塑料薄膜表面处理系统的研发与使用

塑料薄膜表面处理技术广泛应用于包装及印刷工业中。应用高压放电技术使放电电极间的空气电离，通过放电粒子对塑料薄膜表面的冲击对薄膜表面进行处理，增强其对油墨及胶水的渗透力和粘合力。
　　塑料薄膜表面处理电源的负载特性相当于电极不平衡介质阻挡放电（DBD）的负载特性。DBD等离子体中含有离子、激发态分子、自由基等多种活性粒子，这些活性粒子能与塑料薄膜表面进行各种相互作用。DBD等离子体对塑料薄膜表面的改性作用主要包括以下两点：①DBD等离子体对薄膜表面的刻蚀。刻蚀作用使样品表面粗化，形成许多坑洼，增大了样品的比表面。②DBD等离子处理可以在薄膜表面产生亲水性极性基团，如羟基－OH、氨基－NH2和羧基－COOH等，它们对水分子有相当强的亲和能力。这类基团数目越多，亲水性越强，材料表面的吸湿能力越高。
　　介质阻挡放电是一种特殊的，非线性变化的负载，这给放电电源的设计带来了很大的麻烦。
　　在实际的工作现场中，薄膜表面处理装置作为整个流延机流水线的一部分，要求其具有很好的工作稳定性和抗干扰性。因此设计安全可靠的工作电源是很重要的。本文基于移相脉冲宽度调制（PS-PWM）技术研制了一台20kHz，10kW的高频高压放电电源，逆变器输出电压范围为0500V，电流范围为025A，升压变压器输出高压范围为020kV，该电源已应用于工业现场。实现了对负载谐振频率的闭环跟踪和开关管的零电压（ZVS）软化，大大降低了开关损耗，得到了较宽的调功范围。采用不控整流方式降低了成本和控制电路的复杂性。给出采用本文研制的塑料薄膜表面处理电源（http://www.power114.net/new_view.asp?id=91 通信电源行业竞争策略分析）对聚丙烯（pp）薄膜的实际处理效果，验证了其有效性。
　　1　塑料薄膜表面处理系统
　　1.1　系统描述
　　塑料薄膜表面处理系统包括高频高压放电电源和电极装置，待处理的塑料薄膜通过电极装置的间隙进行处理。表面包有绝缘介质的滚筒接地，并通过传动带和电动机的转轴相连。
　　长条形的放电架与滚筒面平行，接高压电源。放电电极一般为多刀型，能提高载流子数量，增加放电面积。滚筒长度为160cm，介质层厚度为30mm，采用这一厚度是为了确保在高压下不被击穿。放电间隙为3mm，足够满足工业应用的要求。
　　放电产生的臭氧通过换气扇排出室外。
　　高频高压放电电源主电路包括三相不控整流电路和由2个IGBT模块组成的单相电压型H桥逆变器，每个模块为1200V，100A.
　　无感电容Cs=0.02μF并联在IGBT的集电极和发射极之间，用来实现谐振电路的零电压开关，减小开关损耗。变比为24：270的高频高压变压器连接在逆变器的交流端，通过变压器漏感和负载等效电容串联谐振来产生放电所需的高压。
　　1.2　负载等效电路分析
　　当气隙上的高频电压达到放电起始电压时，气隙中的电子从电场中获得了足够的能量，通过碰撞使周围的原子和分子电离，气隙中的气体被击穿。
　　由于绝缘介质的存在，限制了放电电流的自由增长，因此也阻止了电极间火花和弧光的形成，气隙中发生介质阻挡放电。在放电期间气隙上的电压近似保持恒定，为放电维持电压Uz。塑料薄膜表面处理电源的负载等效模型可以由多个非线性变化的电容电路并联来等效。
　　Cg和Rg为气隙等效电容和电阻，Cd为介质等效电容，Ls为高频高压变压器的漏感，CA为测量电容。其中负载等效电路的参数无法进行直接测量，但可以利用李萨如图形来进行估算。
　　2　PS-PWM控制信号G1、G2、G3和G4分别对应开关管Q1、Q2、Q3和Q4。Q1和Q2为定相桥臂的开关管，Q3和Q4为移相桥臂的开关管。
　　PS-PWM就是通过调节移相桥臂对定相桥臂的相移角度β来实现对输出功率的调节。由生成定相桥臂上管驱动脉冲的波形W1经锯齿波生成电路生成同频率的锯齿波W2。通过比较器2，将锯齿波信号W2和PI调节器的输出信号W3进行比较，生成脉宽可调的信号W4。W4的脉宽越小，则逆变器输出电压的脉宽越大，输出功率越大。通过锁相环PLL1来实现对负载谐振频率的闭环跟踪，负载始终工作在感性状态，逆变器的输出电压略微超前于输出电流。
　　3　实验结果分析
　　在整个调功过程中，逆变器始终工作在感性状态，输出电压略微超前输出电流，因此可以通过开关管的并联电容实现对开关管的ZVS软化。
　　4　结论
　　本文研制了一台基于PS-PWM控制的塑料薄膜表面处理电源。采用不控整流方式，电路简单，成本较低。较好地解决了开关管的软化问题，实现了对负载谐振频率的闭环跟踪，并得到了较宽的调功范围。在实验中采用该电源对pp薄膜表面进行了处理，处理结果验证了该电源的有效性。