电晕表面处理装置的研究与设计.docx

1、电晕表面处理装置的研究与设计摘 要随着现代科学技术的不断发展和化学工业技术的逐渐成熟，塑料薄膜表面的电晕处理技术越来越广泛的应用于包装和印刷及其相关的工业领域。经过电晕处理后，薄膜表面的粗糙度和湿润度得到了较大提高，随之材料表面的附着粘合力也增强了，使塑料薄膜的粘附和油墨在薄膜表面的印刷得以更加可靠稳定。本文首先介绍了电晕技术及其相关内容的基本概念与介绍，影响电晕处理的各种因素和相应的分析，电晕处理塑料薄膜的原理与设备结构。其次，介绍了电晕处理装置的核心高压脉冲电源。本电源采用了可控整流和移向控制相结合的方案，实现输出脉冲电压与频率的连续可调和输出脉冲占空比的分档可调。采用感性移向PWM软开关

2、技术，降低开关损耗，实现输出电压的连续可调。再次，通过计算选取合适的电源中功率器件和开关管，以提高整体电源的效率和可靠性。本论文为电晕处理装置提供了两种不同的控制方式，移向和软开关技术使其具有体积小、效率高、可靠性强、操作简单等优点。现今社会发展程度不断提高，塑料的应用越来越广泛，电晕处理装置的使用量会逐渐增加，具有极大的市场应用价值。关键字：电晕处理；可控整流；变压器；脉宽调制Research and Design of Corona Surface Processor Abstract Along with the continuous development of modern scie

3、nce and technology and chemical industry technologies mature, the surface of the corona treatment of plastic film technology more widely used in packaging and printing and related industries. After corona treatment, the film surface roughness and moisture has been greatly enhanced, resulting in the

4、attachment surface also increased adhesion to plastic film adhesion and the surface of the printed ink film to be more reliable and stable. This paper firstly introduces the corona technology and its related content and introduce the basic concepts, the various factors affecting corona treatment and

5、 the corresponding analysis of the principle of corona treatment of plastic film and the equipment structure. Then, the corona treatment device core - High Voltage Power Supply. The use of a controlled rectifier and the power shift control program combined to achieve the output pulse voltage and fre

6、quency output pulse duty cycle continuously adjustable and adjustable sub-file. With perceptual shift PWM soft-switching technology to reduce switching losses, to achieve the output voltage continuously adjustable. Again, by calculating the power in selecting the appropriate power devices and switch

7、 to enhance the overall power supply efficiency and reliability. This paper provides for the corona treatment plant two different control methods, and soft switch technology move them with small size, high efficiency, reliability, simple operation. The development of modern society are continuously

8、improving and more and more extensive application of plastics, the use of corona treatment equipment will gradually increase, with great market value.Keywords: Corona ; Controlled rectification; Transformer; PWMAbstract II引 言 11 电晕概念简介 21.1电晕等离子体概念 31.2电晕处理技术 31.2.1电晕处理的原理 31.2.2电晕处理的工艺路线形式 41.2.3 电

9、晕处理的影响因素 41.2.4电晕处理后的时效影响 51.3电晕处理设备装置结构 51.4电晕表面处理机电源的控制技术 61.4.1脉冲幅值调制 71.4.2脉冲频率调制 71.4.3脉冲密度调制 81.4.4移相脉宽调制 92.电晕表面处理机的研究设计 102.1主电路结构 102.1.1电源整体结构设计 102.1.2主电路结构 122.1.3全桥逆变拓扑的设计 132.2三相可控整流滤波电路的设计 132.3移相PWM控制方案分析 162.3.1负载分析 162.3.2 移相PWM控制方案分析 172.3.3三种移相PWM控制方式小结 212.3.4感性移相PWM控制方法各参数之间的关系

10、分析 212.4电晕处理机移相式PWM软开关高压逆变电源的控制电路 232.4.1移控制芯片UC3875为核心的PWM控制7 232.4.2 UC3875外围电路的设计 242.5驱动及逆变电路 272.6电源的输出反馈及保护 302.6.1输出反馈环节 302.6.2保护电路 322.7 直流稳压电源的设计 343电晕表面处理机电源主要器件的选择 353.1可控硅的选择 353.2滤波电路器件参数的设计 373.3电源功率管的选取 37结 论 40参 考 文 献 41引 言 1857年，Siemens研制出了臭氧发生管，成为当时量应用的放电臭氧发生器的原型，等离子体技术在材料改性方面的应用始

