等離子體灶的設(shè)計(jì)與性能研究

呂玉明，于江濤，李占賢

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，河北 唐山 063210)

0 引言

等離子體是固體、液體、氣體之外的物質(zhì)第4態(tài)，具有十分獨(dú)特的物理、化學(xué)特性。按照等離子體的宏觀溫度來(lái)劃分，可以將等離子體分為：高溫等離子體和低溫等離子體[1]。低溫等離子體作為近年來(lái)的新興研究領(lǐng)域，具有氣溫低、化學(xué)活性高、無(wú)需真空設(shè)備以及操作簡(jiǎn)單等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用前景非常廣闊，目前已經(jīng)應(yīng)用于殺菌消毒、物料表面有機(jī)雜質(zhì)處理[2-4]、冶煉、等離子體噴涂、等離子體焊接、流動(dòng)控制、點(diǎn)火助燃等。

長(zhǎng)久以來(lái)，讓電能變成可重復(fù)利用的替代能源一直是人們的美好愿望。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外的一些高校和研究組相繼運(yùn)用直流和交流多種驅(qū)動(dòng)方式，配合各種結(jié)構(gòu)的等離子體發(fā)生器來(lái)進(jìn)行大氣壓下低溫等離子體射流和等離子體灶的研究工作[5-7]，一些專家在關(guān)于等離子體高效節(jié)能燃?xì)庠罘矫嬉踩〉昧讼嚓P(guān)專利[8]。但由于技術(shù)難度較高、設(shè)備復(fù)雜和操作繁瑣等約束條件，都未得到推廣和實(shí)際性突破。

為了解決以上技術(shù)設(shè)備的缺點(diǎn)和不足，本文以低溫等離子體為基礎(chǔ)，根據(jù)高壓脈沖電弧等離子體特性，設(shè)計(jì)了一種由低電壓輸入的脈沖調(diào)制電路驅(qū)動(dòng)等離子體灶發(fā)生器的放電裝置，為工業(yè)生產(chǎn)和家庭應(yīng)用提供一種耗能低、功率大、效率高、操作簡(jiǎn)單、綠色環(huán)保、節(jié)能減排的新型燃?xì)庠?。通過(guò)對(duì)輸入電壓和電流與等離子體束大小的關(guān)系進(jìn)行研究，最終獲得理想長(zhǎng)度和功能的等離子體束，且具有多種類似火焰的特性，更加論證了該等離子體灶可代替?zhèn)鹘y(tǒng)燃?xì)庠詈碗姛徨伋蔀橐环N新型燃?xì)庠畹目尚行浴?/p>

1 等離子體灶

1.1 等離子體灶電源

本實(shí)驗(yàn)電源是以零電壓開(kāi)關(guān)(Zero Voltage Switch，ZVS)為基本電路,利用開(kāi)關(guān)電源將市電AC 220 V轉(zhuǎn)換成DC 24 V，提供給ZVS。其核心的控制思想是通過(guò)控制電路產(chǎn)生具備相應(yīng)條件的脈沖高壓，經(jīng)由變壓器輸出端的高壓極和接地極通過(guò)發(fā)生器激發(fā)引弧放電。等離子體灶的驅(qū)動(dòng)電路如圖1所示。

圖1 等離子體灶的電路原理圖

當(dāng)電源電壓作用在Vcc時(shí)，電壓由電阻R1和R2調(diào)節(jié)，在二極管D1和D2的箝位作用下，使兩個(gè)MOS管滿足了開(kāi)通條件。由于器件參數(shù)的離散性，會(huì)有一個(gè)MOS管先開(kāi)通。圖1中的電容C1與變壓器T的初級(jí)電感發(fā)生LC諧振。對(duì)于任一個(gè)MOS管，均滿足“源同柵反”的振蕩條件，電壓按照正弦規(guī)律變化。在LC回路諧振的作用下，兩個(gè)MOS管的柵極、漏極電壓交替變化，實(shí)現(xiàn)狀態(tài)的翻轉(zhuǎn)，并且不斷重復(fù)這個(gè)過(guò)程。扼流線圈L具有限流作用，可以限制峰值電流瞬間增大，以此來(lái)保護(hù)整個(gè)電路。

1.2 電路仿真分析

在研發(fā)過(guò)程中，往往需要驗(yàn)證方案的可行性，仿真輔助設(shè)計(jì)是提高電路設(shè)計(jì)成功率的重要方法。首先對(duì)該電路進(jìn)行protues電路模擬仿真，仿真電路圖如圖2所示。仿真分析中均采用與實(shí)驗(yàn)同型號(hào)的元器件，VCC=15 V,并放置TR1(S1)、C2(1)、Q1(D)、L1(2)電流探頭與TR1(S2)、Q1(Z)、Q1(G)、Q2(Z)、Q2(G)電壓探頭。

可以看出，通過(guò)一個(gè)諧振開(kāi)關(guān)發(fā)生電路便將直流電轉(zhuǎn)換為交流電。該升壓電路生成高頻高壓正弦波來(lái)保證等離子體發(fā)生器正常工作，其中高電壓通過(guò)較大的變壓器變比以及合適的匹配電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。以往的電弧等離子體源將直流電轉(zhuǎn)換成交流電需要很大的能源，而且隨著功率的增大所需要的能源將會(huì)成倍增加。但該等離子體灶巧妙地運(yùn)用了以上發(fā)生電路，大大減少能源耗費(fèi)，并提高了整體效率。

