CN101457474B - 织物表面改性用低温等离子体电源及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种织物表面改性用低温等离子体电源及其控制方法，织物表面改性用低温等离子体电源主要由整流电路、直流母线、全桥逆变电路、升压变压器、织物表面改性装置、电场测量模块、电场幅值稳定控制模块和织物表面改性线性调功控制模块组成；本发明在大气压下产生稳定、均匀和柔和的低温等离子体对织物进行处理，避免不均匀的细丝低温等离子体放电引起织物的穿孔和损伤，能在不破坏织物基体性能的情况下使其表面润湿性显著提高。

Description

织物表面改性用低温等离子体电源及其控制方法

技术领域

本发明涉及低温等离子体电源及其控制方法，尤其是织物表面改性用低温等离子体电源及其控制方法。

技术背景

低温等离子体对织物表面改性是一种清洁、节能、快速、适用面广的新技术。它通过对织物表面进行刻蚀、交联和化学改性，具有提高织物可纺性，改变织物表面自由性能、润湿性能，提高复合粘结强度，改进染色性能和效果等优点。其中的关键技术是常压低温等离子体电源能够产生稳定、均匀柔和的放电形式。与其它放电形式相比，稳定、均匀柔和的放电不会产生局部过热使织物穿孔或燃烧，对所处理的织物种类没有严格的要求，适应性强，处理的均匀性好，织物表面性能改善的同时，基体性能不受影响。

稳定、均匀和柔和的放电形式可以很方便的在低气压下实现，但此时需要抽真空设备，系统复杂昂贵，且不适于工业流水线作业。另一种实现稳定、均匀柔和的放电是在常压下进行，以往的研究主要集中在填充稀有气体或混合气体，或者特殊的电极结构上面，没有考虑电源的控制方法对气体放电形式以及织物表面改性效果的作用。实际上，即使在一定条件下实现了均匀放电，如果控制方法不能应对织物处理过程中复杂的情况，放电形式受外界影响很容易过渡到不均匀的细丝放电形式，导致被处理织物的穿孔和燃烧，从而限制了其工业应用。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种织物表面改性用低温等离子体电源及其控制方法。利用本发明在大气压下产生稳定、均匀和柔和的低温等离子体对织物进行处理，同时避免不均匀的细丝低温等离子体引起织物的穿孔和损伤，能在不破坏织物基体性能的情况下使其表面润湿性显著提高。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种织物表面改性用低温等离子体电源，它主要由整流电路、直流母线、全桥逆变电路、升压变压器、织物表面改性装置、电场测量模块、电场幅值稳定控制模块和织物表面改性线性调功控制模块组成；其中，整流电路、直流母线、全桥逆变电路、升压变压器、织物表面改性装置、电场测量模块和电场幅值稳定控制模块依次连接，电场幅值稳定控制模块与整流电路相连，织物表面改性线性调功控制模块与全桥逆变电路相连。

进一步地，所述电场幅值稳定控制模块主要由幅值检测电路、比例积分调节器和集成开关驱动器依次连接组成所述织物表面改性线性调功控制模块主要由功率给定电路、运行时间比率调节器和开关驱动器依次连接组成所述运行时间比率调节器主要由压控振荡器、二分频电路、脉宽生成电路、与门电路和非门电路组成。所述压控振荡器与二分频电路相连后和与门电路相连，脉宽生成电路和与门电路相连，与门电路和非门电路相连。

上述织物表面改性用低温等离子体电源的控制方法，包括：

(a)负载谐振匹配：通过调整升压变压器的漏感和匝比的大小实现升压变压器与织物表面改性装置之间的离线负载谐振匹配。实时调整全桥逆变器输出电压的频率，使其跟踪负载谐振电流的频率来实现在线负载谐振匹配。

(b)电场幅值稳定控制：电场测量模块得到织物处理过程中输出电场信号，电场信号经过幅值检测电路得到电场幅值反馈信号，与给定电场幅值信号比较得到误差信号，由比例积分调节器对误差信号作比例积分调节后得到控制信号，控制信号作为开关集成驱动器的输入，开关集成驱动器控制整流器运行，从而改变直流母线上的电压来控制输出电场的大小。

(c)织物表面改性线性调功控制：脉宽生成电路把功率给定电路的电压信号转换成脉宽信号，脉冲宽度对应全桥逆变电路的运行时间比率。运行时间比率是指单位时间内全桥逆变电路的运行时间。同时全桥逆变电路运行所需的高频开关信号可以由压控振荡器经过二分频电路后产生50％对称脉冲信号得到。二分频电路输出的50％对称脉冲信号和脉宽生成电路输出的信号通过与门后生成全桥逆变电路运行所需的信号，再由非门电路产生互补信号作为开关驱动器的输入，最终由开关驱动器来控制全桥逆变电路的运行。