11、于20世纪60年代。20世纪后期，欧美大功率电源技术日渐成熟，并且电晕放电在臭氧合成、准分子光源、激光发生器、环境保护以及材料表面改性和表面处理等方面都获得了广泛研究和应用。所以电晕表面处理机作为产品被广泛应用于广告、建材、包装等各个领域。随着我国社会的飞速发展，塑料的用途越来越广，对其要求也越来越高。近几年，电晕处理机作为薄膜印刷、复合等表面处理的有效工具，被快速引进国内。由于电晕处理的效率高、效果好，电晕表面处理机的需求量很高。国内的企业看好其发展前景，开始进行相关的效仿与研制。市场上出现了很多品牌和大量的系列产品。电晕表面处理机的核心部分就是电源。目前无论国内还是国外的产品，由于受电源技

12、术的限制，使其工作的电压、频率相对较低，功率不大。而且电晕放电对材料表面处理的研究多在实验室中展开，所处理的样品较小，对放电电源的功率、效率、抗干扰等性能指标要求不高。而实际的工业生产中需要大面积稳定的放电，因此对放电电源的功率、效率和可靠性要求很高。例如工业中的塑料薄膜表面处理系统，高频高压放电电源作为整个塑料薄膜流延机流水线的一部分，工作环境恶劣，各种干扰较为严重，并且等离子体放电本身也是很强的电磁干扰源，因此它不仅要求放电电源具有较大的功率，而且要求它具有较强的抗干扰性能。为了实现大气压下的大面积稳定放电，高频高压放电电源的输出电压幅值要达到10-20kV;频率要达到10-30kHz;功

13、率要达到1-50kW.为了实现它对材料粘合性的调整和对不同材料，不同厚度的适应能力，放电功率要大范围可调。现在，国际国内对于可实际应用于工业现场的大功率高频高压电晕放电电源的研制还较少，电源技术的相对落后，要求被处理的对象宽度不能太宽，处理速度不能太快。本文设计的电晕表面处理机的相关参数:输入:交流380V15%;频率50Hz;输出脉冲电压:5-30kV连续可调;输出频率:15-25kHz连续可调;输出占空比:0.15, 0.25, 0.35,0.45分档可调;本电晕处理机将采用了两种不同的控制方式，加入移相、软开关等控制技术，实现在不改变脉冲特性的条件下改变输出功率和在不改变输出电压幅值的条

14、件下改变输出功率。通过计算和实际电路设计的经验，准确合理的选择开关管，以及其他电路元器件的选取。1 电晕概念简介电晕处理机广泛应用于塑料包装行业，电晕处理技术及测试是提高塑料包装产品质量的重要的一环。塑料最为主要的用途之一就是塑料薄膜，约占塑料用量的35%。塑料薄膜作为一种承印材料，它经印刷后作为包装，具有轻盈透明、防潮抗氧、气密性好、有韧性耐折、表面光滑、能保护商品，而且能再现商品的造型、色彩等优点。因此，各种塑料薄膜已经成为现代包装工艺的主流材料。且随着石化工业的发展，塑料薄膜的品种越来越多，常用的塑料薄膜有聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酷薄膜、聚丙烯、尼龙等。由于大多数的塑料薄膜属于非极

15、性的高分子材料，它们对油墨的亲和性比较差，且在成形过程中加入的增塑剂、引发剂及残留单体和降解物等低分子物质，这些低分子物质很容易析出并汇集于材料表面，形成无定形层，使塑料薄膜表面的润湿性能变差。所以在使用前需要经过一定的处理。目前对于塑料的处理大多是通过氧化使之极性增加，表面结构发生变化。具体的处理方法有电晕法、火焰法、紫外线辐射法、酸处理法等几种。电晕处理是一种电击处理，它会促使塑料承印物表面具有更高的附着力。电晕处理是利用高频高压在被处理的塑料表面进行电晕放电，产生的低温等离子体在塑料表面发生游离基反应，使聚合物交联，令塑料表面变粗糙从而增加其对极性溶剂的润湿度。这些离子借由电击和渗透进入

16、塑料承印物表面，破坏其分子结构，将被处理的表面分子氧化并极化侵蚀表面以达到增加附着力的目的。电晕处理法有以下优点:(1)处理材料范围广泛，可用于聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚酞胺、聚醋、聚碳酸酷、氟塑料，以及各种相应的共聚物等；(2)处理时间短、速度快，可在生产线上进行处理；(3)操作简单方便；(4)电晕处理涉及塑料表层极浅的范围，一般只有纳米数量级，基本上不影响制品的机械性能；(5)无废液排放，不污染环境。1.1电晕等离子体概念等离子体表现出与其他物质状态不同特异性能的气体,被称为物质的第四态。等离子体(plasma)的概念最早由Langmuir在1927年提出，在自然界中的闪电、南北极的极光

