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(xué)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(xué)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(kāi)關(guān)元件進(jìn)行直流斬波和全橋逆變，實(shí)現(xiàn)高壓電源高效小型化。控制系統(tǒng)以計(jì)算機(jī)為控制單元組成外圍電路實(shí)現(xiàn)電源的自動(dòng)調(diào)節(jié)、斷電保護(hù)。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，電源的各項(xiàng)性能指標(biāo)均達(dá)到預(yù)期的設(shè)計(jì)目標(biāo)，技術(shù)性能滿足織物表面處理工藝的需求。

關(guān)鍵詞：直流斬波；全橋逆變；PWM；計(jì)算機(jī)控制；高頻高壓電源

1　引言

隨著國(guó)內(nèi)外等離子體技術(shù)的不斷深化，低溫常壓等離子體的應(yīng)用領(lǐng)域逐漸成為世人關(guān)注的熱點(diǎn)。在紡織行業(yè)中，應(yīng)用低溫等離子體技術(shù)對(duì)天然和化學(xué)纖維織物表面進(jìn)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(xué)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(guò)程簡(jiǎn)便迅速，對(duì)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(duì)織物面料表面改性處理，由于受到真空室操控空間與設(shè)備成本的制約，采用常壓低溫等離子體對(duì)織物面料表面改性處理不但可以實(shí)現(xiàn)工業(yè)連續(xù)生產(chǎn)，而且大大降低了設(shè)備成本。但等離子體技術(shù)對(duì)織物表面處理工藝相對(duì)復(fù)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(shí)變性，放電形式極易受工況影響而過(guò)渡到細(xì)絲放電，導(dǎo)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(xì)絲放電的功能。本文采用PWM調(diào)制技術(shù)及逆變?cè)恚杂?jì)算機(jī)控制為控制單元結(jié)合傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)調(diào)節(jié)電源的各個(gè)參數(shù)，使電源能高效、穩(wěn)定、快速響應(yīng)工作。低溫等離子體應(yīng)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(shuō)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(kāi)關(guān)管IGBT、全橋逆變電路、單相升壓高頻變壓器T、高壓細(xì)絲放電電流抑制電路、檢測(cè)電路、調(diào)節(jié)電路和保護(hù)電路組成。關(guān)鍵器件開(kāi)關(guān)管IGBT選用2單元、50A、1200V型號(hào)為BSM50GB120DN2的IGBT模塊，硬開(kāi)關(guān)頻率高達(dá)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(qū)動(dòng)芯片選用國(guó)產(chǎn)新型TXDA841HD，且TX－DA841HD可用于同時(shí)驅(qū)動(dòng)300A／1200V（600A／600V）IGBT 4管，最高工作頻率可達(dá)60kHz，使得IGBT驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)變得簡(jiǎn)單、靈活，具有一系列的保護(hù)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(guò)低頻整流和濾波得到約為510V直流電壓后，經(jīng)斬波電路轉(zhuǎn)化為0V－510V穩(wěn)定、平直、可調(diào)的直流輸出電源，再通過(guò)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(cè)，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(hù)開(kāi)關(guān)管通斷瞬間過(guò)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(shù)特點(diǎn)

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(jié)構(gòu)上與普通的逆變變換器無(wú)本質(zhì)區(qū)別，但因高頻高壓的存在，在工程實(shí)踐應(yīng)用中，元器件的選擇受到很大限制，這就不可避免地帶來(lái)一些技術(shù)問(wèn)題［4］。

3.1采樣反饋控制

電壓反饋信號(hào)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(jì)算機(jī)處理輸出PWM波控制Buck變換器開(kāi)關(guān)管的開(kāi)關(guān)動(dòng)作。電流反饋則在低壓側(cè)逆變前通過(guò)高精度、響應(yīng)速度快的霍爾電流互感器，其電流采樣信號(hào)經(jīng)模擬信號(hào)處理輸送給計(jì)算機(jī)數(shù)模轉(zhuǎn)換后，接入全橋逆變控制單元。對(duì)于圖示中霍爾電壓互感器及電路而言，考慮到電流通過(guò)電阻會(huì)發(fā)熱，通常被測(cè)電壓越高，限流電阻R越大，RC對(duì)霍爾電壓互感器的影響也越大。被測(cè)電壓越高，初級(jí)線圈的電流越小，初級(jí)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(jì)算機(jī)控制單元、人機(jī)界面（觸摸屏）、開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊、A／D模塊、D／A模塊及驅(qū)動(dòng)電路。A／D模塊將各路反饋回來(lái)的模擬量轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，計(jì)算機(jī)控制單元根據(jù)A／D所采集的數(shù)字量進(jìn)行運(yùn)算和調(diào)節(jié)后，輸出相應(yīng)PWM脈沖信號(hào)。全橋逆變控制單元如圖4所示，Buck控制單元如圖6所示。控制電路主要完成故障綜合、邏輯判斷和封鎖PWM脈沖，當(dāng)發(fā)生任何故障時(shí)，能快速封鎖PWM波而切斷高壓電源，起到保護(hù)的目的。其驅(qū)動(dòng)電路主要完成PWM信號(hào)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(hù)控制回路。Buck變換器通過(guò)其輸出電壓的負(fù)反饋信號(hào)去控制脈寬調(diào)制的占空比，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)穩(wěn)壓；全橋逆變器通過(guò)其輸入電流的負(fù)反饋信號(hào)去控制本脈沖的電流峰值。各工作點(diǎn)波形如圖5所示。上橋臂G1和G3開(kāi)關(guān)管的輸入為計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的一組方波，下橋臂G2和G4開(kāi)關(guān)管為占空比小于50%的脈沖信號(hào)。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(shí)，下橋臂開(kāi)關(guān)功率管被封鎖截止，這樣在本脈沖內(nèi)就實(shí)現(xiàn)了峰值電流控制。即使發(fā)生細(xì)絲放電，放電能量也不足引起被處理織物穿孔和損傷。計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中斷程序流程如圖7所示，由于實(shí)現(xiàn)功能較多，且邏輯關(guān)系較復(fù)雜，電源智能系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要運(yùn)用主程序結(jié)合中斷服務(wù)程序的思想，各類功能子程序之間通過(guò)調(diào)用命令或者產(chǎn)生中斷響應(yīng)使之互相通信。整個(gè)程序設(shè)計(jì)思路清晰，修改主程序及調(diào)試鏈接很方便，是采用C語(yǔ)言進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

