境的适应能力更强。

电磁感应水处理；LC电路；解析模型；锁相环

电磁感应水处理器在阻垢除垢上具有操作简单、绿色环保等优势，广泛应用于工业和民用水冷系统〔1-3〕。一般认为，其除垢的基本机理为信号发生装置对缠绕在水管上的线圈施加一定频率和幅值的激磁信号后，产生的交变磁场方向与水流方向平行，同时又会在水管中产生与电流方向平行的感生电场，硬水在感生电场和交变磁场的双重作用下，实现了和电场、磁场的能量交换，促使水分子团向氢键断开方向变化；同时该电、磁场能量使热平衡体系中的自由能增加，提高了文石晶体核形成的几率，致使粉末状的文石晶体更易于随水流冲走，从而达到除垢的效果〔4-5〕。

由于水质参数和工况等条件不同，对激磁信号参数进行优化尤为重要。实验和理论表明〔6-7〕，激磁信号的电压幅值、电流大小以及信号频率是影响缠绕式电磁感应水处理器除垢效率的关键因素。传统缠绕式电磁感应水处理器输出的是单一频率的信号，无法预知水质特性，因此单一固定频率不可能有效提高除垢效率。本研究针对当前电磁感应水处理器输出频率单一以及除垢参数的优化设计出可以对主要参数进行测量和自动调整的装置。通过建立解析模型，从水溶液内感生电场对溶液做功值和磁感应强度两个方面证明了这种电磁感应水处理器可以有效地提高除垢效率；同时基于锁相环技术实现了对信号源频率跟踪，使电路可以实时地工作在谐振状态；最后通过实验调试得到了相应的实验结果。

1 电磁场解析模型

1.1 电磁感应水处理器工作原理

缠绕式电磁感应水处理器主要由信号发生器、激磁线圈及谐振电容组成。图1为电磁感应水处理器系统原理图。

图1 电磁感应水处理器系统原理图

设备工作时，通过信号发生器产生双极性脉冲馈入LC电路产生谐振，谐振状态时管道上的激磁线圈将被施加高频的正弦信号〔8〕，由激磁线圈在水管内感应出的感生电场和交变磁场对水溶液进行处理。电磁感应水处理器可以实时地输出谐振频率是由于该系统内部的电流检测单元将实时检测到的主电路电流信号输入到信号处理器中，信号处理器利用谐振时相位相同原理实现对高频信号源频率的锁相环控制，进而实现对负载电路谐振频率的跟踪。

1.2 模型建立和分析

由于感生电场的大小是由感生电流决定的，故对感生电流进行建模。将激磁线圈与水管内的水溶液等效为2个互感线圈组成的系统〔9〕，故缠绕式电磁感应水处理器的等效电路如图2所示。

图2电磁感应水处理器等效电路

图2 中，i1（t）为激磁线圈电流，R1为激磁线圈电阻，L1为激磁线圈电感，i2（t）为溶液内感生电流，R2为溶液电阻，L2为溶液的电感，M为互感，Us（t）为激磁正弦电压信号。

根据图2所示电路的方程组：

由于在实际的电路中，感生电流i2（t）的变化率较小，故可以做如下的关键近似：

经过近似后，式（1）变为如下的形式：

线圈两端的激磁信号为正弦波，Us（t）=A sin wt，A为正弦波的幅值（单位：V）；w为正弦波的角频率（单位：rad/s）。根据方程组（2），可求得i2（t）的表达式：

本研究利用感生电场在单位时间对溶液截面上做功的平均功率来衡量感生电流对溶液做功的强弱，平均功率P的表达式：

将式（3）带入式（4）进行计算，简化后可得：

式（5）中，K、C均为与t有关的函数，且K＞0。由解析式（5）可知，当激磁信号的频率大小和激磁线圈结构一定时，感生电流对溶液做功量只与激磁线圈上电压有关，且随激磁信号的电压幅值增大而增大。水管内磁感应强度B的计算公式：

式中：N——线圈匝数；

I——电流，A；

L e——有效磁路长度，m；

μ——磁导率，H/m。

由式（6）可知，在线圈的激磁电压幅值一定时，磁感应强度的大小与线圈内有效电流相关，当电路中的有效电流变大时，磁感应强度也会变大。

由以上各式可知，当电磁感应水处理器输出的双极性脉冲频率等于负载谐振频率时，线圈上的激磁信号电压幅值及主电路电流值可以同时得到最大值〔10〕，此时水和电场、磁场的能量交换也是最大的。此解析模型的建立为电磁感应水处理器有效提高除垢效率提供了理论依据。

2 锁相环控制的实现

锁相环模块是电磁感应水处理器的核心，锁相环一般是由鉴相器PD、低通滤波器LPF和压控振荡器VCO 3部分组成。本研究设计利用锁相环专用芯片CD4046来实现频率跟踪。图3是逆变控制原理框图，图4是锁相控制电路图。

图3 逆变控制原理框图

图4 锁相控制电路图示意

从图4可以看出，逆变电路工作状态分为他激和自激2种〔11〕。

电路启动时，由于电流反馈信号为0，逆变器不能进入自激状态。因此，本研究提出一种由CD4046自身实现的由他激转自激的启动电路。系统上电时，利用电容的充放电，VCO电压控制端9脚所加电压由最高逐渐降低为0，VCO也相应地从最高频率滑向最低频率。选择适当参数，使得负载谐振频率在最高频率和最低频率之间，VCO的输出就会锁定在负载谐振频率上，顺利地启动逆变器。启动完成后，二极管D1将转换电路与滤波电路隔离，逆变电路进入自激状态。

