等離子體灶的設計與性能研究

呂玉明，于江濤，李占賢

(華北理工大學 機械工程學院，河北 唐山 063210)

0 引言

等離子體是固體、液體、氣體之外的物質第4態，具有十分獨特的物理、化學特性。按照等離子體的宏觀溫度來劃分，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的新興研究領域，具有氣溫低、化學活性高、無需真空設備以及操作簡單等諸多優點，應用前景非常廣闊，目前已經應用于殺菌消毒、物料表面有機雜質處理[2-4]、冶煉、等離子體噴涂、等離子體焊接、流動控制、點火助燃等。

長久以來，讓電能變成可重復利用的替代能源一直是人們的美好愿望。近年來，國內外的一些高校和研究組相繼運用直流和交流多種驅動方式，配合各種結構的等離子體發生器來進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]，一些專家在關于等離子體高效節能燃氣灶方面也取得了相關專利[8]。但由于技術難度較高、設備復雜和操作繁瑣等約束條件，都未得到推廣和實際性突破。

為了解決以上技術設備的缺點和不足，本文以低溫等離子體為基礎，根據高壓脈沖電弧等離子體特性，設計了一種由低電壓輸入的脈沖調制電路驅動等離子體灶發生器的放電裝置，為工業生產和家庭應用提供一種耗能低、功率大、效率高、操作簡單、綠色環保、節能減排的新型燃氣灶。通過對輸入電壓和電流與等離子體束大小的關系進行研究，最終獲得理想長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傳統燃氣灶和電熱鍋成為一種新型燃氣灶的可行性。

1 等離子體灶

1.1 等離子體灶電源

本實驗電源是以零電壓開關(Zero Voltage Switch，ZVS)為基本電路,利用開關電源將市電AC 220 V轉換成DC 24 V，提供給ZVS。其核心的控制思想是通過控制電路產生具備相應條件的脈沖高壓，經由變壓器輸出端的高壓極和接地極通過發生器激發引弧放電。等離子體灶的驅動電路如圖1所示。

圖1 等離子體灶的電路原理圖

當電源電壓作用在Vcc時，電壓由電阻R1和R2調節，在二極管D1和D2的箝位作用下，使兩個MOS管滿足了開通條件。由于器件參數的離散性，會有一個MOS管先開通。圖1中的電容C1與變壓器T的初級電感發生LC諧振。對于任一個MOS管，均滿足“源同柵反”的振蕩條件，電壓按照正弦規律變化。在LC回路諧振的作用下，兩個MOS管的柵極、漏極電壓交替變化，實現狀態的翻轉，并且不斷重復這個過程。扼流線圈L具有限流作用，可以限制峰值電流瞬間增大，以此來保護整個電路。

1.2 電路仿真分析

在研發過程中，往往需要驗證方案的可行性，仿真輔助設計是提高電路設計成功率的重要方法。首先對該電路進行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驗同型號的元器件，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，通過一個諧振開關發生電路便將直流電轉換為交流電。該升壓電路生成高頻高壓正弦波來保證等離子體發生器正常工作，其中高電壓通過較大的變壓器變比以及合適的匹配電路來實現。以往的電弧等離子體源將直流電轉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成倍增加。但該等離子體灶巧妙地運用了以上發生電路，大大減少能源耗費，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。

本設計的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定可靠地工作，減小了電路的發熱損耗。

1.3 等離子體灶發生器

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

圖3 等離子體灶發生器

選擇恰當的材料分別作為陰極和發射極可以有效地提升等離子體灶發生器的壽命和放電性能。純銅的致密性高，可塑性強，質地柔軟，熱傳導率高，其電阻率比較低。石墨是一種非金屬材料，熔點極高，也具有良好的導電性能，屬于高熱傳導率材料[9]，兩種材料的物理特性見表1。由表1中可以看出，石墨沒有熔點，是一種優良的耐高溫材料，氣化溫度高達3 650 ℃以上，在放電過程中，高熱使其損耗非常小，而且石墨具有一個優良的物理特征，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，但銅的導熱性能更好，所以更適宜作為高壓極。此外，相對于石墨，在低電流域銅電極機械結構更加穩定，因此本文決定采用銅為高壓極材料，石墨為共地極材料。

2 實驗結果與分析

接通電源，開關電源的電壓調節旋鈕從零開始調節，當電壓增加到15 V左右時便可以實現引弧放電，不斷增加電壓電流，功率隨之增加，反應更加劇烈，等離子體束越大，放電效果越明顯。當達到該電路的額定輸入電壓30 V時，不再增加電壓。分別取不同電壓、電流做放電數據采集。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系，見表2。

表1 銅與石墨物理性能對比

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

實驗發現：等離子體束的長度會隨著發生器外加電壓峰值的增大而變長。這是由于隨著電壓的升高，放電脈沖的數量與強度也會增加，導致等離子體束變長。實驗過程中，輸入功率最大可達到1 800 W，同時可以獲得220 mm理想長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。

實驗中最大的問題就是伴隨放電產生的噪聲，放電噪聲是由于放電不穩定所造成的，電弧的脈動推動了空氣的振動，從而導致噪聲的產生。該電路的驅動頻率在30 kHz～50 kHz之間，電源的驅動頻率可能會對放電的穩定性產生影響。

3 結論

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，通過設計的等離子體灶發生器來引弧放電。根據捕捉的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理想長度和功能的等離子體束。

伴隨放電過程中，有放電噪聲產生。電源的驅動頻率可能會對放電的穩定性產生影響，但電源頻率與電弧脈動的頻率一般并不相同，也就是說，將電源驅動頻率調高到人耳聽覺的范圍(30 Hz～16 kHz)之外，并不等于噪聲也會到這個范圍，所以要通過進一步實驗去調整電源驅動頻率以及發生器的結構。

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