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应用于薄膜表面处理的电压源与电流源谐振变换器的对比研究

张弛  
【摘要】:在日常生活和工业领域中,薄膜材料往往需要先经过处理使得其表面张力达到一定标准。由于处理的重要性和普遍性,表面处理现已成为薄膜生产制作过程中的一个重要环节。常用的处理方法包括火焰处理、化学腐蚀以及电晕处理等。因为前两者会造成环境污染且效率低下,所以电晕处理逐步取代前者成为了主流手段。电晕放电是气体介质在不均匀的电场中局部自持放电的现象。由于局部电场强度超过气体的电离场强,使气体发生电离和激励,并在电极周围伴有可见光亮与咝咝声。电晕处理则是利用了这些被电离出来的低温等离子体,使塑料表面产生游离基反应而使聚合物发生交联,表面变粗糙并增加其对极性溶剂的润湿性,即增加了表面的附着能力。因此,电晕放电在科学研究和实际应用中都有极其重要的价值。 文章首先介绍了介质阻挡放电负载的物理结构和等效电路,并结合塑料薄膜表面处理应用场合的要求,概述了谐振变换器在该领域中的发展过程。将谐振变换器分为电压源型和电流源型并分别简要介绍了相关拓扑以及分析了各自的优劣势。最终确定了本文研究的电压源和电流源系统的拓扑结构和控制策略。 文章对LCC电压源型谐振变换器的工作原理做了详细的分析,包括换流过程以及工作模态。针对模态分析中存在的两种临界模式,提出利用时域分析法求解出谐振变换器各参数的时域表达式。基于表达式,设计了分别对应于两种临界态的26kHz/9kW和120kHz/1kW样机。针对传统理论计算不能满足磁集成变压器的高精度设计,文章提出了将有限元磁仿真软件与理论计算结合的设计理念,给出了应用于电压源系统的变压器设计实例。 文章还对CLCC电流源型谐振变换器的工作原理做了详细的分析,包括换流过程以及工作模态。利用时域分析法推导了两种完全锁相状态下各个参数间的关系式。基于各个参数的关系图表,文章对26kHz/9kW电流源系统样机功率调节中系统频率的变化范围和变压器进线电流进行了优化。 文章给出了三台样机的实验波形。对比了高低频下电压源系统处理薄膜材料的效果,给出了材料处理后的达因值。高频下电压源系统输出功率更多,处理效果更好。同时,还对比了电压源型和电流源型系统在相同工况下处理薄膜材料的效果,并给出了材料处理后的接触角。实验表明,电流源系统因具有较多的谐振元件,使其输出电压波形具有很强的可塑性,较传统电压源,更便于针对不同材料进行波形优化从而改善处理结果。


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