当逆变器在自激状态工作时，控制电路中的比较器LM393起波形变换作用，它将电流互感器送来的负载正弦电流信号转化成方波信号，然后输入到CD4046锁相环芯片。锁相环输出同频率、同相位的方波信号经过死区形成、驱动放大后分别驱动全桥逆变模块的上下桥臂；通过控制功率开关器件来控制逆变输出电压的频率和相位，使其与负载电流的频率和相位变化保持一致，逆变器输出电压始终使负载工作在谐振状态。

自激状态下的实际控制电路中，由于硬件器件延时造成负载电压会滞后负载电流一定的相位角，因此实际电路中需加入相位补偿环节。同时在逆变器中为了防止同桥臂中上下桥臂的短路，需要在逆变器的两路驱动信号之间留有适当的死区时间，图4中锁相环输出对RC电路的充电时间即死区时间。

3 实验

南京某空调机电有限公司精密空调中的加湿罐电极部分容易产生大量水垢，本研究选取加湿罐作为电磁感应水处理器的除垢对象。图5为实验原理图。

图5 实验原理图

实验原理是通过在加湿罐外壁缠绕一定匝数的线圈进行水处理。随着水垢的分解，水中的钙、镁等金属离子会随着循环水流出管道，从而使得线圈的电感量不断减小，且出水水体浑浊度逐渐增大。

实验过程如下：选取3个水垢情况基本相同的加湿罐，按图5设计进行实验，通过3组对照来分析处理效果。实验开始时将对照组甲、乙、丙置于相同的条件下，水管的材质都为塑料且循环水流速度为1m/s。甲组使用本研究设计的电磁感应水处理器进行处理，水处理器的前端直流电压为24 V，锁相环的输出频率范围为100～200 kHz；乙组是以固定的脉冲频率进行处理；丙组作为对照组不做任何处理。进行6次对照实验，详细记录线圈电感量及甲组的驱动信号频率值，并做好观察记录。实验结束后通过所测电感数据和对3组对照实验的出水水体浑浊度的观察，定性比较除垢效果。

实验所得电感变化曲线如图6所示，所得甲组电感和驱动信号频率值如表1所示。

图6 电感变化曲线

表1 甲组电感与驱动信号频率值

实验结果表明，对于甲组，电感值持续减小，第5次测量后电感值趋于稳定，而6次所测的驱动波形频率却逐渐增大；乙组的电感值变化较小；丙组电感值则基本保持不变。观察3组实验出水水体的变化发现，甲组出水水体变得非常浑浊，并且水桶底部有大量的水垢沉淀物；乙组出水水体的浑浊度较小；丙组则基本无变化。观察拆开后的加湿罐内部电极上的水垢发现，甲组加湿罐内部电极上的水垢已经明显减少，而乙组、丙组加湿罐内部电极上的水垢基本无变化。

由实验结果可知，电磁感应水处理器的自动频率跟踪系统能够实现随着水质的变化实时调节脉冲频率的目的，且采用频率跟踪系统的水处理器比采用单一频率输出的水处理器效果更好。

4 结论

基于锁相环控制理论设计的电磁感应水处理器不仅结构简单，而且效率高，主电路中只需要很低的电压即可达到理想的效果。通过对设计的电磁感应水处理器进行电路调试和实验测试，验证了该水处理器可以根据水质的变化进行自动频率跟踪，保证电路可以实时地工作在谐振状态，提高了水垢处理效果。

［1］NarsettiR，Curry RD，Mcdonald K F，etal.Microbial inactivation in water using pulsed electric fields and magnetic pulse compressor technology［J］.IEEETransactionson Plasma Science，2006，34（4）：1386-1393.

［2］陈静杰，王彬，余国卫.高频电磁场防垢水处理技术及其应用［J］.沈阳理工大学学报，2006，25（1）：92-94.

［3］费继友，李玉泉，白鑫.水的电磁变频除垢防垢技术和实验研究［J］.化工自动化及仪表，2001，38（2）：157-160.

［4］熊兰，席朝辉，叶晓杰，等.大功率高频电磁阻垢的设计及实验研究［J］.工业水处理，2011，31（6）：46-48.

［5］韩勇，赵永平，柴鑫.直流脉冲水处理系统感生电流解析建模及激磁线圈优化［J］.电机与控制学报，2011，15（9）：31-38.

［6］姜德宁，周昆.基于交变磁场的水管防垢实验研究［J］.天津工程师范学院学报，2008，18（1）：21-25.

［7］全贞花，陈永昌，邢晓凯，等.高压静电抗垢强化传热试验研究［J］.工程热物理学报，2006，27（6）：1035-1037.

［8］孙泽，王刚.谐振技术及其应用［J］.电源技术应用，2002，5（3）：93-96.

［9］苏瑞东.一种基于电涡流的电解质溶液电导率测量方法［J］.仪器仪表学报，2010，31（3）：678-681.

［10］邱关源.电路［M］.北京：高等教育出版社，2006：281-285.

［11］胡叶，李锐华，胡波，等.一种高压发生器串联谐振变换器设计与实现［J］.电力电子技术，2014，48（9）：31-33.

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

Lang Jiahong，Xie Runsheng，Feng 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

郎佳红（1973—），硕士，副教授。电话：15955515318，E-mail：1047094626@qq.com。通讯联系人：解润生，电话：18155533587，E-mail：382437352@qq.com。

2016-03-03（修改稿）

国家自然科学基金项目（51309001）