17、、太阳及所有的恒星、星云都是以等离子体的状态存在。我们在日常生活中见到的日光灯、霓虹灯在点燃时其中的气体也是等离子体。等离子体的明确定义是:等离子体由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种中性气体。等离子体是一种全部或部分电离的气体物质，含有原子、分子、粒子的亚稳态和激发态，并且其中电子、负离子与正离子的含量大致相等，故名等离子体。等离子体又被称为物质的第四态。它所具有独特的物理、化学性质有:温度高，粒子动能大;具有类似金属的导电性能;化学性质活泼，容易发生反应:具有发光特性等，因此等离子体具有广泛的应用范围。等离子体主要包括热平衡等离子体和非平衡等离子体(低温等离子体) 1

18、,2。电晕是产生低温等离子体的重要方法之一,电晕等离子体的本质是由电子、激发态分子、激发态原子、自由基、电荷数相等的正负离子以及各种能量的光量子组成的复杂体系。在高压电极与接地电极之间通过电晕放电电离空气产生混合等离子体,在电场作用下加速打击到电极之间的高分子材料表面,从而引起材料表面的物理和化学性能改变,采用封闭式的电晕装置,抽真空后通入不同种类的气体,就可得到不同的等离子体。1.2电晕处理技术1.2.1电晕处理的原理原理是在处理装置上施加高频高压电，使其电晕放电，产生细小密集的紫蓝色火花。空气电离后产生的各种等离子在强电场的作用下，加速而冲击处理装置内的塑料制品，这些等离子粒子的能量一般在

19、几至几十电子伏特，与塑料分子的化学键能相接近，因此，能诱发塑料表面分子的化学键断裂而降解，增大表面粗糙度。在电晕放电时，还会产生大量的臭氧。并且臭氧是一种强氧化剂，使塑料表层分子氧化，产生拨基化合物、过氧化合物等。另外，电晕处理还有除去油污、水汽和尘垢等作用，经过上述物理和化学改性后，能明显改善塑料表面的润湿性和附着性。1.2.2电晕处理的工艺路线形式电晕处理的工艺路线大体上有三种形式:第一种形式是在薄膜的生产线上进行，即通常所说的热膜处理，这是最常见的一种处理形式。由于在高聚物分子还没有完成结晶的情况下就进行处理，因此，处理效果强，但一般只适用于当即进行再加工(如印刷、涂布或复合)的薄膜处理

20、。处理装置设置在薄膜冷却定型段后面，卷取装置之前。第二种形式是在薄膜的再加工线上进行，即通常所说的冷膜处理，这种形式的处理质量还与薄膜的经历有关。若薄膜生产后存放时间长，析出的添加剂大量附在薄膜表面，处理质量就会变差。选用这种形式还应注意电火花是否会对所使用的溶剂产生着火的可能。第三种形式是上述两种形式的组合，即先在薄膜的生产线上进行处理，然后在薄膜的再加工线上进行第二次处理，适用于第一次处理质量差或第一次处理后存放时间己长、处理效果已消退许多的薄膜。1.2.3 电晕处理的影响因素薄膜经电晕处理后，其表层分子链上会产生极性基团，表面粗糙度和表面张力提高，与水的接触角变小，改善了油墨的附着性和复

21、合的粘接性。薄膜表面处理效果的好坏，也是由多种因素决定的，影响电晕机处理效果的因素有：(1)处理电压:施加于处理装置上的电压升高，处理效果增强，但不是成比例关系，当处理电压升高到一定值后，基本上不再变化。处理电压主要根据制品的厚度来确定，制品越厚，处理电压越高。通常用于薄膜的处理电压控制在10kV-25kV。输入电晕处理机的交流电源必须稳定。如果不够稳定，会使输出的高频电压波动，从而造成薄膜处理效果时好时差。(2)处理频率:电晕处理机的工作频率一般在10kHz-40kHz左右，其它条件相同情况下，处理频率越高，处理功率就会越大。(3)电极间隙:电极间隙是指两电极闻的空间距离，即放电头到地电极边