圖2 仿真電路圖

該電路的振蕩頻率由電容和電感決定，其計(jì)算公式為:

(1)

其中：L為回路的總電感；C為圖2中的諧振電容C2。

本設(shè)計(jì)的ZVS電路工作中心頻率在40 kHz左右，確保等離子灶可以在射頻下穩(wěn)定可靠地工作，減小了電路的發(fā)熱損耗。

1.3 等離子體灶發(fā)生器

電弧等離子體發(fā)生器是指能產(chǎn)生和穩(wěn)定維持一定溫度的等離子體裝置，等離子體灶發(fā)生器模型如圖3所示。8個(gè)ZVS的接地極連接集中于中間，稱為共地極，8個(gè)高壓極陣列于陰極四周。電極固定板采用有機(jī)玻璃加工而成，具有一定的絕緣性能，放電電極均采用尖端放電形式。

圖3 等離子體灶發(fā)生器

選擇恰當(dāng)?shù)牟牧戏謩e作為陰極和發(fā)射極可以有效地提升等離子體灶發(fā)生器的壽命和放電性能。純銅的致密性高，可塑性強(qiáng)，質(zhì)地柔軟，熱傳導(dǎo)率高，其電阻率比較低。石墨是一種非金屬材料，熔點(diǎn)極高，也具有良好的導(dǎo)電性能，屬于高熱傳導(dǎo)率材料[9]，兩種材料的物理特性見(jiàn)表1。由表1中可以看出，石墨沒(méi)有熔點(diǎn)，是一種優(yōu)良的耐高溫材料，氣化溫度高達(dá)3 650 ℃以上，在放電過(guò)程中，高熱使其損耗非常小，而且石墨具有一個(gè)優(yōu)良的物理特征，損耗隨著峰值電流的上升而下降，且耐電蝕強(qiáng)度好[9],更適宜用于制備共地極。銅的損耗是隨著峰值電流的增加而增加，其承受高峰值電流的能力較差，但銅的導(dǎo)熱性能更好，所以更適宜作為高壓極。此外，相對(duì)于石墨，在低電流域銅電極機(jī)械結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因此本文決定采用銅為高壓極材料，石墨為共地極材料。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

接通電源，開(kāi)關(guān)電源的電壓調(diào)節(jié)旋鈕從零開(kāi)始調(diào)節(jié)，當(dāng)電壓增加到15 V左右時(shí)便可以實(shí)現(xiàn)引弧放電，不斷增加電壓電流，功率隨之增加，反應(yīng)更加劇烈，等離子體束越大，放電效果越明顯。當(dāng)達(dá)到該電路的額定輸入電壓30 V時(shí)，不再增加電壓。分別取不同電壓、電流做放電數(shù)據(jù)采集。圖4為5組不同輸入直流電壓情況下捕捉到的放電效果，并得到等離子體束與電壓和電流之間的關(guān)系，見(jiàn)表2。

表1 銅與石墨物理性能對(duì)比

電壓(V)1518202430電流(A)2030405060等離子體束長(zhǎng)度(mm)3070120160220

實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：等離子體束的長(zhǎng)度會(huì)隨著發(fā)生器外加電壓峰值的增大而變長(zhǎng)。這是由于隨著電壓的升高，放電脈沖的數(shù)量與強(qiáng)度也會(huì)增加，導(dǎo)致等離子體束變長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，輸入功率最大可達(dá)到1 800 W，同時(shí)可以獲得220 mm理想長(zhǎng)度和功能的等離子體束，且具備同火炬一樣的燃燒與加熱功能。

實(shí)驗(yàn)中最大的問(wèn)題就是伴隨放電產(chǎn)生的噪聲，放電噪聲是由于放電不穩(wěn)定所造成的，電弧的脈動(dòng)推動(dòng)了空氣的振動(dòng)，從而導(dǎo)致噪聲的產(chǎn)生。該電路的驅(qū)動(dòng)頻率在30 kHz～50 kHz之間，電源的驅(qū)動(dòng)頻率可能會(huì)對(duì)放電的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。

3 結(jié)論

本文首先模擬仿真分析該等離子體灶放電電路的可行性原理，通過(guò)設(shè)計(jì)的等離子體灶發(fā)生器來(lái)引弧放電。根據(jù)捕捉的5組不同直流輸入電壓放電效果圖，分析可知輸入直流電壓不斷增大，放電越劇烈，等離子體束尺寸越大，并最終得到220 mm理想長(zhǎng)度和功能的等離子體束。

伴隨放電過(guò)程中，有放電噪聲產(chǎn)生。電源的驅(qū)動(dòng)頻率可能會(huì)對(duì)放電的穩(wěn)定性產(chǎn)生影響，但電源頻率與電弧脈動(dòng)的頻率一般并不相同，也就是說(shuō)，將電源驅(qū)動(dòng)頻率調(diào)高到人耳聽(tīng)覺(jué)的范圍(30 Hz～16 kHz)之外，并不等于噪聲也會(huì)到這個(gè)范圍，所以要通過(guò)進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)去調(diào)整電源驅(qū)動(dòng)頻率以及發(fā)生器的結(jié)構(gòu)。

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