楊建湘

（賀州學院，廣西賀州542899）

一種用于織物表面處理的高壓脈沖電源研究＊

楊建湘

（賀州學院，廣西賀州542899）

摘要：介紹了一種用于織物表面處理的全橋逆變式低溫等離子體電源的工作原理及控制電路。根據(jù)紡織物表面處理工藝要求產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻、柔和的低溫等離子體。高壓電源以IGBT為開關元件進行直流斬波和全橋逆變，實現(xiàn)高壓電源高效小型化?？刂葡到y(tǒng)以計算機為控制單元組成外圍電路實現(xiàn)電源的自動調(diào)節(jié)、斷電保護。經(jīng)過試驗，電源的各項性能指標均達到預期的設計目標，技術性能滿足織物表面處理工藝的需求。

關鍵詞：直流斬波；全橋逆變；PWM；計算機控制；高頻高壓電源

1　引言

隨著國內(nèi)外等離子體技術的不斷深化，低溫常壓等離子體的應用領域逐漸成為世人關注的熱點。在紡織行業(yè)中，應用低溫等離子體技術對天然和化學纖維織物表面進行改性處理，即利用低溫等離子體的高能活性粒子與纖維表面作用，使維織物表面發(fā)生刻蝕、交聯(lián)、聚合和接枝聚合等化學作用改性及抗靜電、阻燃、防皺、拒水、拒油、衛(wèi)生整理等物理作用改性。該處理工藝不用任何中間介質(zhì)，激發(fā)了氣體材料與纖維材料直接作用，改性過程簡便迅速，對環(huán)保、節(jié)水、節(jié)能、耐久性均有較好效果。傳統(tǒng)真空室下低溫等離子體對織物面料表面改性處理，由于受到真空室操控空間與設備成本的制約，采用常壓低溫等離子體對織物面料表面改性處理不但可以實現(xiàn)工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)，而且大大降低了設備成本。但等離子體技術對織物表面處理工藝相對復雜，要求產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻、柔和的低溫等離子體，其電源呈非線性和時變性，放電形式極易受工況影響而過渡到細絲放電，導致被處理織物穿孔或損傷。因此，要求等離子體電源的控制系統(tǒng)具備快速抑制細絲放電的功能。本文采用PWM調(diào)制技術及逆變原理，以計算機控制為控制單元結合傳感器技術實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)電源的各個參數(shù)，使電源能高效、穩(wěn)定、快速響應工作。低溫等離子體應用于紡織品加工具有革命性的意義［1］［2］。

2　低溫等離子體高壓電源

1.1系統(tǒng)組成及說明

低溫等離子體高壓電源的系統(tǒng)框圖如圖1所示，它主要由不可控整流電路、輸入濾波電路、Buck斬波電路、開關管IGBT、全橋逆變電路、單相升壓高頻變壓器T、高壓細絲放電電流抑制電路、檢測電路、調(diào)節(jié)電路和保護電路組成。關鍵器件開關管IGBT選用2單元、50A、1200V型號為BSM50GB120DN2的IGBT模塊，硬開關頻率高達40kHz，最大允許管耗400W，完全滿足等離子體高壓電源的要求。其驅動芯片選用國產(chǎn)新型TXDA841HD，且TX－DA841HD可用于同時驅動300A／1200V（600A／600V）IGBT 4管，最高工作頻率可達60kHz，使得IGBT驅動電路的設計變得簡單、靈活，具有一系列的保護功能［3］。

1.2工作原理

高壓電源工作原理圖如圖2所示，三相交流電首先經(jīng)過低頻整流和濾波得到約為510V直流電壓后，經(jīng)斬波電路轉化為0V－510V穩(wěn)定、平直、可調(diào)的直流輸出電源，再通過DC／AC全橋逆變電路，其輸出端經(jīng)隔直電容后接入高壓油箱中高頻升壓變壓器的一次側，高壓輸出峰值為20kV的正弦電壓，頻率10kHz－20kHz連續(xù)可調(diào)。圖2中C4、C5、R3、R4組成的隔直電容電路的作用是防止高頻升壓變壓器的偏磁，保證高頻升壓變壓器高效工作；左右橋臂的緩沖電容C6、C7起到保護開關管通斷瞬間過壓緩沖作用。

圖1　高壓電源系統(tǒng)框圖

圖2　等離子體高壓電源主電路示意圖

3　技術特點

全橋逆變式常壓低溫等離子體高壓電源在工作原理和電路結構上與普通的逆變變換器無本質(zhì)區(qū)別，但因高頻高壓的存在，在工程實踐應用中，元器件的選擇受到很大限制，這就不可避免地帶來一些技術問題［4］。

