串聯(lián)諧振模式下塑料薄膜高壓電暈處理負(fù)載特性分析

1 引言

電暈處理技術(shù)是應(yīng)用高壓放電技術(shù)使放電極間的空氣電離成電暈放電，聚合物等被處理對(duì)象經(jīng)過(guò)放電空間接受放電時(shí)，其表面即產(chǎn)生極性基團(tuán)，同時(shí)強(qiáng)烈的離子沖擊使被處理表面粗化，從而增強(qiáng)油墨及膠水在被處理材料表面的滲透力和粘合力。電暈負(fù)載類(lèi)似于臭氧發(fā)生器，屬于介質(zhì)阻擋放電。一般電暈處理裝置都是利用串聯(lián)諧振技術(shù)，逆變器經(jīng)升壓變壓器輸出5～8kV頻率為20kHz左右高壓方波，經(jīng)負(fù)載與升壓變壓器漏感諧振到工藝要求的電壓（10～20kV）。雖然薄膜電暈處理應(yīng)用很廣泛，但國(guó)內(nèi)生產(chǎn)廠家很少，對(duì)于負(fù)載的等效電路及伏安特性研究較少，本文在此對(duì)其作實(shí)驗(yàn)和仿真分析。

2 電暈負(fù)載特性分析

2.1 電暈放電特性

電暈放電是一種介質(zhì)阻擋放電，介質(zhì)一般為耐熱性能好的膠皮或陶瓷。圖1是電暈處理裝置介質(zhì)阻擋放電示意圖。

圖1 介質(zhì)阻擋放電示意圖

介質(zhì)只覆蓋在單個(gè)電極上，厚度為L(zhǎng)d，放電氣隙為L(zhǎng)g，當(dāng)作用在電極上電壓為Vs時(shí)，設(shè)介質(zhì)密度是均勻的，而在介質(zhì)和放電氣隙間電場(chǎng)強(qiáng)度Ed和Eg是不同的。

Ed/Eg=εg/εd

于是 Vs="LdEd"＋LgEg

因此介質(zhì)和氣隙上的電場(chǎng)強(qiáng)度為

Ed=，Eg=

式中：εg、εd分別為放電氣隙及介質(zhì)的介電常數(shù)。

由于電極間介質(zhì)層的存在，介質(zhì)阻擋放電的工作電壓一定要是交變的。根據(jù)交變電壓的頻率差異，放電的特性有所不同。通?？梢苑殖傻皖l介質(zhì)阻擋放電和高頻介質(zhì)阻攔放電。前者的頻率范圍為50Hz到10kHz，后者的頻率為100kHz以上。這兩種介質(zhì)阻攔放電的等效電路如圖2所示。

(a)低頻 (b)高頻

圖2 不同頻率下的介質(zhì)阻擋放電等效電路

圖2中Cd是介質(zhì)電容，Cg是氣隙電容，R是放電的等效電阻，通常Cg《Cd，Vop是作用電壓的峰值，V＊和Vop＊分別是低頻和高頻條件下回路中的積分電流為零時(shí)的電壓值。

圖3是氣隙電壓與外界作用電壓的關(guān)系。在介質(zhì)阻擋放電的電特性中，放電電壓Vd是一個(gè)重要的電學(xué)參量，它的大小直接與放電的功率有關(guān)。可以定義一個(gè)平均放電電壓Vd，它在放電作用周期內(nèi)是一個(gè)常量。當(dāng)放電間隙上的電壓Vg小于Vd時(shí)，不發(fā)生放電現(xiàn)象。這時(shí)電路是由介質(zhì)電容Cd和間隙電容Cg串聯(lián)組成。當(dāng)放電間隙電壓Vg達(dá)到Vd時(shí)，就出現(xiàn)微放電，而且一直維持到外界電壓達(dá)到最大值Vop為止。在存在微放電的整個(gè)時(shí)間過(guò)程內(nèi)Vg≈Vd，放電電壓Vd的數(shù)值在微放電出現(xiàn)時(shí)和截止后的電壓值之間。該數(shù)值是一個(gè)平均值，主要決定于放電氣體的成份，間隙中的粒子濃度以及間隙寬度等。

圖3 外界作用電壓Vs和放電間隙電壓Vg的關(guān)系

3.2 電暈負(fù)載等效電路

電暈放電性質(zhì)相當(dāng)于一個(gè)非線性有損電容，用Cg、Rg模擬，表面包有電介質(zhì)的滾筒用Cb模擬，等效電路如圖4所示。對(duì)于圖4(a)電路，在氣隙被擊穿前Cg、Cb串聯(lián)；擊穿后非線性氣體放電與Cb串聯(lián)。此電路只是粗略的等效，對(duì)于氣體放電過(guò)程中的特性未能等效出。

(a) (b)

圖4 幾種電暈放電等效電路

圖4(b)是另外一種等效電路，考慮了氣隙的損耗，用Rg來(lái)近似等效氣隙中的能量損耗，Rs是表示負(fù)載導(dǎo)線電阻及電容漏電阻。此電路雖然考慮了氣體放電過(guò)程中的能量損耗，但對(duì)于放電過(guò)程中的恒壓特性未表示出來(lái)。

