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材料表面处理高频高压低温等离子体放电电源技术的研究

刘勇  
【摘要】:大气压下的等离子体可以分为热平衡等离子体和非热平衡等离子体,非热平衡等离子又称低温等离子体,它的特点是电子温度远高于重粒子温度。近年来,对低温等离子体的研究逐渐成为等离子体学科的研究热点。其主要原因是低温等离子体在许多工程领域,特别是在材料表面改性方面具有重要的应用价值。低温等离子体材料表面处理不仅可以使材料表面变粗糙,并且可以引入羟基(—OH),羰基(—C=O),氨基(—NH_2)等亲水基团,从而提高材料的表面能,改善材料表面的润湿性和粘结性。 目前电力电子技术已广泛地应用于低温等离子体的材料表面处理,但由于现有的高压低温等离子体放电电源系统的低效率和高成本,严重影响了它的进一步推广。研究一种适合多种材料负载的高效低温等离子体表面处理系统已成为必然。本文的研究是低温等离子体科学、电力电子技术和材料科学的交叉学科研究,因此本文的主要研究内容也包括了这三方面。 1、对介质阻挡放电的影响因素进行了系统地分析和研究。 a) 首次确定了接地电极转动对介质阻挡放电的影响。实验的结果表明:接地电极静止或转动,介质阻挡放电将呈现不同的放电形式和电流波形,对其原因进行了讨论。 b) 讨论了不同电极结构和不同放电形式的介质阻挡放电的特点。提出了一种采用介质阻挡放电的电极结构,在空气中产生大气压下均匀放电的方法。 c) 详细分析了绝缘介质位置不同对介质阻挡放电电流波形的影响和绝缘介质对放电起始电压的影响,并对绝缘介质对介质阻挡放电特性的影响进行了分析和总结。 2、通过大量的仿真和实验,详细分析了介质阻挡放电的负载特性。分别给出了变压变频、定频变压、和定压变频的动态变化曲线,并通过20kW塑料薄膜表面处理机的研制对分析结果进行了验证。在此基础上设计了一系列不同功率等级和不同控制方案的低温等离子体放电电源,满足不同应用场合的需求。 a) 提出了一种基于脉冲密度调制(PDM)和脉冲频率调制(PFM)混合控制的材料表面处理电源。PDM用来调节逆变器的输出功率,PFM用来补偿温度和其它环境因素对放电的影响。实验结果表明基于PDM和PFM混合控制的串联谐振逆变器(SRI)使材料表面处理电源系统简单,


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