CN102409525A

CN102409525A - 一种低温等离子发生装置及控制方法

Info

Publication number: CN102409525A
Application number: CN2011102687077A
Authority: CN
Inventors: 李孜
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2011-09-13
Filing date: 2011-09-13
Publication date: 2012-04-11

Abstract

本发明涉及一种低温等离子发生装置及控制方法，供电电源输出单相交流到充电器，充电器接收控制器的控制信号，充电器输出直流高压电到脉冲形成系统，控制器通过半导体驱动电路输出控制脉冲形成系统通断，脉冲形成系统形成高电压、大电流脉冲信号输出给放电电极。利用低温脉冲等离子的方法进行纺织品整理以及纺织品原材料加工处理，从而大大提高纺织品及其原料在染色、退浆、清洗、除异味和除菌等方面处理的效率，大幅缩短处理时间。该方法操作方便，安全，节水，节能，无公害，高效且易于推广。

Description

一种低温等离子发生装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种电力电子的技术领域，特别涉及一种用于纺织品整理及纺织品原材料加工处理的新型低温等离子发生装置。

背景技术

近年来，随着脉冲等离子体技术的不断发展，在各个领域的应用不断扩大和深化，低温等离子体技术在纺织品制造过程中的应用也越来越广泛。其应用的主要目的是对纺织品的表面进行改性处理，从而获得其他方法无法实现处理效果。低温等离子体处理技术能耗低、污染少，效率高，使得该方法被纺织行业高度关注并不断研究发展。

等离子体是物质除气态、固态、液态外，存在于大自然中的另一种基本形态，通常称为物质的第四态。在外加能量作用下，如进行加热、加外电场、激光照射等时，气体分子或原子会发生电离，形成带负电荷的电子和带正电荷的离子。在气体中电离成分只要超过千分之一，它们的行为就主要由离子和电子之间的库仑作用力所支配，而中性粒子之间的相互作用则退居次要地位，而且电离气体的运动受磁场的影响十分明显，成为导电率很高的一种导电流体。由离子、电子、自由基、激发态的分子和原子所组成的电离气体，处于激发、电离的高能状态，其电子的负电荷和离子的正电荷总数相等，宏观上对外不显电性，呈中性，称为等离子体。等离子体可按其压力、带电荷粒子密度和温度等进行分类。在一般情况下，可将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。前者又称为平衡等离子体，其电子和分子或原子类粒子都具有非常高的温度，一般用于处理熔点较高的物体，如锭子、喷丝板、化纤的导丝部件等各种金属制品等；后者又称为非平衡等离子体，其电子和分子或原子类粒子具有的温度是不同的，电子温度仍然很高，而分子或原子类粒子的温度却较低，故称低温等离子体，一般用于处理熔点较低的物体。在纺织生产中，一般使用低温等离子体处理纺织品。等离子体对纺织品的处理一般有刻蚀、接枝、聚合物等。

等离子体发生方法很多，实际应用的等离子体归纳起来有三种发生方式：

1．气体放电法：在电场作用下气体被击穿，发生气体电离(等离子体即是电离的气体)。

2．光致电离法：利用各种射线或具有足够能量的入射光子照射，使粒子获得能量后碰撞，引起气体电离。

3．热致电离法：借加热作用使粒子获得足够的能量，相互碰撞致电离。

纺织品处理常用的低温等离子体一般由气体放电法发生，具体地说就是直流电晕/辉光放电、高频电晕/辉光放电、微波放电。目前，高频介质电晕/辉光放电产生等离子体的方式被广泛应用。其主要优点是脉冲信号发生方法简单、设备成本较低。但是，该方式具有无法克服的缺点：1.电极间距过窄，不方便操作对象的加入与滚动。2.需要电极介质，耗损大。3.最重要的是效率低下。因为冲击脉冲信号上升速度的限制，使得等离子体中起关键作用的电子流速较慢，因此处理时间大大加长，如果在纺织车间高速运转的环境下处理的话，所需电极长度要几十米，这也是该技术没有大范围地应用到生产中去的主要原因。

发明内容

本发明是针对现在低温等离子发生设备无法克服的缺点的问题，提出了一种低温等离子发生装置及控制方法，克服现在低温等离子发生设备的缺点，大大缩短处理时间，降低损耗，提高了处理效率。

本发明的技术方案为：一种用于纺织品整理的新型低温等离子发生装置，包括供电电源、脉冲形成系统、充电器、控制器、放电电极，供电电源输出单相交流到充电器，充电器接收控制器的控制信号，充电器输出直流高压电到脉冲形成系统，控制器通过半导体驱动电路输出控制脉冲形成系统通断，脉冲形成系统形成高电压、大电流脉冲信号输出给放电电极。

