CN102497115B

CN102497115B - 一种常压低温等离子体电源装置

Info

Publication number: CN102497115B
Application number: CN201110408253.9A
Authority: CN
Inventors: 韦寿祺; 杨建湘; 王斌; 李震
Original assignee: Guilin University of Electronic Technology
Current assignee: Guilin University of Electronic Technology
Priority date: 2011-12-09
Filing date: 2011-12-09
Publication date: 2014-01-01
Anticipated expiration: 2031-12-09
Also published as: CN102497115A

Abstract

本发明公开一种常压低温等离子体电源装置，其采用工频交流输入（AC）→低压整流滤波(DC)→Buck变换器脉宽调制调压(DC)→H桥高频逆变（AC）→高频隔离变压器升压（AC）输出的技术路线；其中Buck变换器通过其输出电压的负反馈信号U去控制脉宽调制的占空比，进行自动稳压；H桥高频逆变步骤中的H桥逆变器通过其输入电流的负反馈信号I去控制本脉冲的电流峰值。本发明能够根据工艺要求灵活调节放电电场峰值、放电电流的峰值及放电频率，在常压下产生稳定、均匀和柔和的低温等离子体对织物表面进行处理，同时快速抑制细丝放电的形成，避免被处理织物意外穿孔和损伤。

Description

一种常压低温等离子体电源装置

技术领域

本发明涉及电源电路领域，具体涉及用于织物表面处理的一种常压低温等离子体电源装置。

背景技术

低温等离子体中，电子温度高达10⁴-10⁵K，而气体温度接近于常温，等离子体处于热的不平衡状态。在纺织行业中，应用低温等离子体技术对天然和化学纤维织物表面进行改性处理，即利用低温等离子体的高能活性粒子与纤维表面作用，使纤维织物表面发生刻蚀、交联、聚合和接枝聚合等化学作用改性及抗静电、阻燃、防皱、拒水拒油、卫生整理等物理作用改性。该处理工艺不用任何中间介质，激发了气体材料与纤维材料直接作用，改性过程简便迅速，对环保、节水、节能、耐久性均有较好效果等优点。

采用等离子体技术对纤维材料表面改性处理是一种复杂的工艺过程，被处理织物的表面改性一般由以下条件控制：(1)气体的种类；(2)等离子体发生方式；(3)放电条件；(4)装置的结构；(5)真空度、气体流速、停留时间。其中等离子体发生方式及放电条件由等离子体电源的控制方法决定，等离子体电源的控制方法应包括电压幅值、电流幅值和放电频率等三参量的控制。

低温等离子体对织物表面处理过程，要求产生稳定、均匀和柔和的低温等离子体。等离子体电源负载却呈非线性和时变性，放电形式极易受工况影响而过渡到细丝放电，导致被处理织物穿孔或损伤。因此要求等离子体电源的控制系统具备快速抑制细丝放电的功能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种常压低温等离子体电源装置，本发明能够根据工艺要求灵活调节放电电场峰值、放电电流的峰值及放电频率，在常压下产生稳定、均匀和柔和的低温等离子体对织物表面进行处理，同时快速抑制细丝放电的形成，避免被处理织物意外穿孔和损伤。

为解决上述问题，本发明是通过以下方案实现的：

一种常压低温等离子体电源装置，主要由整流滤波单元、Buck变换器、Buck变换器控制单元、H桥逆变器、霍尔电压互感器、霍尔电流互感器、H桥逆变器控制单元、高频升压变压器和计算机控制单元组成。市电输入整流滤波单元中整流桥的交流输入侧；整流滤波单元输出的平直的不可控直流电送入Buck变换器的输入端；Buck变换器输出的平直的可控直流电送入H桥逆变器的直流输入端；H桥逆变器交流输出端接至高频升压变压器的一次侧绕组；高频升压变压器的二次侧绕组接至常压低温等离子体织物表面处理装置的放电电极；霍尔电压互感器的输入端并接在Buck变换器的输出端，霍尔电压互感器的输出端接入Buck变换器控制单元；霍尔电流互感器的输入端串接在H桥逆变器的直流输入正端，霍尔电流互感器的输出端接入H桥逆变器控制单元；计算机控制单元分别连接Buck变换器控制单元和H桥逆变器控制单元。

