諧振高壓等離子球磨電源研究*

袁 松，曾 敏，李 陽，胡子鑫

（華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州 510641）

0 引言

傳統(tǒng)機(jī)械高能球磨中利用機(jī)械能使材料內(nèi)部反復(fù)形變、細(xì)化、固相變化等過程以制備具有良好性能的化合物粉末[1]。但其機(jī)械能作用效率較低、耗能大且球磨過程需要較長時間，容易帶來介質(zhì)污染[2]。針對上述問題，等離子體輔助球磨技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生[3-4]，利用等離子體激發(fā)的高活性粒子對表面的活化與機(jī)械破碎的雙重作用加強(qiáng)了粉末細(xì)化，大幅提高了球磨的效率，且等離子球磨在真空電離，不會帶來污染物。等離子球磨過程中等離子放電與機(jī)械效應(yīng)的比值不同對輔助球磨的影響不同，因此研制具有可控放電參數(shù)的高壓等離子球磨電源具有重要意義。

以往工頻高壓電源整機(jī)效率低，變壓器體積及損耗較大，因此越來越多的高壓等離子電源采用高頻電源[5]，利用在放電電極間施加高頻高壓交流電來激發(fā)等離子體，減少了電源體積和提高了電源效率。目前高壓高頻電源存在控制結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題，一般采用前級全橋整流電路，Buck 電路直流調(diào)壓加上全橋逆變結(jié)構(gòu)，完成由AC-DC-AC的變換，時序控制復(fù)雜[6-8]，電源可靠性較低，不利于等離子體輔助球磨系統(tǒng)長時間的穩(wěn)定工作。

本文提出了采用單管結(jié)構(gòu)的諧振高壓等離子球磨電源，只需要控制單個開關(guān)管脈沖信號即可調(diào)節(jié)高壓等離子球磨電源輸出交流電壓的頻率與幅值，并利用高壓變壓器與負(fù)載的諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步提高輸出電壓的幅值。最后通過Simulink 對電路進(jìn)行仿真驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上研制了最大輸出電壓峰峰值為24 kV、輸出功率為3 kW 樣機(jī)，并進(jìn)行等離子輔助球磨的放電測試。

1 工作原理與諧振參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 主電路及其原理

本文采用的諧振高壓等離子球磨電源主電路與等效負(fù)載如圖1 所示。220 V 交流電由隔離變壓器T1降壓為110 V 交流電，再經(jīng)過全橋整流濾波輸出為150 V 平滑直流電，作為給諧振變換電路的輸入。諧振電感L1、諧振電容C3、可控硅SCR、RC 緩沖電路C2和R2以及反向二極管D5組成諧振變換電路，經(jīng)過諧振變換后得到可調(diào)頻的交流電壓作用于高壓變壓器T2初級，高壓變壓器次級升壓至20 kV 交流電壓用來激發(fā)等離子體。等離子負(fù)載可等效為RL和CL并聯(lián)電路[9]，RL等效為激發(fā)等離子體過程中功率電阻模型，CL則為等效放電間隙的電容模型。

圖1 主電路示意圖

諧振高壓等離子球磨電源的主電路工作波形如圖2所示，其中up為T2變壓器初級電壓，us為負(fù)載電壓。在t0時刻觸發(fā)可控硅導(dǎo)通，電感電流i1和電壓up為諧振狀態(tài)，一直到t1時刻，可控硅因電流反向而自然關(guān)斷，電流轉(zhuǎn)移到二極管D5，直到t2時刻電流i1第二次反向，二極管D5關(guān)斷，能量傳輸階段結(jié)束，到t3時刻開始新的開關(guān)周期。

圖2 主電路工作波形簡圖

1.2 諧振參數(shù)設(shè)計(jì)

在t0～t2時間里，可控硅SCR 以及反向二極管D5先后導(dǎo)通，電路L1、C3以及等效變壓器負(fù)載ZL參與諧振，等效初級諧振電路如圖3 所示。圖中U˙in為圖1中AB 兩點(diǎn)的電壓相量，為變壓器T2初級電壓up的相量形式。

圖3 等效初級諧振電路

實(shí)際電路中ZL>>1/(ωC3)，其中ω 為工作角頻率，因此等效諧振電路可看作串聯(lián)諧振電路，其固有諧振頻率可表示為：

t0～t2這段諧振時間也可表示為：

為了使高壓等離子電源起振，可控硅SCR的脈沖頻率fG要滿足式(3)：

當(dāng)fG≥f1時，流過可控硅的電流未第二次過零點(diǎn)時就給予開通脈沖信號，導(dǎo)致可控硅無法自然關(guān)斷，最后起振失效。另外從圖3 可得到工作頻率與輸出電壓的關(guān)系式：

從式(5)中可得隨著工作角頻率ω的增加，升壓變壓器T2初級電壓也隨之上升，從而通過控制可控硅工作頻率可以控制電源輸出電壓的幅值大小。

1.3 變壓器與負(fù)載諧振網(wǎng)絡(luò)

為了實(shí)現(xiàn)20 kV 級別的高電壓輸出，通常升壓變壓器T2的匝數(shù)比往往較高，變壓器效率較低。這里通過變壓器與負(fù)載諧振，進(jìn)一步提高變壓器次級輸出電壓幅值，使電源在較低匝比下輸出高電壓，拓寬高壓等離子球磨電源的工作頻率范圍。圖4(a)所示為變壓器等效電路與負(fù)載，圖4(b)為轉(zhuǎn)換后變壓器與負(fù)載等效電路。