22、缘的空间距离。它对处理程度有两方面的影响:一方面间隙增大，电晕处理范围变宽，薄膜在电晕处理相对停留时间变长，有利于改善处理效果;但另一方面使能量分散到更大的空间，处理强度下降，处理效果变差。两方面作用的结果，只有在适当的电极间隙下，处理强度才会最大。通常电极间隙控制在1 mm-4mm为宜。另外，将单头电极改为多头电极，在同样的处理条件下，也可提高处理程度。电极间隙必须均匀一致，否则会因处理程度不同而出现薄膜临界表面张力一边大、一边小的情况。电极的刀口应平直，不应有缺口，否则会在缺口处的处理强度不均，薄膜上出现临界表面张力低的纵向线条。使用一段时间后，电极的刀口上会产生一层氧化物，影响处理质量。

23、(4)处理功率:处理功率是决定处理程度的主要因素，被处理薄膜为了达到印刷等工序所需的临界表面张力值，必须施加一定的处理功率。由于处理速度、薄膜种类、宽度的不同，施加的处理功率也不一样。在其它条件相同情况下，如果处理速度增加一倍，处理功率也应该相应的增加一倍。薄膜处理功率如下表：表1.1 薄膜处理功率（单位：W）薄膜名称LDPEHDPEPPIOPVCPETPPA6印刷用1502002001500500涂布、复合300400400300150150220(5)温度与湿度：于流水线生产时放电是在空气中进行的，所以温度和空气湿度也是影响电晕处理程度的一个参数，温度升高，处理程度增大;湿度增大，处理效果

24、变差，湿度减小，处理效果好。(6)被处理的薄膜种类:在处理条件相同情况下，不同的薄膜(例如聚乙烯膜、聚丙烯膜等等)的密度不同，处理的效果就不同。密度增加，处理效果变差，但密度增加到一定值后，对处理效果基本无影响。1.2.4电晕处理后的时效影响薄膜的处理程度会随存放时间延长呈指数规律消退，消退速度快慢与存放环境温度、原料牌号、薄膜厚度等多种因素有关。存放环境温度越高，消退速度越快，并且越彻底。例如:在20以下的环境温度中存放，聚乙烯薄膜的临界表面张力在38mN/m -42mN/m，一般能保持1个月，甚至半年，如果环境温度提高到36以上，不管原薄膜处理程度有多深，1个月后，一般将退到38mN/m以

25、下。含有添加剂的原料制成的薄膜的消退速度比无添加剂的要快，这是由于这些低分子量物质极容易析出，覆盖在薄膜的表面，使粘附性变差。1.3电晕处理设备装置结构电晕处理设备通常包括电晕电源、放电电极架、电晕处理辊、压辊、排臭氧抽风机等。待处理薄膜经过压辊紧贴在电晕处理辊表面，如果薄膜与处理辊表面紧贴程度不好且两者之间存在间隙，那么在薄膜紧贴处理辊面也会有相应的电晕处理效果，在某些只需单面处理的场合是不允许的，在实际应用中需要特别的注意。电晕处理辊作为接地电极，外面一圈橡胶作为介质材料包裹整个接地电极，如下图1.2所示。长条型的放电电极一般有单刀型、多刀型、圆棒型等多种，为了增大薄膜处理面积和处理功率通

26、常采用多刀型电极。电极的刀口应该平直，不应该有缺口，否则在缺口处的放电强度不均匀，会出现临界表面张力低的纵向线条。图1.2 电晕处理装置示意图在电晕处理过程中会产生大量的臭氧和氮氧化物等有害气体，高浓度长期接触会引起头疼、恶心、哮喘等症状，因此一般在使用过程中都需要安装排臭氧抽风机，将臭氧和氮氧化物等有害气体及时地抽排出去。电晕处理辊由电机带动转动，既有利于处理后塑薄膜进行收卷或直接印刷等流水线操作，又有利于处理辊的散热，尤其在大功率的应用场合，还可以采用水冷等措施来降低电晕处理辊的表面温度，防止因温度过高而影响薄膜表面处理的效果。过高的温度还会加速绝缘介质的老化，导致电晕处理辊使用寿命的降低

27、，绝缘介质的老化也会使得绝缘介质的介电系数d发生变化，电晕处理机的处理频率也会随之发生变化，因此在实际过程中一般应对处理辊的温度适时地加以观察。1.4电晕表面处理机电源的控制技术薄膜表面处理电源由整流、逆变、升压变压器和控制电路等部分组成。逆变器的输出电压先通过升压变压器升压，后由升压变压器副边漏感和负载发生串联谐振使得负载侧的电压进一步升高，进而放电气隙中的空气电离后发生放电。电晕电源实现不同调功方式所采用的逆变控制电路有所不同。1.4.1脉冲幅值调制脉冲幅值调制(PAM)就是通过调节逆变器直流母线电压的大小来调节负载的输出功率。在这种功率调节方式下，通过采取锁相等措施可实现逆变器输出电压和