上述电源装置还包括有一辅助电源单元，该辅助电源单元的输入端与市电相接，辅助电源单元的输出端与Buck变换器控制单元、H桥逆变器控制单元和计算机控制单元相接。

上述电源装置还包括一隔直电容，H桥逆变器交流输出端经过该隔直电容后接至高频升压变压器的一次侧绕组。

上述方案中，所述Buck变换器包括开关功率管、续流二极管、滤波电抗器和滤波电容器；开关功率管的集电极与整流滤波单元的输出正极相接，开关功率管的发射极、续流二极管的阴极和滤波电抗器的输入端接在一起，开关功率管的控制极与Buck变换器控制单元的输出端相接；滤波电抗器的输出端与滤波电容器的正极相接作为Buck变换器输出正端；续流二极管的阳极与滤波电容器的负极相接再接至整流滤波单元的输出负极并作为Buck变换器输出负端。

上述方案中，所述Buck变换器控制单元包括直流脉宽调制驱动电路和比例-积分调节器；Buck变换器控制单元接收计算机控制单元输出的电压给定信号，同时接收霍尔电压互感器输出的Buck变换器输出电压检测信号，此两信号经比较运算后得到偏差信号送入比例-积分调节器的输入端，偏差信号经比例-积分调节器的比例-积分运算后得到直流脉宽调制的占空比控制信号，直流脉宽调制的占空比控制信号送入直流脉宽调制驱动电路，产生直流脉宽调制驱动信号并经隔离放大后接至Buck变换器开关功率管控制极和发射极上；霍尔电压互感器输出电压采样信号送入Buck变换器控制单元后分两路，即还有一路送入计算机控制单元的输入端。

上述方案中，所述H桥逆变器包括对称的左桥臂电路和右桥臂电路，其中每个桥臂电路各包括两个开关功率管、两个续流二极管和一个缓冲电路；每个开关功率管与一个续流二极管反并联，上桥臂开关功率管与下桥臂开关功率管串联后与此桥臂的缓冲电路并联地接至Buck变换器的输出端；H桥逆变桥的输出端接至高频升压变压器的一次侧绕组。

上述方案中，所述H桥逆变器控制单元包括二分频逻辑电路、电压比较器、第一与门逻辑电路、第二与门逻辑电路和隔离放大电路；计算机控制单元输出的频率可调的时钟信号接入二分频逻辑电路的输入端；二分频逻辑电路输出两路相位相反的方波脉冲信号，其中正相信号经隔离放大电路后去驱动H桥逆变器的左上桥臂开关功率管，反相信号经隔离放大电路后去驱动H桥逆变器的右上桥臂开关功率管；计算机控制单元输出的峰值电流给定信号接入电压比较器的正输入端；霍尔电流互感器的输出信号接入H桥逆变器控制单元后分两路，一路接至电压比较器的负输入端，另一路输出到计算机控制单元的输入端；第一与门逻辑电路的两路输入端分别与二分频逻辑电路正相信号输出端和电压比较器的输出端连接，第一与门逻辑电路输出信号经隔离放大电路后去驱动H桥逆变器的右下桥臂开关功率管；第二与门逻辑电路的两路输入端分别与二分频逻辑电路反相信号输出端和电压比较器的输出端连接，第二与门逻辑电路输出信号经隔离放大电路后去驱动H桥逆变器的左下桥臂开关功率管。

与现有技术相比，本发明具有如下特点：

（1）采用等离子体放电峰值电场、放电峰值电流及放电频率三自由度参数协调控制技术，实现稳定、均匀和柔和的低温等离子体放电，满足不同织物表面处理工艺要求；

（2）H桥逆变器采用峰值电流控制模式，在本脉冲内实现最大电流的控制，具备快速抑制细丝放电能量功能，避免引起被处理织物穿孔和损伤，同时具备H桥逆变器开关功率管快速限流保护功能，提高控制系统可靠性；

（3）采用计算机控制技术，便于工艺参数的灵活调整、成熟工艺数据的存储及调用，更便于智能控制的升级。

附图说明

图1为本发明一种用于织物表面处理的常压低温等离子体电源装置实施例的结构示意图；图中标号为：1-整流滤波单元，2-Buck变换器，3-霍尔电压互感器，4-Buck变换器控制单元，5-霍尔电流互感器，6-H桥逆变器控制单元，7-H桥逆变器，8-隔直电容，9-高频升压变压器，10-放电电极，11-计算机控制单元，12-辅助电源单元。

