基于PDM控制的電暈處理電源的研究
摘要:研究了基于脈沖密度調(diào)制(PulseDensityModulation)控制策略的串聯(lián)諧振逆變電暈處理電源。PDM的基本思想是在一定的調(diào)功周期內(nèi)使交流輸出端產(chǎn)生方波電壓或者是零電平電壓,這樣即使電暈放電負(fù)載具有很強(qiáng)的非線性也可以寬范圍內(nèi)控制功率輸出。對于該電暈處理電源進(jìn)行了仿真與實驗,所得結(jié)果驗證了理論分析。
關(guān)鍵詞:電暈處理電源;功率控制;脈沖密度調(diào)制
1 概述
塑料與傳統(tǒng)的包裝材料(如紙、玻璃、金屬)相比[1],具有質(zhì)輕、防潮、防腐、價廉、易成型等優(yōu)點(diǎn),塑料薄膜表面電暈處理原理是通過在電極上施加高頻高壓電源(對于塑料薄膜表面處理來說,電壓一般在10kV~13kV之間,頻率在10kHz~30kHz左右),使電極放電,氣體電離后產(chǎn)生的各種能量粒子(如正負(fù)離子、電子、光子等)在強(qiáng)電場的作用下,加速沖擊處在電極之間的高聚物表面,使表層分子連接的化學(xué)鍵斷裂而絳解,增加表面的粗糙度。 電暈放電負(fù)載的物理結(jié)構(gòu)和等效電路如圖1所示。當(dāng)電暈負(fù)載兩端的外加電壓低于氣體放電起始電壓Vs時,放電通道不發(fā)生放電現(xiàn)象,此時電暈負(fù)載可以等效為放電通道的間隙電容Cg和絕緣介質(zhì)電容Cd串聯(lián)。
當(dāng)外加電壓高于Vs時,放電通道開始放電,絕緣介質(zhì)電容Cd基本保持不變,但負(fù)載總的等效電容CZ具有隨外加電壓的升高而逐漸變大的特點(diǎn),其等效電路如圖1(b)所示。電阻R等效為放電時能量的消耗[2]。 電暈放電處理的目的是增加塑料表面的粘結(jié)程度。總體來說,電暈放電處理過程需要特殊設(shè)計的電源,能夠提供10~20kV,20~50kHz的電壓,并在大氣壓的情況下保持穩(wěn)定的放電[3]。在工業(yè)應(yīng)用中還需要該電源能夠?qū)Σ煌牧希煌穸鹊牟牧线M(jìn)行相應(yīng)的處理。這就要求該電源能夠具有寬范圍調(diào)功的能力。脈沖密度調(diào)制(PDM)控制策略能夠滿足以上要求。
2 PDM控制基本原理
為了簡化起見,升壓變壓器和電暈放電負(fù)載用簡單的LCR諧振電路來表示,如圖2所示。圖3為電壓型串聯(lián)諧振逆變PDM的開關(guān)工作模式。傳統(tǒng)的電壓型逆變器在模式1和模式2之間交替工作,從而產(chǎn)生方波交流狀態(tài)。而PDM逆變器的工作模式除了模式1和模式2外,還有模式3,即將門極驅(qū)動信號提供給S3和S4,使得一個IGBT和另一個IGBT的反并聯(lián)二極管導(dǎo)通,給輸出電流提供雙向流動的通路,使輸出端產(chǎn)生零電壓狀態(tài)。這樣,PDM便以一定的控制序列調(diào)制輸出電壓,并且與諧振負(fù)載的諧振電流同步。
3 PDM控制系統(tǒng)的實現(xiàn)
圖4所示是PDM逆變器的控制框圖??刂齐娐贩譃閮蓚€部分:一個是PDM中的鎖相控制電路,另一個是PDM反饋控制電路。PDM控制中的鎖相電路包括相位探測器(PD),低頻濾波(LPF1),壓控振蕩器(VCO),模擬開關(guān)(AS)和峰值探測器(PCD)。因為無法精確地探測到數(shù)值很小的電流,傳統(tǒng)的PLL電路不能在輕度表面處理時正常工作,AS和PCD的組合能夠解決該問題。從PCD檢測的輸出信號在LPF1的輸入端開通或著關(guān)閉AS。在輸出電流的峰值比預(yù)設(shè)的電平大的時候,AS保持關(guān)斷,從而是傳統(tǒng)的鎖相電路。在峰值電流比預(yù)設(shè)的電流小的時候,AS開通。在這種情況下,LPF1中的電容使得VCO以AS開通前相同的頻率工作。
4 仿真與實驗結(jié)果
在對PDM電暈處理電源進(jìn)行了PSPICE仿真之后,設(shè)計并完成了一個20kHz/5kW的電暈放電電源裝置,在此裝置的基礎(chǔ)之上,對該系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究。圖6及圖7分別是仿真與實驗結(jié)果。兩圖分別給出串聯(lián)諧振逆變器的輸出電壓波形和負(fù)載上的輸出電流波形。實驗中用電流互感器來檢測電流信號。從結(jié)果中可以看出,在調(diào)功周期的前半部分,負(fù)載電流已經(jīng)基本上達(dá)到穩(wěn)態(tài),電壓與電流基本上同相,之后電源開關(guān)進(jìn)入第三個工作模式,此時輸出為零電平,輸出電流為衰減式阻尼振蕩,在下一個調(diào)功周期的輸出電源的激勵下,電流繼續(xù)增大,這樣周而復(fù)始。
圖6、7
5 結(jié)語
PDM逆變電源很好地工作在三個開關(guān)模式,并且起到了鎖相、開關(guān)軟化和功率調(diào)節(jié)的作用。研制成功的PDM電暈處理電源,工作穩(wěn)定可靠,成功地滿足了對不同薄膜進(jìn)行較強(qiáng)或較弱處理的要求。
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