3.1采樣反饋控制

電壓反饋信號由霍爾電壓互感器采樣獲取，其電壓采樣值接入采樣電路如圖3所示，經(jīng)計算機處理輸出PWM波控制Buck變換器開關管的開關動作。電流反饋則在低壓側逆變前通過高精度、響應速度快的霍爾電流互感器，其電流采樣信號經(jīng)模擬信號處理輸送給計算機數(shù)模轉換后，接入全橋逆變控制單元。對于圖示中霍爾電壓互感器及電路而言，考慮到電流通過電阻會發(fā)熱，通常被測電壓越高，限流電阻R越大，RC對霍爾電壓互感器的影響也越大。被測電壓越高，初級線圈的電流越小，初級線圈的匝數(shù)越多。

3.2高壓電源控制原理

控制電路包括計算機控制單元、人機界面（觸摸屏）、開關量輸入輸出模塊、A／D模塊、D／A模塊及驅動電路。A／D模塊將各路反饋回來的模擬量轉化為數(shù)字量，計算機控制單元根據(jù)A／D所采集的數(shù)字量進行運算和調(diào)節(jié)后，輸出相應PWM脈沖信號。全橋逆變控制單元如圖4所示，Buck控制單元如圖6所示?？刂齐娐分饕瓿晒收暇C合、邏輯判斷和封鎖PWM脈沖，當發(fā)生任何故障時，能快速封鎖PWM波而切斷高壓電源，起到保護的目的。其驅動電路主要完成PWM信號的隔離和放大，將控制回路和主回路電氣隔離，能有效地保護控制回路。Buck變換器通過其輸出電壓的負反饋信號去控制脈寬調(diào)制的占空比，實現(xiàn)自動穩(wěn)壓；全橋逆變器通過其輸入電流的負反饋信號去控制本脈沖的電流峰值。各工作點波形如圖5所示。上橋臂G1和G3開關管的輸入為計算機產(chǎn)生的一組方波，下橋臂G2和G4開關管為占空比小于50%的脈沖信號。在方波的半周期內(nèi)，全橋逆變器的工作電流上升I到峰值電流給定值I＊時，下橋臂開關功率管被封鎖截止，這樣在本脈沖內(nèi)就實現(xiàn)了峰值電流控制。即使發(fā)生細絲放電，放電能量也不足引起被處理織物穿孔和損傷。計算機系統(tǒng)中斷程序流程如圖7所示，由于實現(xiàn)功能較多，且邏輯關系較復雜，電源智能系統(tǒng)的軟件設計主要運用主程序結合中斷服務程序的思想，各類功能子程序之間通過調(diào)用命令或者產(chǎn)生中斷響應使之互相通信。整個程序設計思路清晰，修改主程序及調(diào)試鏈接很方便，是采用C語言進行軟件設計。

圖3　采樣反饋控制示意圖

圖4　全橋控制單元

圖5　主要控制波形

圖6　Buck控制單元

圖7　系統(tǒng)程序流程圖

3.3保護控制策略

高壓電源工作時，電源內(nèi)部產(chǎn)生的過電壓或過電流可能會損壞電源或IGBT，因此需要設計電源過壓保護和過流保護電路。過流保護有兩種形式：一是當流過IGBT集電極的電流IC增大時，UCE也隨之增大，當該電壓超過設定的保護閾值（如8.5V）時，產(chǎn)生過流信號。如過流信號短時間超過設定的盲區(qū)時間時，立即降低柵壓，隨著過流信號逐漸的消失柵壓恢復正常，電流值不能達到最大的電流峰值，可避免IGBT出現(xiàn)鎖定損壞。若發(fā)生長時間過流，則立即降低柵壓后，驅動器進行軟關斷處理，即封鎖輸入PWM信號。過流信號經(jīng)計算機程序運算后，發(fā)出過流信號指示，在方波的半周期內(nèi)，下橋臂開關功率管被封鎖截止，切斷可控硅主電路。二是計算機外接霍爾電流互感器采樣電路和控制電路，當檢測到的電流信號超過設定值時，分別發(fā)出關斷主電路和過流指示的信號，實現(xiàn)過流保護。電源也設計了有效的過壓保護電路，電源內(nèi)部的限流及保護電阻有效地限制過電流和過電壓。當發(fā)生過壓時，能迅速短接PI調(diào)節(jié)器的輸出，使PI調(diào)節(jié)器立即禁止Buck變換器開關管的PWM脈沖，并迅速切斷供電電源，即快速跳閘保護［7］［8］。