图2为图1中Buck变换器2的结构示意图；图中标号为：21-开关功率管，22-续流二极管，23-滤波电抗器，24-滤波电容器。

图3为图1中Buck变换器控制单元4结构示意图，图中标号为：41-直流脉宽调制（PWM）驱动电路，42-比例-积分（PI）调节器。

图4为图1中H桥逆变器7的结构示意图，图中标号为：71-左上桥臂开关功率管，72-左下桥臂开关功率管，73-左上桥臂续流二极管，74-左下桥臂续流二极管，75-左桥臂缓冲电路，76-右桥臂电路。

图5为图1中H桥逆变器控制单元6的结构示意图，图中标号为：61-二分频逻辑电路，62-电压比较器，63-第一与门逻辑电路，64-第二与门逻辑电路，65-隔离放大电路。

图6为图5中各点工作信号波形图。

图7为图1中计算机控制单元12的结构方框图。

具体实施方式

参见图1，本发明一种用于织物表面处理的常压低温等离子体电源装置，主要由整流滤波单元1、Buck变换器2、霍尔电压互感器3、Buck变换器控制单元4、霍尔电流互感器5、H桥逆变器控制单元6、H桥逆变器7、隔直电容8、高频升压变压器9、计算机控制单元11和辅助电源单元12组成。由市电输入整流滤波单元1中整流桥的交流输入侧；整流滤波单元1输出的平直的不可控直流电送入Buck变换器2的输入端；Buck变换器2输出的平直的可控直流电送入H桥逆变器7的直流输入端；H桥逆变器7交流输出端经隔直电容8后接至高频升压变压器9的一次侧绕组；高频升压变压器9的二次侧绕组接至常压低温等离子体织物表面处理装置的放电电极10，被处理织物放置于两放电电极10间。霍尔电压互感器3的输入端并接在Buck变换器2的输出端，霍尔电压互感器3的输出端接入Buck变换器控制单元4，霍尔电压互感器3用于检测Buck变换器2输出电压的采样信号U，即U的大小正比于Buck变换器2输出电压值。霍尔电流互感器5的输入端串接在H桥逆变器7的直流输入正端，霍尔电流互感器5的输出端接入H桥逆变器控制单元6，霍尔电流互感器5用于检测H桥逆变器7输入电流的采样信号I，即I的大小正比于H桥逆变器7输入电流值。计算机控制单元11分别接至Buck变换器控制单元4和H桥逆变器控制单元6。辅助电源单元12的输入端与市电相接，市电经隔离降压，再经整流、滤波、稳压后提供给Buck变换器控制单元4、H桥逆变器控制单元6、计算机控制单元11的工作辅助电源。所述隔直电容8的作用是防止高频升压变压器9偏磁，保证高频升压变压器9高效工作。

所述Buck变换器2如图2所示包括：开关功率管21、续流二极管22、滤波电抗器23、滤波电容器24。开关功率管23的集电极C与整流滤波单元1的输出正极相接，开关功率管21的发射极E、续流二极管22的阴极和滤波电抗器23的输入端接在一起，开关功率管21的控制极与Buck变换器控制单元4的输出端相接；滤波电抗器23的输出端与滤波电容器24的正极相接作为Buck变换器2输出正端；续流二极管22的阳极与滤波电容器24的负极相接再接至整流滤波单元1的输出负极并作为Buck变换器2输出负端。

所述Buck变换器控制单元4如图3所示包括：直流脉宽调制（PWM）驱动电路41和比例-积分（PI）调节器42。Buck变换器控制单元4接收计算机控制单元11输出的电压给定信号U^*，同时接收霍尔电压互感器3输出的Buck变换器2输出电压采用信号U，此两信号经比较运算后得到偏差信号ΔU(ΔU=U^*-U)送入PI调节器42的输入端，偏差信号ΔU经PI调节器42的比例-积分运算后得到PWM的占空比控制信号U_c，PWM的占空比控制信号U_c送入PWM驱动电路41，产生PWM驱动信号并经隔离放大后接至Buck变换器2开关功率管21控制极G和发射极E上；霍尔电压互感器3输出电压采样信号U送入Buck变换器控制单元4后分两路，即还有一路送入计算机控制单元11的输入端。