所述供电电源的单相交流电可通过输电插座、太阳能蓄电经逆变和备用发电机发电所提供。

所述充电器选用高压直流电源。

所述脉冲形成系统由磁压缩电路构成，磁压缩电路包括半导体开关、三个陶瓷电容，磁开关和脉冲变压器，第一级充电电容并联在充电器输出端，第一级充电电容同时通过半导体开关并联在脉冲变压器初级，脉冲变压器次级并联在第二级充电电容上，第二级充电电容通过磁开关接尖峰电容，尖峰电容两端输出接放电电极。所述第一级充电电容是第二级充电电容的n²，n为脉冲变压器的变比。

一种低温等离子发生装置的控制方法，包括低温等离子发生装置，在使用太阳能蓄电经逆变的交流电系统中，控制器通过蓄电池监控系统监控蓄电池组，蓄电池组中储存的电压为24V的直流电，通过逆变器逆变为220V/50HZ的交流电输送到充电器再输送到脉冲形成系统，控制器直接设定充电器输出的充电电压幅值和充电频率，实时采集电压数据和温度数据，将采集到的数据与所设定的阀值进行对比，一旦采集的数据超过阀值，控制器输出信号控制报警信号和蓄电池的充/放电回路，切断或者开启充/放电回路；控制器通过控制半导体驱动电路开通或者关断，进而控制脉冲形成系统开启或者停止，当装置出现异常时，断开脉冲形成系统电路。

本发明的有益效果在于：本发明低温等离子发生装置及控制方法，克服现在低温等离子发生设备的缺点，大大缩短处理时间，降低损耗，提高了处理效率，操作方便，安全，节水，节能，无公害，高效且易于推广。

附图说明

图1为本发明低温等离子发生装置结构框图；

图2为本发明低温等离子发生装置控制功能图；

图3为本发明低温等离子发生装置中磁压缩电路示意图；

图4为本发明低温等离子发生装置中放电电极的平面图。

具体实施方式

由图1所示，一种低温等离子发生装置用于纺织品整理及纺织品原材料加工处理，包括备用供电设备1、闸刀2、供电电源3、转换器4脉冲形成系统7、充电器6、控制器5、放电电极8，供电电源3通过闸刀2接转换器4，供电设备1作为备用电源也接转换器4，通过转换器4输出的电通过充电器6到脉冲形成系统7，脉冲形成系统7输出接放电电极8，控制器5输出控制信号到充电器6和脉冲形成系统7。

所述的供电电源3为交流电，所述的脉冲形成系统7中由磁压缩电路构成，所述的供电电源3与脉冲形成系统7之间置有一个充电器6，充电器6为LAMBDA AMERICAS公司生产的型号为102A高压直流电源，这种电源能将220V交流电转变成最高可达6千伏的直流电压输出，充电器6与控制器5连接，根据控制器5中设定输出直流电压的幅值，控制器5通过磁压缩电路中的IGBT驱动电路控制脉冲形成系统开启或者停止，充电器6为高压直流电源，将220V交流电转变成几千伏的直流电压输送到脉冲形成系统7，所述的脉冲形成系统7将直流电压压缩为脉冲宽度为纳秒级的高电压和大电流脉冲信号并输出给放电电极，放电电极8采用传统多点对面，多线对面的形式。

当使用输电插座或备用发电机1供电时，控制器起三个作用，一是控制充电器6对脉冲形成系统7的充电电压；二是控制输出脉冲的频率；三是控制IGBT驱动电路。在阳光充足的地方使用太阳能蓄电经逆变的交流电系统中，由控制器5通过蓄电池监控系统监控蓄电池组，蓄电池组中储存的电压为24V的直流电，通过逆变器逆变为220V/50HZ的交流电输送到充电器再输送到脉冲形成系统7，所述的蓄电池监控模块由温度模块、电压模块和电流模块组成。

图2为控制功能图。以TI公司TMS320F2812为控制芯片的控制器5对整个系统起主控作用。蓄电池监控模块由温度模块、电压模块和电流模块组成，控制器5通过监控模块采集蓄电池组的工作状态，将采集到的数据与所设定的阀值进行对比，一旦采集的数据超过阀值，控制器5输出信号控制报警信号和蓄电池的充/放电回路，切断或者开启电路，保护蓄电池组，延长其使用寿命。充电器为LAMBDA AMERICAS公司生产的型号为102A的高压直流电源，这种电源有15 PIN D-SUB接口，具有可编程功能，将控制器5与其可编程端口进行对接，能实现通过控制器5直接设定充电器6输出的充电电压幅值和充电频率功能。控制器5通过可编程端口，能实时采集电压数据和温度数据，检测充电器的工作状态，当充电器6工作出现异常状态时，控制器5发出报警信号并直接停止其工作，保护充电器。IGBT驱动电路控制信号也由控制器发出，通过控制IGBT驱动电路，控制器5能启动或者停止IGBT驱动电路开关开通或者关断，进而控制脉冲形成系统开启或者停止，当系统出现异常时，保护系统。