串聯(lián)諧振下的電暈處理利用升壓變壓器的寄生漏感與電暈負(fù)載串聯(lián)諧振。圖5給出了建立在實(shí)驗(yàn)波形分析基礎(chǔ)上的負(fù)載等效電路。圖中Lp是升壓變壓器的漏感，一般在幾十mH，負(fù)載的等效電容值主要由Cg決定，Rg是氣隙中的損耗，是一個(gè)阻值較大的可變電阻。為了達(dá)到良好的電暈處理效果，一般負(fù)載諧振頻率約為20kHz。考慮到20kHz處于一個(gè)中高頻段，所以用圖2兩種情況結(jié)合來(lái)建立等效模型。在變壓器漏感不能滿(mǎn)足諧振頻率要求下，可在原邊或副邊串聯(lián)電感來(lái)使負(fù)載匹配，此時(shí)Lp是總的電感量。Rg的大小是一個(gè)與溫度有關(guān)的量，隨著整個(gè)處理負(fù)載溫度的升高，等效電阻減小，此時(shí)輸出電流增大。

圖5 電暈負(fù)載等效電路

氣隙未擊穿時(shí)，負(fù)載相當(dāng)于兩個(gè)串聯(lián)的電容。逆變器的輸出電壓從零增大到額定電壓過(guò)程中，電極從局部稀疏放電直至形成無(wú)數(shù)隨機(jī)不規(guī)則的微細(xì)密集放電通道，等效電容由小到大非線性變化。氣隙擊穿放電后類(lèi)似于準(zhǔn)恒壓源，同時(shí)損耗能量，此時(shí)增大逆變器輸出電壓，氣隙上的電壓變化已不明顯。

　3.3 負(fù)載的伏安特性

設(shè)計(jì)了一臺(tái)12kW的電暈處理高頻高壓發(fā)生器，實(shí)驗(yàn)中通過(guò)記錄逆變器直流母線上的電壓和電流（平均值）來(lái)分析負(fù)載伏安特性。所用的高壓放電電極每根長(zhǎng)1.6m，均由四個(gè)刀口組成，圖6是從氣隙擊穿前到滿(mǎn)功率輸出直流母線上的不同電壓下伏安特性曲線。電路工作在稍偏感性的諧振狀態(tài)，電流滯后電壓一個(gè)很小的角度。由于負(fù)載的電流大小與逆變控制電路中設(shè)定的鎖相滯后角的大小有關(guān)，所以實(shí)驗(yàn)測(cè)得的數(shù)據(jù)是在此種狀態(tài)下（電流滯后角約為10°）的伏安值。

圖6 對(duì)應(yīng)直流母線的負(fù)載伏安特性

圖6中“7”為7根電極，“9”為9根電極，從圖6可以看出，在開(kāi)始出現(xiàn)電暈放電時(shí)（約為100V），電流增大較快，當(dāng)達(dá)到幾乎完全放電（約300V）時(shí)，加大輸出電壓，電流增大速度減慢。此時(shí)消耗的大部分能量在氣隙放電上。負(fù)載的諧振頻率隨輸出功率的增大而降低，原因是前述的等效電容增大的緣故。電暈放電的輸出功率與諧振頻率f有關(guān)，在同樣條件下，頻率越高輸出功率就越大，所以若要獲得足夠的處理功率得設(shè)法提高諧振頻率，其中方法之一是減小升壓變壓器的漏感。

4 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

由圖5等效電路建立仿真模型，用PSPICE9.2針對(duì)某種特定條件進(jìn)行仿真，整個(gè)電路的諧振頻率主要由Lp和Cg決定，取其參數(shù)為L(zhǎng)p=38mH（與實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的變壓器漏感相同），Cg=1.67nF，Cd=500nF，Rg=10kΩ，此時(shí)電路的諧振頻率約為20kHz，升壓變壓器模型略去，直接用20kHz，200V方波電源代替，兩個(gè)穩(wěn)壓管擊穿電壓設(shè)定為500V。

圖7(a)給出了仿真電壓電流波形，電流波形是畸變的正弦波，電壓從正到負(fù)或負(fù)到正跳變的過(guò)程中，電流波形發(fā)生畸變，這是氣隙擊穿后的恒壓源特性造成的，外加電場(chǎng)跳變時(shí)，氣隙放電熄滅，重新建立起反向電場(chǎng)。從仿真波形及實(shí)驗(yàn)波形中均可以看到這個(gè)波形的畸變。從嚴(yán)格意義上說(shuō)這已經(jīng)不是處于串聯(lián)諧振狀態(tài)了，諧振電壓達(dá)到一定值后被箝位在氣隙平均放電電壓Vd上，阻止它進(jìn)一步上升。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得輸出電壓電流波形如圖7(b)，其中電壓為50v/div，電流25A/div。從波形圖可以看出，電路工作在稍偏感性的諧振狀態(tài)，電壓電流波形接近理想。其中電流峰值附近的毛刺是電暈放電所引起的。

(a)仿真波形

(b)實(shí)驗(yàn)波形

圖7 仿真及實(shí)驗(yàn)電壓電流波形

5 結(jié)語(yǔ)

本文在仿真和實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)之上分析了塑料薄膜表面高壓電暈處理負(fù)載特性及等效電路。氣體在電暈放電過(guò)程中呈現(xiàn)恒壓特性。電暈負(fù)載的非線性及多變性也給逆變器的設(shè)計(jì)帶來(lái)一定困難。利用串聯(lián)諧振達(dá)到輸出高壓及功率要求的電暈處理實(shí)現(xiàn)方式，在工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。對(duì)于負(fù)載特性的分析是合理設(shè)計(jì)電暈處理發(fā)生器的基礎(chǔ)。