所述H桥逆变器7如图4所示包括：对称的左桥臂电路和右桥臂电路76，其中每个桥臂电路各包括两个开关功率管、两个续流二极管和一个缓冲电路。每个开关功率管与一个续流二极管反并联，上桥臂开关功率管与下桥臂开关功率管串联后与此桥臂的缓冲电路并联地接至Buck变换器2的输出端；H桥逆变器7的输出端经隔直电容8接至高频升压变压器9的一次侧绕组。在峰值电流控制模式下，H桥逆变器7有四种循环工作状态：（1）左上桥臂开关管71与右下桥臂开关功率管同时导通而其它开关功率管截止时，高频升压变压器9输出正脉冲；（2）仅左上桥臂开关管71导通时，与右上桥臂续流二极管形成高频升压变压器9一次侧绕组正向续流回路，高频升压变压器9输出为0；（3）右上桥臂开关管与左下桥臂开关功率管72同时导通而其它开关功率管截止时，高频升压变压器9输出负脉冲；（4）仅右上桥臂开关管导通时，与左上桥臂续流二极管73形成高频升压变压器9一次侧绕组反向续流回路，高频升压变压器9输出为0。

所述H桥逆变器控制单元6如图5所示包括：二分频逻辑电路61、电压比较器62、第一与门逻辑电路63、第二与门逻辑电路64、隔离放大电路65。计算机控制单元11输出的频率可调的时钟信号CL接入二分频逻辑电路61的输入端；二分频逻辑电路61输出两路相位相反的方波脉冲信号g₁和g₂，其中正相信号g₁经隔离放大电路65后驱动H桥逆变器7的左上桥臂开关功率管71，反相信号g₂经隔离放大电路65后驱动H桥逆变器7的右上桥臂开关功率管；计算机控制单元11输出的峰值电流给定信号I^*接入电压比较器62的正输入端；霍尔电流互感器5的输出信号I接入H桥逆变器控制单元6后分两路，一路接至电压比较器62的负输入端，另一路输出到计算机控制单元11的输入端。当I≤I^*时，电压比较器62输出高电平，当I>I^*时，电压比较器62输出低电平；第一与门逻辑电路63的两路输入端分别与二分频逻辑电路61正相信号输出信号g₁和电压比较器62的输出端连接，第一与门逻辑电路63输出信号g₄经隔离放大电路65后驱动H桥逆变器7的右下桥臂开关功率管；第二与门逻辑电路64的两路输入端分别与二分频逻辑电路61反相信号输出信号g₂和电压比较器62的输出端连接，第二与门逻辑电路64输出信号g₃经隔离放大电路后驱动H桥逆变器7的左下桥臂开关功率管72。H桥逆变器7上桥臂开关功率管的驱动信号为方波信号，而下桥臂开关功率管的驱动信号为占空比小于50%的脉冲信号，在方波的半周期内，H桥逆变器7的工作电流上升I到峰值电流给定值I^*时，下桥臂开关功率管被封锁截止。H桥逆变器控制单元6各工作点波形如图6所示。

所述计算机控制单元11如图7所示包括：中央处理器及与中央处理器连接的存储模块、计算模块、模数转换输入模块、开关量输入模块、数模转换输出模块、开关量输出模块、脉冲输出模块和人机界面。霍尔电压互感器和霍尔电流互感器的输出信号接到计算机控制单元的输入端，经模数转换输入模块输入中央处理器，经过计算、判断等处理后，分别送入存储模块存储和人机界面显示；人机界面除显示功能外，最主要作用是工艺参数实时调试设定和成熟工艺参数的存储设定及对存储于存储模块中的工艺参数调用；被调用或被调试的工艺参数由中央处理器处理经数模转换输出模块和脉冲输出模块接到输出端，分别接至Buck变换器控制单元4和H桥逆变器控制单元6；开关量输入和输出模块用于起动、停止、故障、报警等信号及需与其它设备协调工作联系信号的输入与输出，本实例未标出开关量信号控制电路。

