吕玉明，于江涛，李占贤

(华北理工大学 机械工程学院，河北 唐山 063210)

0 引言

等离子体是固体、液体、气体之外的物质第4态，具有十分独特的物理、化学特性。按照等离子体的宏观温度来划分，可以将等离子体分为：高温等离子体和低温等离子体[1]。低温等离子体作为近年来的新兴研究领域，具有气温低、化学活性高、无需真空设备以及操作简单等诸多优点，应用前景非常广阔，目前已经应用于杀菌消毒、物料表面有机杂质处理[2-4]、冶炼、等离子体喷涂、等离子体焊接、流动控制、点火助燃等。

长久以来，让电能变成可重复利用的替代能源一直是人们的美好愿望。近年来，国内外的一些高校和研究组相继运用直流和交流多种驱动方式，配合各种结构的等离子体发生器来进行大气压下低温等离子体射流和等离子体灶的研究工作[5-7]，一些专家在关于等离子体高效节能燃气灶方面也取得了相关专利[8]。但由于技术难度较高、设备复杂和操作繁琐等约束条件，都未得到推广和实际性突破。

为了解决以上技术设备的缺点和不足，本文以低温等离子体为基础，根据高压脉冲电弧等离子体特性，设计了一种由低电压输入的脉冲调制电路驱动等离子体灶发生器的放电装置，为工业生产和家庭应用提供一种耗能低、功率大、效率高、操作简单、绿色环保、节能减排的新型燃气灶。通过对输入电压和电流与等离子体束大小的关系进行研究，最终获得理想长度和功能的等离子体束，且具有多种类似火焰的特性，更加论证了该等离子体灶可代替传统燃气灶和电热锅成为一种新型燃气灶的可行性。

1 等离子体灶

1.1 等离子体灶电源

本实验电源是以零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)为基本电路,利用开关电源将市电AC 220 V转换成DC 24 V，提供给ZVS。其核心的控制思想是通过控制电路产生具备相应条件的脉冲高压，经由变压器输出端的高压极和接地极通过发生器激发引弧放电。等离子体灶的驱动电路如图1所示。

图1 等离子体灶的电路原理图

当电源电压作用在Vcc时，电压由电阻R1和R2调节，在二极管D1和D2的箝位作用下，使两个MOS管满足了开通条件。由于器件参数的离散性，会有一个MOS管先开通。图1中的电容C1与变压器T的初级电感发生LC谐振。对于任一个MOS管，均满足“源同栅反”的振荡条件，电压按照正弦规律变化。在LC回路谐振的作用下，两个MOS管的栅极、漏极电压交替变化，实现状态的翻转，并且不断重复这个过程。扼流线圈L具有限流作用，可以限制峰值电流瞬间增大，以此来保护整个电路。

1.2 电路仿真分析

在研发过程中，往往需要验证方案的可行性，仿真辅助设计是提高电路设计成功率的重要方法。首先对该电路进行protues电路模拟仿真，仿真电路图如图2所示。仿真分析中均采用与实验同型号的元器件，VCC=15 V,并放置TR1(S1)、C2(1)、Q1(D)、L1(2)电流探头与TR1(S2)、Q1(Z)、Q1(G)、Q2(Z)、Q2(G)电压探头。

可以看出，通过一个谐振开关发生电路便将直流电转换为交流电。该升压电路生成高频高压正弦波来保证等离子体发生器正常工作，其中高电压通过较大的变压器变比以及合适的匹配电路来实现。以往的电弧等离子体源将直流电转换成交流电需要很大的能源，而且随着功率的增大所需要的能源将会成倍增加。但该等离子体灶巧妙地运用了以上发生电路，大大减少能源耗费，并提高了整体效率。

图2 仿真电路图

该电路的振荡频率由电容和电感决定，其计算公式为:

(1)

其中：L为回路的总电感；C为图2中的谐振电容C2。

本设计的ZVS电路工作中心频率在40 kHz左右，确保等离子灶可以在射频下稳定可靠地工作，减小了电路的发热损耗。

1.3 等离子体灶发生器

电弧等离子体发生器是指能产生和稳定维持一定温度的等离子体装置，等离子体灶发生器模型如图3所示。8个ZVS的接地极连接集中于中间，称为共地极，8个高压极阵列于阴极四周。电极固定板采用有机玻璃加工而成，具有一定的绝缘性能，放电电极均采用尖端放电形式。