本发明的有益效果是：本发明能够实现升压变压器和织物处理放电系统之间的离线和在线谐振匹配，自动调节织物低温等离子体处理过程中因织物种类的不同、织物处理速度变化、环境温度变化、气压变化、气体放电气氛变化等等所造成的低温等离子体放电的扰动，保持产生稳定、均匀和柔和的低温等离子体对织物进行处理，避免引起织物的穿孔和损伤，同时显著提高织物的表面性能。本发明由于保证了大气压下稳定、均匀和柔和的低温等离子体放电的产生，能够满足工业化连续生产的需求，具有节能、清洁和性能稳定的突出特点。

附图说明

图1是本发明织物表面改性用低温等离子体电源的结构框图；

图2是本发明织物表面改性用低温等离子体电源的电场幅值稳定控制模块结构框图；

图3是本发明织物表面改性用低温等离子体电源的织物表面改性线性调功控制模块结构框图；

图4是本发明织物表面改性用低温等离子体电源的运行时间比率调节器结构框图；

图5是本发明织物表面改性用低温等离子体电源的升压变压器和织物表面改性装置的结构示意图；

图中：1、整流电路，2、直流母线，3、全桥逆变电路，4、升压变压器，5、织物表面改性装置，6、电场测量模块，7、电场幅值稳定控制模块，8、织物表面改性线性调功控制模块，9、运行时间比率调节器。

具体实施方式

低温等离子体电源产生高频高压作用于织物表面改性装置的放电电极上，电极间的气体发生放电产生等离子体，等离子体作用于织物表面，从而达到织物表面改性目的。因此，低温等离子体电源对织物表面改性涉及电源技术、材料科学和气体放电等离子体物理交叉学科领域，放电等离子体使材料改性过程对于电源而言是一个非线性时变负载，所以电源的控制方法对与织物表面改性显得尤为重要。

下面根据附图详细说明本发明，本发明的目的和效果将变得更加明显。

如图1所示，本发明织物表面改性用低温等离子体电源主要由整流电路1、直流母线2、全桥逆变电路3、升压变压器4、织物表面改性装置5、电场测量模块6、电场幅值稳定控制模块7、织物表面改性线性调功控制模块8组成。其中，整流电路1、直流母线2、全桥逆变电路3、升压变压器4、织物表面改性装置5、电场测量模块6和电场幅值稳定控制模块7依次连接，电场幅值稳定控制模块7与整流电路1相连，织物表面改性线性调功控制模块8与全桥逆变电路3相连。

如图2所示，电场幅值稳定控制模块7主要由幅值检测电路、比例积分调节器和集成开关驱动器依次连接组成，集成开关驱动器可以采用西门子公司的TCA785芯片。

如图3所示，织物表面改性线性调功控制模块8主要由功率给定电路、运行时间比率调节器9和开关驱动器依次连接组成，开关驱动器可以采用三菱公司生产的M5792L混合集成驱动电路。

如图4所示运行时间比率调节器9主要由压控振荡器、二分频电路、脉宽生成电路、与门电路和非门电路组成，压控振荡器与二分频电路相连后和与门电路相连，脉宽生成电路和与门电路相连，与门电路和非门电路相连。压控振荡器可以采用CD4046芯片，二分频电路可以采用CD4013芯片，脉宽电路可以采用NE555电路，与门电路可以采用CD4081芯片，非门电路可以采用CD4049芯片。

如图5所示，升压变压器4的具体参数包括了漏感L_r，副边对原边的匝比n，织物表面改性装置5的等效电容为C_o。

本发明织物表面改性用低温等离子体电源的控制方法，包括以下步骤：

1、负载谐振匹配

如图5所示，电路的固有谐振频率f_o由升压变压器4的漏感L_r、变压器的匝比n和织物表面改性装置的等效电容C_o决定，并由式(1)给出。

$f_o\≈\frac{1}{2\mathrm{\π}\sqrt{L_r{n}^2{C}_o}}---\left(1\right)$

由于织物表面改性装置的等效电容C_o随着功率的增大有增大的趋势，所以必须保证固有谐振频率f_o大于电路期待工作频率f_s，并且有一定的范围，一般f_s＜f_o＜1.6f_s。通过调整升压变压器4的漏感和匝比的大小实现升压变压器4与织物表面改性装置5之间的离线负载谐振匹配。另外，织物处理过程中织物表面改性装置的等效电容C_o存在非线性和时变性，所以必须实时调整全桥逆变器3输出电压V_AB的频率，使其跟踪负载谐振电流i_r的频率来实现在线负载谐振匹配。负载谐振匹配技术最大限度的保证了织物表面处理的最优工作状态，是实现高效低温等离子体处理织物的关键之一。