上述电源装置所实现的一种用于织物表面处理的常压低温等离子体电源的控制方法，其基本构思是：采用工频交流输入（AC）→低压整流滤波(DC)→Buck变换器脉宽调制调压(DC)→H桥高频逆变（AC）→高频隔离变压器升压（AC）输出的技术路线。其中Buck变换器2通过其输出电压的负反馈信号U去控制脉宽调制的占空比，进行自动稳压；H桥高频逆变步骤中的H桥逆变器6通过其输入电流的负反馈信号I去控制本脉冲的电流峰值。

本实施例用于织物表面处理的常压低温等离子体电源由市电供电，通过AC→DC→DC→AC电流变换后，经高频变压器升压输出。用于织物表面处理的常压低温等离子体电源的控制方法，包括：

（1）等离子体放电电场（高频升压变压器输出电压）峰值的控制：Buck变换器2通过Buck变换器控制单元4，以Buck变换器2输出电压由霍尔电压互感器检测到的取样信号U作为负反馈信号去控制脉宽调制输出波的占空比，实现DC→DC变换的稳定调节，为要实现DC→AC变换的H桥逆变器7提供可调的、稳定的、平直的直流输入电源，而Buck变换器2输出电源的电压值将决定了常压低温等离子体放电电场的峰值。所述用于控制Buck变换器2输出电压控制的信号还包括由计算机控制单元11提供的电压设定信号U^*，电压设定信号U^*和Buck变换器2输出电压负反馈信号U的偏差信号ΔU经PI调节器进行比例-积分（PI）运算输出信号U_C去调节Buck变换器2的开关功率管21的通断占空比，最终实现Buck变换器2输出电压的稳定调节。

（2）等离子体峰值电流的控制：H桥逆变器7输出经隔直电容8接高频升压变压器9的一次侧绕组，高频升压变压器9属于感性负载，H桥逆变器7工作电流波形近似于锯齿波。用霍尔电流互感器6检测H桥逆变器9输入电流的采样信号I，并将此电流采样信号I与由计算机控制单元11提供的峰值电流设定信号I^*比较，一旦输入电流的采样信号I大于峰值电流设定信号I^*立即封锁H桥逆变器7中下桥臂开关功率管的导通。这样本脉冲内就实现了峰值电流控制；同时本脉冲内峰值电流得到控制，即使发生细丝放电，放电能量也不足引起被处理织物穿孔和损伤；峰值电流控制控制模式同时作为H桥逆变器7的过流保护措施。

（3）等离子体放电频率的控制：通过改变计算机控制单元11提供的时钟信号CL的频率来改变H桥逆变器的逆变频率，从而实现改变等离子体放电频率。

本发明根据工艺要求灵活调节放电电场峰值、放电电流的峰值及放电频率，在常压下产生稳定、均匀和柔和的低温等离子体对织物表面进行处理，同时快速抑制细丝放电的形成，避免被处理织物意外穿孔和损伤，便于智能控制。

Claims

1.一种常压低温等离子体电源装置，包括电源装置本体，其特征在于：所述电源装置本体主要由整流滤波单元（1）、Buck变换器（2）、Buck变换器控制单元（4）、H桥逆变器（7）、霍尔电压互感器（3）、霍尔电流互感器（5）、H桥逆变器控制单元（6）、高频升压变压器（9）和计算机控制单元（11）组成；

市电输入整流滤波单元（1）中整流桥的交流输入侧；整流滤波单元（1）输出的平直的不可控直流电送入Buck变换器（2）的输入端；Buck变换器（2）输出的平直的可控直流电送入H桥逆变器（7）的直流输入端；H桥逆变器（7）交流输出端接至高频升压变压器（9）的一次侧绕组；高频升压变压器（9）的二次侧绕组接至常压低温等离子体织物表面处理装置的放电电极（10）；

霍尔电压互感器（3）的输入端并接在Buck变换器（2）的输出端，霍尔电压互感器（3）的输出端接入Buck变换器控制单元（4）；霍尔电流互感器（5）的输入端串接在H桥逆变器（7）的直流输入正端，霍尔电流互感器（5）的输出端接入H桥逆变器控制单元（6）；计算机控制单元（11）分别连接Buck变换器控制单元（4）和H桥逆变器控制单元（6）；

