久智光電子材料科技有限公司 樊立強(qiáng) 王增慧 潘 健
高頻磁場等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配特性研究
久智光電子材料科技有限公司樊立強(qiáng)王增慧潘健
高頻磁場等離子工藝可以生產(chǎn)純度高、羥基含量低的高品質(zhì)石英玻璃產(chǎn)品。本文針對高頻磁場等離子工藝的核心設(shè)備等離子發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行理論分析和實(shí)踐總結(jié),得出了有效改善等離子發(fā)生系統(tǒng)阻抗匹配狀況的方法,對提升等離子發(fā)生系統(tǒng)的工作效率和改善石英產(chǎn)品品質(zhì)有一定幫助。
高頻;等離子;阻抗匹配;電子管;振蕩
隨著科技的發(fā)展與進(jìn)步,石英玻璃由于其優(yōu)良的物理、化學(xué)性能,在半導(dǎo)體、新型光源、精密儀器等領(lǐng)域占有越來越重要的地位。高頻等離子熔制工藝由于使用等離子體做熱源,能夠生產(chǎn)出純度高、羥基含量低的高品質(zhì)石英玻璃。在此工藝中,高頻等離子發(fā)生系統(tǒng)是整個設(shè)備的核心所在。結(jié)合工作實(shí)踐和積累總結(jié),我們發(fā)現(xiàn)對等離子發(fā)生器系統(tǒng)進(jìn)行合理的阻抗匹配,能夠有效提高等離子發(fā)生系統(tǒng)的工作效率,進(jìn)而提升產(chǎn)品品質(zhì)和生產(chǎn)效率,同時(shí)各部件的使用壽命也能相應(yīng)延長,降低成本。
高頻等離子發(fā)生系統(tǒng)的功率輸出將負(fù)載端等離子線圈內(nèi)的壓縮空氣電離,產(chǎn)生等離子弧,其中心溫度達(dá)6000-8000K,可將石英粉料熔化生產(chǎn)石英玻璃產(chǎn)品。在電氣構(gòu)成上,等離子發(fā)生系統(tǒng)可分三為個部分:電源部分、控制部分和振蕩部分,如圖1所示。
圖1 高頻等離子發(fā)生系統(tǒng)架構(gòu)
從能量的觀點(diǎn)來看,等離子發(fā)生系統(tǒng)如同是一個能量轉(zhuǎn)換器,它將直流電源的能量轉(zhuǎn)換成交流能量,并最終分成兩個部分:一部分用于系統(tǒng)功率輸出;另一部分能量被系統(tǒng)內(nèi)部損耗。因此,提高發(fā)生系統(tǒng)的工作效率就必須要最大限度地降低控制系統(tǒng)的損耗。對等離子發(fā)生系統(tǒng)進(jìn)行合理的阻抗匹配將對降低內(nèi)部損耗很有幫助,使功率輸出盡可能最大化輸送至負(fù)載。結(jié)合實(shí)際生產(chǎn)設(shè)備,功率輸出是通過并聯(lián)諧振電路中的電感線圈來實(shí)現(xiàn)的。相當(dāng)其可等效為電阻和電感線圈串聯(lián)后再與電容器并聯(lián)并與前端電源組成并聯(lián)諧振電路,如圖2所示。
圖2 等效并聯(lián)諧振電路
圖3 等離子發(fā)生系統(tǒng)等效電路
在實(shí)際情況下,電感線圈的電阻很小,可忽略不計(jì)。因此并聯(lián)諧振電路呈現(xiàn)高阻抗?fàn)顟B(tài),而電子管是高內(nèi)阻器件,所以必須將電子管與并聯(lián)諧振電路合理配合使用,才能將高頻余弦脈沖的基波成分充分選擇,向后端負(fù)載實(shí)現(xiàn)高效率的有效輸出。
圖3所示為等離子發(fā)生系統(tǒng)回路的簡化等效電路,電源的電勢為,內(nèi)阻為Ri,后端接上等效阻抗Rd,則流過Rd的 電流為:
則等效負(fù)載上得功率為:經(jīng)微分求取極值可知,當(dāng),即負(fù)載等效電阻等于電源內(nèi)阻時(shí),電源輸出功率最大。因此,等離子發(fā)生系統(tǒng)的輸出功率的效率高低受電子管內(nèi)阻和諧振電路的等效阻抗的共同影響。
從改變電子管的內(nèi)阻值和諧振電路等效阻抗這兩個角度考慮提升等離子發(fā)生系統(tǒng)阻抗匹配程度的方向和措施:
