串联谐振模式下塑料薄膜高压电晕处理负载特性分析

1 引言

　　电晕处理技术是应用高压放电技术使放电极间的空气电离成电晕放电，聚合物等被处理对象经过放电空间接受放电时，其表面即产生极性基团，同时强烈的离子冲击使被处理表面粗化，从而增强油墨及胶水在被处理材料表面的渗透力和粘合力。电晕负载类似于臭氧发生器，属于介质阻挡放电。一般电晕处理装置都是利用串联谐振技术，逆变器经升压变压器输出5～8kV频率为20kHz左右高压方波，经负载与升压变压器漏感谐振到工艺要求的电压（10～20kV）。虽然薄膜电晕处理应用很广泛，但国内生产厂家很少，对于负载的等效电路及伏安特性研究较少，本文在此对其作实验和仿真分析。

　　2 电晕负载特性分析

　　2.1 电晕放电特性

　　电晕放电是一种介质阻挡放电，介质一般为耐热性能好的胶皮或陶瓷。图1是电晕处理装置介质阻挡放电示意图。

图1 介质阻挡放电示意图

　　介质只覆盖在单个电极上，厚度为Ld，放电气隙为Lg，当作用在电极上电压为Vs时，设介质密度是均匀的，而在介质和放电气隙间电场强度Ed和Eg是不同的。

Ed/Eg=εg/εd

　　于是 Vs="LdEd"＋LgEg

　　因此介质和气隙上的电场强度为

Ed=，Eg=

　　式中：εg、εd分别为放电气隙及介质的介电常数。

　　由于电极间介质层的存在，介质阻挡放电的工作电压一定要是交变的。根据交变电压的频率差异，放电的特性有所不同。通常可以分成低频介质阻挡放电和高频介质阻拦放电。前者的频率范围为50Hz到10kHz，后者的频率为100kHz以上。这两种介质阻拦放电的等效电路如图2所示。

(a)低频 (b)高频

图2 不同频率下的介质阻挡放电等效电路

　　图2中Cd是介质电容，Cg是气隙电容，R是放电的等效电阻，通常Cg《Cd，Vop是作用电压的峰值，V＊和Vop＊分别是低频和高频条件下回路中的积分电流为零时的电压值。

　　图3是气隙电压与外界作用电压的关系。在介质阻挡放电的电特性中，放电电压Vd是一个重要的电学参量，它的大小直接与放电的功率有关。可以定义一个平均放电电压Vd，它在放电作用周期内是一个常量。当放电间隙上的电压Vg小于Vd时，不发生放电现象。这时电路是由介质电容Cd和间隙电容Cg串联组成。当放电间隙电压Vg达到Vd时，就出现微放电，而且一直维持到外界电压达到最大值Vop为止。在存在微放电的整个时间过程内Vg≈Vd，放电电压Vd的数值在微放电出现时和截止后的电压值之间。该数值是一个平均值，主要决定于放电气体的成份，间隙中的粒子浓度以及间隙宽度等。

图3 外界作用电压Vs和放电间隙电压Vg的关系

　　3.2 电晕负载等效电路

　　电晕放电性质相当于一个非线性有损电容，用Cg、Rg模拟，表面包有电介质的滚筒用Cb模拟，等效电路如图4所示。对于图4(a)电路，在气隙被击穿前Cg、Cb串联；击穿后非线性气体放电与Cb串联。此电路只是粗略的等效，对于气体放电过程中的特性未能等效出。

(a) (b)

图4 几种电晕放电等效电路

　　图4(b)是另外一种等效电路，考虑了气隙的损耗，用Rg来近似等效气隙中的能量损耗，Rs是表示负载导线电阻及电容漏电阻。此电路虽然考虑了气体放电过程中的能量损耗，但对于放电过程中的恒压特性未表示出来。

　　串联谐振下的电晕处理利用升压变压器的寄生漏感与电晕负载串联谐振。图5给出了建立在实验波形分析基础上的负载等效电路。图中Lp是升压变压器的漏感，一般在几十mH，负载的等效电容值主要由Cg决定，Rg是气隙中的损耗，是一个阻值较大的可变电阻。为了达到良好的电晕处理效果，一般负载谐振频率约为20kHz。考虑到20kHz处于一个中高频段，所以用图2两种情况结合来建立等效模型。在变压器漏感不能满足谐振频率要求下，可在原边或副边串联电感来使负载匹配，此时Lp是总的电感量。Rg的大小是一个与温度有关的量，随着整个处理负载温度的升高，等效电阻减小，此时输出电流增大。

图5 电晕负载等效电路

　　气隙未击穿时，负载相当于两个串联的电容。逆变器的输出电压从零增大到额定电压过程中，电极从局部稀疏放电直至形成无数随机不规则的微细密集放电通道，等效电容由小到大非线性变化。气隙击穿放电后类似于准恒压源，同时损耗能量，此时增大逆变器输出电压，气隙上的电压变化已不明显。

　3.3 负载的伏安特性

设计了一台12kW的电晕处理高频高压发生器，实验中通过记录逆变器直流母线上的电压和电流（平均值）来分析负载伏安特性。所用的高压放电电极每根长1.6m，均由四个刀口组成，图6是从气隙击穿前到满功率输出直流母线上的不同电压下伏安特性曲线。电路工作在稍偏感性的谐振状态，电流滞后电压一个很小的角度。由于负载的