由图3所示，所述的磁压缩电路包括半导体开关、陶瓷电容C₀、C₁、C_p，磁开关和脉冲变压器PT。第一级充电电容C₀并联在充电器输出端，第一级充电电容C₀同时通过半导体开关并联在脉冲变压器PT初级，脉冲变压器PT次级并联在第二级充电电容C₁上，第二级充电电容C₁通过磁开关接尖峰电容C_p，尖峰电容C_p两端输出接放电电极。第一级充电电容C₀的容值远大于C₁，n²C₁=C₀，n为变压器的变比。由可饱和磁芯制做而成的磁开关与普通的半导体开关不同，它不仅具有普通半导体开关的开关作用，而且不受开关频率的限制。磁开关在磁芯未饱和时，其自身的电感量很大，对电流的流通起阻碍作用，相当于开关的断开状态；当磁芯饱和时，其自身的电感量急剧下降，导通电流，相当于开关的闭合状态。当第一级充电电容C₀充电时，磁开关处于未饱和状态，当C₀充电至最高电压时，半导体开关导通，能量通过脉冲变压器PT，由C₀中传输至第二级充电电容C₁上，能量传输结束的瞬间，磁开关饱和导通，能量快速传输给尖峰电容C_p，由C_p进一步压缩信号，传输给放电电极并产生电晕/辉光放电。磁芯饱和后，磁芯不能立即自主回复到未饱和状态，加入磁复位电路，帮助磁芯复位。

由图4所示，Ⅰ为高压放电电极的尖端，Ⅱ为接地电极。尖端电极与线电极的数量根据情况而定。

该装置产生低温等离子作用于纺织品和纺织品材料，如羊毛、兔毛、蚕丝，各种纤维等，提高染料的吸收率，以及染色的深度和浓度；提高纺织品及各种纤维的拒水性、拒油性、防缩性；利用将该装置发生的低温等离子用于纺织品加工处理，改善其表面特性，提高其抗静电性能提高其抗菌性能、去除异味，提高PVA降解效率，使之易于清洗，节水节能；利用将该设备中的处理电极为多线对面、多点对面电极。尖端电极与线电极的数量根据情况而定。

Claims

1.一种用于纺织品整理的新型低温等离子发生装置，其特征在于，包括供电电源、脉冲形成系统、充电器、控制器、放电电极，供电电源输出单相交流到充电器，充电器接收控制器的控制信号，充电器输出直流高压电到脉冲形成系统，控制器通过半导体驱动电路输出控制脉冲形成系统通断，脉冲形成系统形成高电压、大电流脉冲信号输出给放电电极。

2.根据权利要求1所述用于纺织品整理的新型低温等离子发生装置，其特征在于，所述供电电源的单相交流电可通过输电插座、太阳能蓄电经逆变和备用发电机发电所提供。

3.根据权利要求1所述用于纺织品整理的新型低温等离子发生装置，其特征在于，所述充电器选用高压直流电源。

4.根据权利要求1所述用于纺织品整理的新型低温等离子发生装置，其特征在于，所述脉冲形成系统由磁压缩电路构成，磁压缩电路包括半导体开关、三个陶瓷电容（C₀、C₁、C_p），磁开关和脉冲变压器，第一级充电电容（C₀）并联在充电器输出端，第一级充电电容（C₀）同时通过半导体开关并联在脉冲变压器初级，脉冲变压器次级并联在第二级充电电容（C₁）上，第二级充电电容（C₁）通过磁开关接尖峰电容（C_p），尖峰电容（C_p）两端输出接放电电极。

5.根据权利要求4所述用于纺织品整理的新型低温等离子发生装置，其特征在于，所述第一级充电电容（C₀）是第二级充电电容（C₁）的n²，n为脉冲变压器的变比。

6.一种低温等离子发生装置的控制方法，包括低温等离子发生装置，其特征在于，在使用太阳能蓄电经逆变的交流电系统中，控制器通过蓄电池监控系统监控蓄电池组，蓄电池组中储存的电压为24V的直流电，通过逆变器逆变为220V/50HZ的交流电输送到充电器再输送到脉冲形成系统，控制器直接设定充电器输出的充电电压幅值和充电频率，实时采集电压数据和温度数据，将采集到的数据与所设定的阀值进行对比，一旦采集的数据超过阀值，控制器输出信号控制报警信号和蓄电池的充/放电回路，切断或者开启充/放电回路；控制器通过控制半导体驱动电路开通或者关断，进而控制脉冲形成系统开启或者停止，当装置出现异常时，断开脉冲形成系统电路。