串聯(lián)諧振模式下塑料薄膜高壓電暈處理負載特性

摘要：塑料薄膜的電暈處理技術廣泛應用于包裝及印刷工業(yè)中。為了增強塑料薄膜表面粘附力，必須進行表面電暈處理。介紹了電暈處理過程中氣體放電的特性，對工作于串聯(lián)諧振模式下的電暈負載等效電路及伏安特性作了詳細的分析，給出了等效電路模型，通過對模型的仿真，與實驗測試進行了比較。

關鍵詞：電暈處理；介質(zhì)阻擋放電；串聯(lián)諧振

1 引言

電暈處理技術是應用高壓放電技術使放電極間的空氣電離成電暈放電，聚合物等被處理對象經(jīng)過放電空間接受放電時，其表面即產(chǎn)生極性基團，同時強烈的離子沖擊使被處理表面粗化，從而增強油墨及膠水在被處理材料表面的滲透力和粘合力。電暈負載類似于臭氧發(fā)生器，屬于介質(zhì)阻擋放電。一般電暈處理裝置都是利用串聯(lián)諧振技術，逆變器經(jīng)升壓變壓器輸出5～8kV頻率為20kHz左右高壓方波，經(jīng)負載與升壓變壓器漏感諧振到工藝要求的電壓（10～20kV）。雖然薄膜電暈處理應用很廣泛，但國內(nèi)生產(chǎn)廠家很少，對于負載的等效電路及伏安特性研究較少，本文在此對其作實驗和仿真分析。

2 電暈負載特性分析

2.1 電暈放電特性

電暈放電是一種介質(zhì)阻擋放電，介質(zhì)一般為耐熱性能好的膠皮或陶瓷。圖1是電暈處理裝置介質(zhì)阻擋放電示意圖。

圖1 介質(zhì)阻擋放電示意圖

介質(zhì)只覆蓋在單個電極上，厚度為L_d，放電氣隙為L_g，當作用在電極上電壓為V_s時，設介質(zhì)密度是均勻的，而在介質(zhì)和放電氣隙間電場強度E_d和E_g是不同的。

E_d/E_g=ε_g/ε_d

于是 V_s=L_dE_d＋L_gE_g

因此介質(zhì)和氣隙上的電場強度為

E_d=，E_g=

式中：ε_g、ε_d分別為放電氣隙及介質(zhì)的介電常數(shù)。

由于電極間介質(zhì)層的存在，介質(zhì)阻擋放電的工作電壓一定要是交變的。根據(jù)交變電壓的頻率差異，放電的特性有所不同。通?？梢苑殖傻皖l介質(zhì)阻擋放電和高頻介質(zhì)阻攔放電。前者的頻率范圍為50Hz到10kHz，后者的頻率為100kHz以上。這兩種介質(zhì)阻攔放電的等效電路如圖2所示。

(a)低頻 (b)高頻

圖2 不同頻率下的介質(zhì)阻擋放電等效電路

圖2中C_d是介質(zhì)電容，C_g是氣隙電容，R是放電的等效電阻，通常C_g《C_d，V_op是作用電壓的峰值，V^＊和V_op^＊分別是低頻和高頻條件下回路中的積分電流為零時的電壓值。

圖3是氣隙電壓與外界作用電壓的關系。在介質(zhì)阻擋放電的電特性中，放電電壓V_d是一個重要的電學參量，它的大小直接與放電的功率有關?？梢远x一個平均放電電壓V_d，它在放電作用周期內(nèi)是一個常量。當放電間隙上的電壓V_g小于V_d時，不發(fā)生放電現(xiàn)象。這時電路是由介質(zhì)電容C_d和間隙電容C_g串聯(lián)組成。當放電間隙電壓V_g達到V_d時，就出現(xiàn)微放電，而且一直維持到外界電壓達到最大值V_op為止。在存在微放電的整個時間過程內(nèi)V_g≈V_d，放電電壓V_d的數(shù)值在微放電出現(xiàn)時和截止后的電壓值之間。該數(shù)值是一個平均值，主要決定于放電氣體的成份，間隙中的粒子濃度以及間隙寬度等。

圖3 外界作用電壓V_s和放電間隙電壓V_g的關系

3.2 電暈負載等效電路

電暈放電性質(zhì)相當于一個非線性有損電容，用C_g、R_g模擬，表面包有電介質(zhì)的滾筒用C_b模擬，等效電路如圖4所示。對于圖4(a)電路，在氣隙被擊穿前C_g、C_b串聯(lián)；擊穿后非線性氣體放電與C_b串聯(lián)。此電路只是粗略的等效，對于氣體放電過程中的特性未能等效出。

(a) (b)

圖4 幾種電暈放電等效電路

圖4(b)是另外一種等效電路，考慮了氣隙的損耗，用R_g來近似等效氣隙中的能量損耗，R_s是表示負載導線電阻及電容漏電阻。此電路雖然考慮了氣體放電過程中的能量損耗，但對于放電過程中的恒壓特性未表示出來。