1.等離子發(fā)生系統(tǒng)的振蕩回路可簡化為如圖4所示,其中電子管內(nèi)阻使用表示。
圖4 等離子發(fā)生系統(tǒng)振蕩回路簡化圖
圖5 改變引線位置后的振蕩回路簡化圖
所以在實(shí)際過程中,在已經(jīng)確認(rèn)等離子發(fā)生系統(tǒng)無其他不良或故障的情況下,如果電子管輸出功率依然較小,則應(yīng)考慮問題有可能是電子管內(nèi)阻較小造成的。此時(shí)可將并聯(lián)饋電線收接,等效于增加電子管內(nèi)阻。另外,根據(jù)工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn),在電子管屏極回路串聯(lián)電阻,或者在電子管陰極電路中串聯(lián)一個陰極電阻,使產(chǎn)生的電流實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋功能,均可有效增大電子管的等效內(nèi)阻,進(jìn)而改善阻抗匹配水平,實(shí)現(xiàn)提升輸出功率的目的。
2.等離子發(fā)生系統(tǒng)的工作原理是經(jīng)控制電路和振蕩電路在等離子線圈施加高頻交變電場,進(jìn)而在線圈內(nèi)側(cè)產(chǎn)生快速變化的磁場。流經(jīng)等離子線圈的壓縮空氣被快速電離,負(fù)載線圈與等離子體電流形成等效的變壓器進(jìn)行能量傳輸。
通過改變諧振電路的等效阻抗Rd,使其等于或接近電子管內(nèi)阻,同樣可以實(shí)現(xiàn)等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配度優(yōu)化進(jìn)而提升輸出功率。結(jié)合反射阻抗理論,在負(fù)載線圈和等離子體電流形成的耦合電路中,改變互感系數(shù)大小即調(diào)整壓縮空氣流速、等離子線圈的匝距、有效截面等參數(shù)以及回路自身的阻抗參數(shù)均可改變諧振電路的等效阻抗,使槽路電壓降低,陽流增大,從而實(shí)現(xiàn)改善阻抗匹配程度,實(shí)現(xiàn)提升等離子發(fā)生系統(tǒng)功率輸出的目的。
3.在使用高頻等離子發(fā)生器的實(shí)際生產(chǎn)中,由于石英粉料的型號差異以及下料量變化,等離子發(fā)生系統(tǒng)的負(fù)載功率經(jīng)常出現(xiàn)變化,需作出相應(yīng)調(diào)整,以滿足要求的石英產(chǎn)品品質(zhì)、生產(chǎn)效率和降低不必要功耗的要求。
4.由于電源電壓的變化會引起電子管工作點(diǎn)的改變,使電子管內(nèi)阻受到影響,因此燈絲電源和直流電源輸入的穩(wěn)定程度也是不可忽視的一個方面。而在選擇電容、電感等元件時(shí),應(yīng)盡量選取使用本身參數(shù)對溫度、濕度穩(wěn)定性高的元件,避免由于環(huán)境變化造成的等離子發(fā)生系統(tǒng)的阻抗匹配程度降低。
本文從能量的觀點(diǎn)出發(fā),認(rèn)為等離子發(fā)生系統(tǒng)是一個能量轉(zhuǎn)換器,尋求解決實(shí)際轉(zhuǎn)換效率不高的現(xiàn)狀。通過對等離子發(fā)生系統(tǒng)的諧振電路和等效電路分析,得出從阻抗匹配角度的改善問題的方法。改善內(nèi)容基本分為改變振蕩回路電子管內(nèi)阻阻值和諧振電路等效阻抗兩個方向的多個方法和措施。由于實(shí)際生產(chǎn)工藝和所使用設(shè)備的差異,本文所給出的方法和措施可能并不一定適用各種等離子發(fā)生系統(tǒng),但運(yùn)用阻抗匹配理論并結(jié)合自身實(shí)際情況,應(yīng)可以有效改善等離子發(fā)生系統(tǒng)的功率輸出和實(shí)際效率。整體而言,本文對等離子發(fā)生系統(tǒng)的性能改善和效率提升提供了一個新角度,并富有一定的指導(dǎo)意義。
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本研究獲得河北省重大科技成果轉(zhuǎn)化項(xiàng)目(項(xiàng)目編號:14041101Z)資助 。