圖4(a)中，Rp和Lp分別為初級等效電阻和初級等效漏感，Rs和Ls分別為次級等效電阻和次級等效漏感，用Rm和Lm表示對磁芯的磁化特性建模。等效處理后得到圖4(b)變壓器與負(fù)載諧振電路，具體關(guān)系如下：

圖4 等效變壓器與負(fù)載諧振電路

式中：k 為變壓器T2的匝數(shù)比；Np為初級匝數(shù)，Ns為次級匝數(shù)。

為了使變壓器與負(fù)載產(chǎn)生諧振，需要等效電路中的Leq、Req與等效負(fù)載的和的電抗相加等于0，從而得到其諧振頻率fL為：

當(dāng)可控硅工作在變壓器與負(fù)載諧振頻率fL附近時，可在次級得到超過匝數(shù)比的高壓，具體由式(10)得到：

式中，Q 為變壓器T2初級電壓與負(fù)載電壓增益。

通過在Simulink 搭建如圖4(b)所示的變壓器與負(fù)載模型，設(shè)置up=110sinωt，fL=12 kHz，對不同的Q 值進(jìn)行仿真，仿真結(jié)果如圖5 所示。

從圖5 仿真結(jié)果中可以看出，Q 值越大以及可控硅工作頻率fG越接近變壓器與負(fù)載的諧振點(diǎn)fL，得到的變壓器次級電壓值就越高。

圖5 變壓器與負(fù)載諧振的頻率響應(yīng)

因此高壓等離子球磨電源可控硅工作頻率fG的范圍應(yīng)小于固有諧振頻率f1，同時接近諧振頻率fL，為簡化控制與電路參數(shù)設(shè)計(jì)，取fL為可控硅工作頻率fG的上限值，工作頻率fG越高，輸出電壓幅值也越大。

2 仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)分析

2.1 仿真分析與驗(yàn)證

基于上述原理，在Simulink 仿真軟件中，搭建如圖1所示電路，通過對上述公式進(jìn)行合理取值，使得由式(1)、式(9)計(jì)算可控硅工作頻率fG=fL=12 kHz

圖6 主電路仿真波形

從圖6(a)中可得L1電流的諧振時間t01=37 μs，與計(jì)算諧振頻率f1=27 kHz 相符。可控硅的控制信號采用脈沖邏輯信號觸發(fā)。圖6(b)為同一時間軸下的可控硅端電壓電流波形，可以看出可控硅工作在自然關(guān)斷狀態(tài)，在正半周可控硅電流為L1電流。圖6(c)為高壓變壓器T2初級與負(fù)載電壓波形，通過分析初級電壓與負(fù)載電壓的基波幅值，得Up=207 V，Us=12.6 kV，此時電壓增益比Q=1.5，負(fù)載電壓峰峰值超過20 kV，滿足球磨電源激發(fā)等離子體設(shè)計(jì)要求。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于上述原理和仿真結(jié)果，搭建了高壓等離子電源樣機(jī)，樣機(jī)電路參數(shù)如下：諧振電感L1=36 μH，諧振電容C3=1 μF，濾波電容C1=2 200 μF，變壓器T2匝數(shù)比k=1/40，等效初級漏感Lp=1.25 mH，等效勵磁電感Lm=8 mH。圖7 為可控硅工作頻率為7 kHz 時的樣機(jī)波形。

圖7 樣機(jī)實(shí)驗(yàn)波形

由圖7(a)、圖7(b)可得電感電流i1和可控硅電流isr與仿真圖6中一致。為方便觀察，將圖7(c)中的變壓器初級電壓波形反相后與負(fù)載電壓波形比較，負(fù)載電壓波形呈現(xiàn)正弦波，與仿真圖6(c)一致。為了驗(yàn)證本文等離子球磨電源的輸出電壓可控，進(jìn)行了多組頻率實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如表1 所示。

表1 不同工作頻率fG 樣機(jī)輸出

表1中，隨著可控硅工作頻率fG的增加，負(fù)載電壓峰峰值也隨之增加，從20 kV 增加至24.5 kV，保證了負(fù)載電壓幅值的可控性，實(shí)現(xiàn)等離子輔助球磨的放電參數(shù)可調(diào)。

圖8 為實(shí)際等離子輔助球磨的放電效果，采用同軸式放電結(jié)構(gòu)，可見研制的諧振高壓等離子球磨電源成功激發(fā)等離子體，在球磨室內(nèi)發(fā)出淡藍(lán)色輝光，作用在制備材料表面。

圖8 等離子球磨電源放電

3 結(jié)論

本文研制的諧振高壓等離子球磨電源，滿足等離子輔助球磨的放電要求，放電參數(shù)調(diào)節(jié)，以滿足不同比例作用的機(jī)械力與等離子放電實(shí)驗(yàn)。電源主電路通過初級諧振網(wǎng)絡(luò)的頻率選擇簡化了電路參數(shù)設(shè)計(jì)，次級輸出電壓通過變壓器負(fù)載諧振網(wǎng)絡(luò)進(jìn)一步提高輸出電壓幅值，其控制結(jié)構(gòu)簡單，易于在等離子輔助球磨領(lǐng)域推廣應(yīng)用。