串聯(lián)諧振下的電暈處理利用升壓變壓器的寄生漏感與電暈負載串聯(lián)諧振。圖5給出了建立在實驗波形分析基礎上的負載等效電路。圖中L_p是升壓變壓器的漏感，一般在幾十mH，負載的等效電容值主要由C_g決定，R_g是氣隙中的損耗，是一個阻值較大的可變電阻。為了達到良好的電暈處理效果，一般負載諧振頻率約為20kHz?？紤]到20kHz處于一個中高頻段，所以用圖2兩種情況結合來建立等效模型。在變壓器漏感不能滿足諧振頻率要求下，可在原邊或副邊串聯(lián)電感來使負載匹配，此時L_p是總的電感量。R_g的大小是一個與溫度有關的量，隨著整個處理負載溫度的升高，等效電阻減小，此時輸出電流增大。

圖5 電暈負載等效電路

氣隙未擊穿時，負載相當于兩個串聯(lián)的電容。逆變器的輸出電壓從零增大到額定電壓過程中，電極從局部稀疏放電直至形成無數(shù)隨機不規(guī)則的微細密集放電通道，等效電容由小到大非線性變化。氣隙擊穿放電后類似于準恒壓源，同時損耗能量，此時增大逆變器輸出電壓，氣隙上的電壓變化已不明顯。

3.3 負載的伏安特性

設計了一臺12kW的電暈處理高頻高壓發(fā)生器，實驗中通過記錄逆變器直流母線上的電壓和電流（平均值）來分析負載伏安特性。所用的高壓放電電極每根長1.6m，均由四個刀口組成，圖6是從氣隙擊穿前到滿功率輸出直流母線上的不同電壓下伏安特性曲線。電路工作在稍偏感性的諧振狀態(tài)，電流滯后電壓一個很小的角度。由于負載的電流大小與逆變控制電路中設定的鎖相滯后角的大小有關，所以實驗測得的數(shù)據(jù)是在此種狀態(tài)下（電流滯后角約為10°）的伏安值。

圖6 對應直流母線的負載伏安特性

圖6中“7”為7根電極，“9”為9根電極，從圖6可以看出，在開始出現(xiàn)電暈放電時（約為100V），電流增大較快，當達到幾乎完全放電（約300V）時，加大輸出電壓，電流增大速度減慢。此時消耗的大部分能量在氣隙放電上。負載的諧振頻率隨輸出功率的增大而降低，原因是前述的等效電容增大的緣故。電暈放電的輸出功率與諧振頻率f有關，在同樣條件下，頻率越高輸出功率就越大，所以若要獲得足夠的處理功率得設法提高諧振頻率，其中方法之一是減小升壓變壓器的漏感。

4 仿真與實驗結果

由圖5等效電路建立仿真模型，用PSPICE9.2針對某種特定條件進行仿真，整個電路的諧振頻率主要由L_p和C_g決定，取其參數(shù)為L_p=38mH（與實驗中測得的變壓器漏感相同），C_g=1.67nF，C_d=500nF，R_g=10kΩ，此時電路的諧振頻率約為20kHz，升壓變壓器模型略去，直接用20kHz，200V方波電源代替，兩個穩(wěn)壓管擊穿電壓設定為500V。

圖7(a)給出了仿真電壓電流波形，電流波形是畸變的正弦波，電壓從正到負或負到正跳變的過程中，電流波形發(fā)生畸變，這是氣隙擊穿后的恒壓源特性造成的，外加電場跳變時，氣隙放電熄滅，重新建立起反向電場。從仿真波形及實驗波形中均可以看到這個波形的畸變。從嚴格意義上說這已經(jīng)不是處于串聯(lián)諧振狀態(tài)了，諧振電壓達到一定值后被箝位在氣隙平均放電電壓Vd上，阻止它進一步上升。

實驗測得輸出電壓電流波形如圖7(b)，其中電壓為50v/div，電流25A/div。從波形圖可以看出，電路工作在稍偏感性的諧振狀態(tài)，電壓電流波形接近理想。其中電流峰值附近的毛刺是電暈放電所引起的。

(a)仿真波形

(b)實驗波形

圖7 仿真及實驗電壓電流波形

5 結語

本文在仿真和實驗的基礎之上分析了塑料薄膜表面高壓電暈處理負載特性及等效電路。氣體在電暈放電過程中呈現(xiàn)恒壓特性。電暈負載的非線性及多變性也給逆變器的設計帶來一定困難。利用串聯(lián)諧振達到輸出高壓及功率要求的電暈處理實現(xiàn)方式，在工業(yè)中得到廣泛的應用。對于負載特性的分析是合理設計電暈處理發(fā)生器的基礎。