4　電源試驗結果分析

4.1試驗結果

本文試驗研究用于織物表面處理工藝要求產(chǎn)生穩(wěn)定、均勻、柔和低溫等離子的20kV／2kW高壓電源。高壓電壓取樣比為2kV：1V，束流取樣比為25：1。圖8（a）所示為高壓電源空載20kV時的上升和下降波形；圖8（b）所示為額定功率20kV／100mA試驗信號波形；圖8（c）所示為高壓電源輸出電壓降落U%與負載電流I的關系波形。

（1）空載試驗：按設定的上升和下降時間為1.5s時開啟電壓至20kV，如圖所示8（a），高壓能在設定時間內(nèi)線性上升，且?guī)缀鯚o超調(diào)現(xiàn)象，電源及控制系統(tǒng)工作正常；

（2）短路試驗：將變壓器的副邊短路，原邊控制電流至一次額定值，短路阻抗約為7%，符合高壓整流要求；

（3）滿功率運行試驗：束流100mA，輸出電壓20kV，當輸入電壓增大，開關管占空比減小，紋波系數(shù)會稍微增大，實測紋波系數(shù)0.76%。且束流上升和下降時高壓幾乎無波動，如圖8（b）和8（c）所示，說明該高壓電源具有良好的穩(wěn)定度；

（4）電源效率試驗：束流100mA、20kV時輸出功率2kW，輸入功率2.45kW，效率81.6%；當輸入電壓增大，開關管的占空比減小，管耗增大，因此效率稍為降低。

4.2電源技術指標

高壓電源應用到織物表面處理生產(chǎn)線時，工作穩(wěn)定，通過對電源技術指標的測量，具體參數(shù)如下：高壓范圍為0kV－20kV連續(xù)可調(diào)，開關頻率為10k－20kHz連續(xù)可調(diào)，電壓上升時間為1s－1.5s，額定電壓為20kV，紋波系數(shù)＜1%，穩(wěn)定度＜1%；額定等離子束流為100mA，紋波系數(shù)＜1%，穩(wěn)定度＜1%。電源高壓放電時，高壓電源能快速恢復而不停機。

5　結論

圖8　試驗波形

應用本文介紹的紡織工業(yè)用高壓低溫等離子體電源，研究了其系統(tǒng)結構及自動調(diào)節(jié)方案。研究結果表明如下。

（1）高壓電源前級為Buck DC／DC斬波變換器，后級為全橋逆變器，結構簡單、技術成熟、調(diào)壓調(diào)頻易操作實現(xiàn)，有利于整個設備的集成化。

（2）采用IGBT元件與計算機控制技術，控制電路不復雜便于智能化升級，高壓自動聯(lián)鎖保護，工藝調(diào)節(jié)方便。

（3）采用單脈沖周期抑制峰值電流，即使發(fā)生細絲放電，放電能量也不會損壞處理織物，可以保證電源高效可靠。

參考文獻：

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［9］楊建湘.一種自動調(diào)節(jié)的常壓低溫等離子體電源的設計［J］.賀州學院學報，2014，（02）.

中圖分類號：TN86；TM832

文獻標識碼：A

文章編號：1005—7277（2015）06—0029—05

基金項目：＊賀州學院科研項目（2014YBZK02）；廣西教育廳高校科研一般項目（KY2015YB305）

作者簡介：楊建湘（1987－），男，漢族，湖南省洞口縣人，賀州學院教師，碩士。主要研究方向為高能束成套設備及電力電子技術的研究。

收稿日期：2015－07－14

Research on the high－voltage pulse power supply used for the textile surface treatment

YANG Jian－xiang
（Hezhou University，Hezhou542899，China）

Abstract：The working principle of a kind of atmospheric pressure low temperature plasma power supply used for the surface processing of fabric and its control circuit are presented.The stable，uniform，soft and low temperature plasma should be produced according to the fabric surface treatment process.Using IGBT as the switching element，the high voltage power supply conducts DC chopping and full bridge inverting to realize its high efficiency and miniaturization.The peripheral circuit comprised of computer control units realizes the automatic adjustment and power failure protection for the power supply.By tests and experiments，it is verified that the various performance of the power supply reaches to the anticipated design index and can meet the needs of the fabric surface treatment process.

Key words：DC chopping；full bridge inverting；PWM；computer control；high－frequency high－voltage power supply