图3 等离子体灶发生器

选择恰当的材料分别作为阴极和发射极可以有效地提升等离子体灶发生器的寿命和放电性能。纯铜的致密性高，可塑性强，质地柔软，热传导率高，其电阻率比较低。石墨是一种非金属材料，熔点极高，也具有良好的导电性能，属于高热传导率材料[9]，两种材料的物理特性见表1。由表1中可以看出，石墨没有熔点，是一种优良的耐高温材料，气化温度高达3 650 ℃以上，在放电过程中，高热使其损耗非常小，而且石墨具有一个优良的物理特征，损耗随着峰值电流的上升而下降，且耐电蚀强度好[9],更适宜用于制备共地极。铜的损耗是随着峰值电流的增加而增加，其承受高峰值电流的能力较差，但铜的导热性能更好，所以更适宜作为高压极。此外，相对于石墨，在低电流域铜电极机械结构更加稳定，因此本文决定采用铜为高压极材料，石墨为共地极材料。

2 实验结果与分析

接通电源，开关电源的电压调节旋钮从零开始调节，当电压增加到15 V左右时便可以实现引弧放电，不断增加电压电流，功率随之增加，反应更加剧烈，等离子体束越大，放电效果越明显。当达到该电路的额定输入电压30 V时，不再增加电压。分别取不同电压、电流做放电数据采集。图4为5组不同输入直流电压情况下捕捉到的放电效果，并得到等离子体束与电压和电流之间的关系，见表2。

表1 铜与石墨物理性能对比

电压(V)1518202430电流(A)2030405060等离子体束长度(mm)3070120160220

实验发现：等离子体束的长度会随着发生器外加电压峰值的增大而变长。这是由于随着电压的升高，放电脉冲的数量与强度也会增加，导致等离子体束变长。实验过程中，输入功率最大可达到1 800 W，同时可以获得220 mm理想长度和功能的等离子体束，且具备同火炬一样的燃烧与加热功能。

实验中最大的问题就是伴随放电产生的噪声，放电噪声是由于放电不稳定所造成的，电弧的脉动推动了空气的振动，从而导致噪声的产生。该电路的驱动频率在30 kHz～50 kHz之间，电源的驱动频率可能会对放电的稳定性产生影响。

3 结论

本文首先模拟仿真分析该等离子体灶放电电路的可行性原理，通过设计的等离子体灶发生器来引弧放电。根据捕捉的5组不同直流输入电压放电效果图，分析可知输入直流电压不断增大，放电越剧烈，等离子体束尺寸越大，并最终得到220 mm理想长度和功能的等离子体束。

伴随放电过程中，有放电噪声产生。电源的驱动频率可能会对放电的稳定性产生影响，但电源频率与电弧脉动的频率一般并不相同，也就是说，将电源驱动频率调高到人耳听觉的范围(30 Hz～16 kHz)之外，并不等于噪声也会到这个范围，所以要通过进一步实验去调整电源驱动频率以及发生器的结构。

参考文献：

[1] 孟月东,钟少锋,熊新阳.低温等离子体技术应用研究进展[J].物理,2006,35(2):140-146.

[2] 雷鸣,刘汝兵,郝明,等.等离子体合成射流的能效特性实验研究[J].科学技术与工程,2016,16(7):195-198.

[3] 刘汝兵,孙伟,牛中国,等.火花放电等离子体射流实验研究[J].推进技术,2015,36(3):372-377.

[4] 江南.我国低温等离子体研究进展(Ⅰ)[J].物理,2006,35(2):130-139.

[5] 卢新培,严萍,任春生,等.大气压脉冲放电等离子体的研究现状与展望[J].中国科学:物理学 力学 天文学,2011(7):801-815.

Xiong Q,Lu X,Ostrikov K,et al.Length control of He atmospheric plasma jet plumes:Effects of discharge parameters and ambient air.Physics of Plasmas,2009,16(4):043505-1-043505-6.

苏少侃,阮新波,叶志红.自激式LLC谐振变换器.电工技术学报,2011,26(12):85-92.

路运龙.等离子体高效节能燃气灶.中国:201220317525.4.2013-1-10.

杨晓欣.EDM主流电极材料(石墨—铜)的放电性能对比分析研究.模具工程,2009(12):73-76.