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(hù)控制策略

高壓電源工作時(shí)，電源內(nèi)部產(chǎn)生的過(guò)電壓或過(guò)電流可能會(huì)損壞電源或IGBT，因此需要設(shè)計(jì)電源過(guò)壓保護(hù)和過(guò)流保護(hù)電路。過(guò)流保護(hù)有兩種形式：一是當(dāng)流過(guò)IGBT集電極的電流IC增大時(shí)，UCE也隨之增大，當(dāng)該電壓超過(guò)設(shè)定的保護(hù)閾值（如8.5V）時(shí)，產(chǎn)生過(guò)流信號(hào)。如過(guò)流信號(hào)短時(shí)間超過(guò)設(shè)定的盲區(qū)時(shí)間時(shí)，立即降低柵壓，隨著過(guò)流信號(hào)逐漸的消失柵壓恢復(fù)正常，電流值不能達(dá)到最大的電流峰值，可避免IGBT出現(xiàn)鎖定損壞。若發(fā)生長(zhǎng)時(shí)間過(guò)流，則立即降低柵壓后，驅(qū)動(dòng)器進(jìn)行軟關(guān)斷處理，即封鎖輸入PWM信號(hào)。過(guò)流信號(hào)經(jīng)計(jì)算機(jī)程序運(yùn)算后，發(fā)出過(guò)流信號(hào)指示，在方波的半周期內(nèi)，下橋臂開(kāi)關(guān)功率管被封鎖截止，切斷可控硅主電路。二是計(jì)算機(jī)外接霍爾電流互感器采樣電路和控制電路，當(dāng)檢測(cè)到的電流信號(hào)超過(guò)設(shè)定值時(shí)，分別發(fā)出關(guān)斷主電路和過(guò)流指示的信號(hào)，實(shí)現(xiàn)過(guò)流保護(hù)。電源也設(shè)計(jì)了有效的過(guò)壓保護(hù)電路，電源內(nèi)部的限流及保護(hù)電阻有效地限制過(guò)電流和過(guò)電壓。當(dāng)發(fā)生過(guò)壓時(shí)，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(kāi)關(guān)管的PWM脈沖，并迅速切斷供電電源，即快速跳閘保護(hù)［7］［8］。

4　電源試驗(yàn)結(jié)果分析

4.1試驗(yàn)結(jié)果

本文試驗(yàn)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(shí)的上升和下降波形；圖8（b）所示為額定功率20kV／100mA試驗(yàn)信號(hào)波形；圖8（c）所示為高壓電源輸出電壓降落U%與負(fù)載電流I的關(guān)系波形。

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

（2）短路試驗(yàn)：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(yùn)行試驗(yàn)：束流100mA，輸出電壓20kV，當(dāng)輸入電壓增大，開(kāi)關(guān)管占空比減小，紋波系數(shù)會(huì)稍微增大，實(shí)測(cè)紋波系數(shù)0.76%。且束流上升和下降時(shí)高壓幾乎無(wú)波動(dòng)，如圖8（b）和8（c）所示，說(shuō)明該高壓電源具有良好的穩(wěn)定度；

（4）電源效率試驗(yàn)：束流100mA、20kV時(shí)輸出功率2kW，輸入功率2.45kW，效率81.6%；當(dāng)輸入電壓增大，開(kāi)關(guān)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(shù)指標(biāo)

高壓電源應(yīng)用到織物表面處理生產(chǎn)線時(shí)，工作穩(wěn)定，通過(guò)對(duì)電源技術(shù)指標(biāo)的測(cè)量，具體參數(shù)如下：高壓范圍為0kV－20kV連續(xù)可調(diào)，開(kāi)關(guān)頻率為10k－20kHz連續(xù)可調(diào)，電壓上升時(shí)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(shí)，高壓電源能快速恢復(fù)而不停機(jī)。

5　結(jié)論

圖8　試驗(yàn)波形

應(yīng)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(jié)構(gòu)及自動(dòng)調(diào)節(jié)方案。研究結(jié)果表明如下。

（1）高壓電源前級(jí)為Buck DC／DC斬波變換器，后級(jí)為全橋逆變器，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟、調(diào)壓調(diào)頻易操作實(shí)現(xiàn)，有利于整個(gè)設(shè)備的集成化。

（2）采用IGBT元件與計(jì)算機(jī)控制技術(shù)，控制電路不復(fù)雜便于智能化升級(jí)，高壓自動(dòng)聯(lián)鎖保護(hù)，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(xì)絲放電，放電能量也不會(huì)損壞處理織物，可以保證電源高效可靠。

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中圖分類號(hào)：TN86；TM832

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1005—7277（2015）06—0029—05

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

作者簡(jiǎn)介：楊建湘（1987－），男，漢族，湖南省洞口縣人，賀州學(xué)院教師，碩士。主要研究方向?yàn)楦吣苁商自O(shè)備及電力電子技術(shù)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