所述Buck变换器（2）包括开关功率管（21）、续流二极管（22）、滤波电抗器（23）、滤波电容器（24）；开关功率管（23）的集电极（C）与整流滤波单元（1）的输出正极相接，开关功率管（21）的发射极（E）、续流二极管（22）的阴极和滤波电抗器（23）的输入端接在一起，开关功率管（21）的控制极与Buck变换器控制单元（4）的输出端相接；滤波电抗器（23）的输出端与滤波电容器（24）的正极相接作为Buck变换器（2）输出正端；续流二极管（22）的阳极与滤波电容器（24）的负极相接再接至整流滤波单元（1）的输出负极并作为Buck变换器（2）输出负端；

所述Buck变换器控制单元（4）包括直流脉宽调制驱动电路（41）和比例-积分调节器（42）；Buck变换器控制单元（4）接收计算机控制单元（11）输出的电压给定信号（U^*），同时接收霍尔电压互感器（3）输出的Buck变换器（2）输出电压采样信号（U），此两信号经比较运算后得到偏差信号（ΔU）送入比例-积分调节器（42）的输入端，偏差信号（ΔU）经比例-积分调节器（42）的比例-积分运算后得到直流脉宽调制的占空比控制信号（U_c），直流脉宽调制的占空比控制信号（U_c）送入直流脉宽调制驱动电路（41），产生直流脉宽调制驱动信号并经隔离放大后接至Buck变换器（2）开关功率管（21）控制极（G）和发射极（E）上；霍尔电压互感器（3）输出电压采样信号（U）送入Buck变换器控制单元（4）后分两路，即还有一路送入计算机控制单元（11）的输入端；

所述H桥逆变器（7）包括对称的左桥臂电路和右桥臂电路，其中每个桥臂电路各包括两个开关功率管、两个续流二极管和一个缓冲电路；每个开关功率管与一个续流二极管反并联，上桥臂开关功率管与下桥臂开关功率管串联后与此桥臂的缓冲电路并联地接至Buck变换器（2）的输出端；H桥逆变器（7）的输出端接至高频升压变压器（9）的一次侧绕组；

所述H桥逆变器控制单元（6）包括二分频逻辑电路（61）、电压比较器（62）、第一与门逻辑电路（63）、第二与门逻辑电路（64）和隔离放大电路（65）；计算机控制单元（11）输出的频率可调的时钟信号接入二分频逻辑电路（61）的输入端；二分频逻辑电路（61）输出两路相位相反的方波脉冲信号，其中正相信号经隔离放大电路（65）后去驱动H桥逆变器（7）的左上桥臂开关功率管，反相信号经隔离放大电路（65）后去驱动H桥逆变器（7）的右上桥臂开关功率管；计算机控制单元（11）输出的峰值电流给定信号（I^*）接入电压比较器（62）的正输入端；霍尔电流互感器（5）的输出信号（I）接入H桥逆变器控制单元（6）后分两路，一路接至电压比较器（62）的负输入端，另一路输出到计算机控制单元（11）的输入端；第一与门逻辑电路（63）的两路输入端分别与二分频逻辑电路（61）正相信号输出端和电压比较器（62）的输出端连接，第一与门逻辑电路（63）输出信号经隔离放大电路（65）后去驱动H桥逆变器（7）的右下桥臂开关功率管；第二与门逻辑电路（64）的两路输入端分别与二分频逻辑电路（61）反相信号输出端和电压比较器（62）的输出端连接，第二与门逻辑电路（64）输出信号经隔离放大电路（65）后去驱动H桥逆变器（7）的左下桥臂开关功率管。

2.根据权利要求1所述的一种常压低温等离子体电源装置，其特征在于：所述电源装置本体还包括一辅助电源单元（12），该辅助电源单元（12）的输入端与市电相接，辅助电源单元（12）的输出端与Buck变换器控制单元（4）、H桥逆变器控制单元（6）和计算机控制单元（11）相接。

3.根据权利要求1所述的一种常压低温等离子体电源装置，其特征在于：所述电源装置本体还包括一隔直电容（8），H桥逆变器（7）交流输出端经过该隔直电容（8）后接至高频升压变压器（9）的一次侧绕组。