28、输出电流保持固定的相位关系，能够比较容易地实现器件的软开关。逆变器直流母线电压的调节一般可以采用以下两种办法:可控整流方式。比如采用晶闸管整流电路，通过调节晶闸管的触发角来调节整流的输出电压，从而达到调节直流母线电压的效果;斩波调压方式。采用不控整流方式得到的电压通过调节斩波器的占空比来控制其输出电压大小。调压调功方式逆变器的系统框图如下图1.3所示。系统中采用比较成熟的可控整流电路，通过调节整流电路的输出电压来实现电晕机功率的调节。逆变电路采用半桥拓扑，逆变输出频率可以跟踪负载的谐振频率的变化，从而可以提高负载侧的功率因素，容易实现开关器件的软开关。图1.3 调压逆变器控制框图PAM的优点在

29、于其输出功率调节范围宽，逆变器可以始终工作于准谐振状态，开关器件的软开关实现容易，适用于大功率的应用场合。缺点在于若采用相控整流方式，触发电路比较复杂，进线电流谐波较大，动态响应慢，在深控下网侧功率因素低，但其功率容量很大，技术成熟可靠，比较适合于大功率的应用场合;若采用斩波调压方式，电压动态响应快，但由于加入直流调节环节，电源的效率和可靠性也会降低，在大功率应用场合还需要解决很多问题，所以一般在大功率应用场合还是需要考虑采用相控整流方案。1.4.2脉冲频率调制 对于串联型逆变器，在负载等效参数R, L和C一定的情况下，负载阻抗随逆变器频率变化而变化，通过改变逆变器工作频率来改变负载阻抗，也就

30、相应的改变了负载电流，达到调节输出功率的目的。逆变器工作频率等于负载谐振频率时负载阻抗最小，逆变器输出功率最大。当逆变器工作频率大于负载谐振频率时，负载阻抗呈感性;当逆变器工作频率小于负载谐振频率时，负载阻抗呈容性。脉冲频率调制(PFM)调功方式逆变器电路工作频率20-50kHz可调，利用升压变压器的漏感与电晕装置的负载电容发生谐振，工作频率越高越偏感性，负载侧得到的有功分量越小。20kHz时接近于谐振频率，输出达到满功率，50kHz时输出最小功率。当检测输出电压过高时，通过反馈控制，升高逆变器功率频率，使得输出电压降低。主回路利用变压器辅助绕组检测输出峰值电压构成闭环控制，其它两个闭环包括相

31、位检测和电流检测。主要是当相位或电流检测值超过给定值时，通过减小输出电压给定来提高输出频率，从而减小输出功率。相位闭环可以避免逆变器工作于低于谐振频率的容性状态，能够通过调节相位自动地使系统工作在最大输出功率点。电流闭环可以起过电流保护的作用。PFM优点在于控制电路比较简单，可以采用不可控整流方式。缺点在于在负载Q值不高的情况下，调功过程中逆变器的工作频率变化范围比较大，导致电路参数设计比较困难。1.4.3脉冲密度调制脉冲密度调制(PDM)的基本原理是通过控制逆变器输出的脉冲密度，从而控制逆变器向负载馈送能量的时间比来控制输出功率3。假设在某时间段内总共有M个功率输出周期，其中N (NM)个周

32、期逆变器是以一定的开关频率输出功率，另外M-N个周期负载以自然频率衰减振荡，则输出脉冲密度为N/M，调节输出功率周期N的个数就可以调节逆变器的输出功率。脉冲密度调功方式逆变器的控制电路框图如下图1.5所示，斌是给定平均输出电压，控制零电平的宽度，V0是实际平均输出电压，M是实际零电平状态，M*是零电平状态参考，选择PDM逆变器工作于何种模式，输出方波电压模式或者输出零电压模式。同步电路保证M至少要保持一个谐振周期不变，满足与逻辑电路的要求。当M=1时，逆变器输出方波电压；M=0时，逆变器输出电压为0。峰值电流检测电流控制模拟开关状态，当逆变器输出电流比较小时，模拟开关断开，锁相环电路不工作;当逆变器输出电流较大时，模拟开关闭合，锁相环电路投入工作，锁定输出电压和输出电流之间的相位。图1.4脉冲密度逆变器控制框图PDM的优点在于输出频率基本不变，开关损耗相对较小，易于