2、电场幅值稳定控制

如图2所示，由电场测量模块6得到织物处理过程中输出电场信号V_o，电场信号经过幅值检测电路得到电场幅值反馈信号V_p，与给定电场幅值信号V_p ^*比较得到误差信号，由比例积分调节器对误差信号作比例积分调节后得到控制信号，控制信号作为开关集成驱动器的输入，开关集成驱动器控制整流器1运行，从而改变直流母线2上的电压来控制输出电场的大小。以上的闭环控制实现了织物处理过程中稳定输出电场幅值的功能。

3、织物表面改性线性调功控制

如图3和图4所示，脉宽生成电路把功率给定电路的电压信号转换成脉宽信号，脉冲宽度对应全桥逆变电路3的运行时间比率。运行时间比率是指单位时间内全桥逆变电路3的运行时间。同时全桥逆变电路3运行所需的高频开关信号可以由压控振荡器经过二分频电路后产生50％对称脉冲信号得到。二分频电路输出的50％对称脉冲信号和脉宽生成电路输出的信号通过与门后生成全桥逆变电路3运行所需的信号，再由非门电路产生互补信号作为开关驱动器的输入，最终由开关驱动器来控制全桥逆变电路3的运行。因为可以通过功率给定电路的线性调节实现全桥逆变电路3运行时间比率的线性调节，所以最终实现织物表面改性线性调功的功能。

多自由度参数协同控制技术是指以织物表面改性条件下的负载谐振匹配技术为基础，同时采用电场幅值稳定控制技术、织物表面改性线性调功技术以及各种技术的协同工作技术。织物处理是一个复杂的过程，涉及电源、材料科学和等离子体物理交叉学科的知识，单一的控制技术不能满足织物表面改性效果的要求，必须同时采用几种控制技术、协同工作才能达到理想的织物表面改性效果。具体实施举例：在某些织物表面改性时既需要保证一定的电场幅值又需要保证一定的功率，此时必须采用多自由度参数协同控制技术解决电场输出幅值和功率之间的矛盾，以满足织物表面改性的需要。

Claims (1)

1.一种织物表面改性用低温等离子体电源的控制方法，织物表面改性用低温等离子体电源主要由整流电路(1)、直流母线(2)、全桥逆变电路(3)、升压变压器(4)、织物表面改性装置(5)、电场测量模块(6)、电场幅值稳定控制模块(7)和织物表面改性线性调功控制模块(8)组成；其中，整流电路(1)、直流母线(2)、全桥逆变电路(3)、升压变压器(4)、织物表面改性装置(5)、电场测量模块(6)和电场幅值稳定控制模块(7)依次连接，电场幅值稳定控制模块(7)与整流电路(1)相连，织物表面改性线性调功控制模块(8)与全桥逆变电路(3)相连；所述电场幅值稳定控制模块(7)主要由幅值检测电路、比例积分调节器和集成开关驱动器A依次连接组成；所述织物表面改性线性调功控制模块(8)主要由功率给定电路、运行时间比率调节器(9)和开关驱动器B依次连接组成；所述运行时间比率调节器(9)主要由压控振荡器、二分频电路、脉宽生成电路、与门电路和非门电路组成；所述压控振荡器与二分频电路相连后和与门电路相连，脉宽生成电路和与门电路相连，与门电路和非门电路相连；其特征在于，该方法包括：

(a)负载谐振匹配：通过调整升压变压器(4)的漏感和匝比的大小实现升压变压器(4)与织物表面改性装置(5)之间的离线负载谐振匹配；实时调整全桥逆变电路(3)输出电压的频率，使其跟踪负载谐振电流的频率来实现在线负载谐振匹配；

(b)电场幅值稳定控制：电场测量模块(6)得到织物处理过程中输出电场信号，输出电场信号经过幅值检测电路得到电场幅值反馈信号，与给定电场幅值信号比较得到误差信号，由比例积分调节器对误差信号作比例积分调节后得到控制信号，控制信号作为集成开关驱动器A的输入，集成开关驱动器A控制整流电路(1)运行，从而通过改变直流母线(2)上的电压来控制输出电场的大小；

(c)织物表面改性线性调功控制：脉宽生成电路把功率给定电路的电压信号转换成脉宽信号，脉冲宽度对应全桥逆变电路(3)的运行时间比率；运行时间比率是指单位时间内全桥逆变电路(3)的运行时间；同时全桥逆变电路(3)运行所需的高频开关信号由压控振荡器经过二分频电路后产生50％对称脉冲信号得到；二分频电路输出的50％对称脉冲信号和脉宽生成电路输出的信号通过与门后生成全桥逆变电路(3)运行所需的高频开关信号，再由非门电路产生互补信号作为开关驱动器B的输入，最终由开关驱动器B来控制全桥逆变电路(3)的运行。

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