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总第员96期0引言静电植保机械技术是近些年逐渐发展的高效喷雾技术[1],高压静电使雾滴带上电荷,由于静电感应原理,靶标表面感应出相反电荷。在空间电场,运动中的雾滴在自身重力和电场力的双重作用下做定向运动而吸附在靶标上[1],静电喷雾主要是借助电场的加速作用并实现雾滴的环绕效应来提高喷雾效率、雾滴穿透力、靶标表面尤其是反面的覆盖率,极大改善了喷雾效果,因此对其研究有重要意义。高压电源是静电喷雾技术的核心,由于工作环境为田间,作为电子产品,受喷雾负载和环境影响较大,应保证其输出稳定在一定的范围内。另外,对于不同作物获得同样的生物效应需要的静电高压电压级别不同,因此对高压发生器应能输出可调节的电压[2]。目前已有的高压发生器多采用脉宽调制技术,其由于控制方便、可靠性高等优点,而被广泛应用于高压发生器电源系统中[3-4],但这类应用往往产生较高的谐振电流,且控制电路复杂,电源质量与体积较大。为了减轻喷雾器的负重量使之能更高效喷雾,对高压发生器的外形尺寸和质量提出更高的要求。因此,对这一关键部件,本文设计带有电压负反馈的电压输出可调节的高压发生装置。1主电路设计该设计由电源(12V)、低压可调稳压电路、变压器自激振荡升压电路、倍压升压电路、高压反馈电路等部分组成,其框图如图1所示。输入可调稳压电路高压反馈电路高压升压电路高压输出图1电路连接框图它的基本工作原理是:通过控制高压模块的输入来调节高压静电发生器的输出电压。由低压可调电路,实现高压模块输入电压的大步进调节和连续微调;高压模块使直流电压经过振荡升压以及倍压升压后产生高压,输出高压经比较放大器以及三极管构成电压反馈电路,使该电路在负载变化的情况下稳定输出高压,提高电路的鲁棒性。1.1低压可调稳压电路1.1.1LM2596低压可调稳压电路采用LM2596开关电压调节器为主要控制器件。LM2596是降压型集成稳压电路,输出电流最高达到3A,外围电路简单、体积小、线性度好。1.1.2X9511WP该设计采用数字电位器[5],即数控可编程电阻器。X9511WP为10K阻值的数控芯片,电阻值共32挡位,控制方式简单,可按键控制,可单片机控制。可调稳压电路如图2所示。高压静电发生器设计与负载特性研究陈成功1,竹贝芬2,邱白晶1,季红波2,纪鸿波2,张平2(1.江苏大学现代农业装备与技术省部共建教育部重点实验室,江苏镇江212013;2.江苏省农业机械试验鉴定站,江苏南京210000)摘要:静电喷雾具有环绕、穿透、雾滴更加均匀的特性,因此极大地提高了农药防治效果和农药利用率。针对高压静电的需求,设计制作了带有反馈电路、输出电压可调的高压静电发生器,并进行参数的优化设计。在此装置的基础上,以3WBJ-15DB多功能静电喷雾器喷雾系统为试验平台,在接通负载和负载变化情况下测定高压发生器的输出。试验结果表明,所设计高压发生装置能稳定地输出电压,在喷雾条件变化情况下,也能稳定高效地输出电压。关键词:高压发生器;电压反馈电路;优化设计;输出电压粤早则蚤糟怎造贼怎则葬造耘择怎蚤责皂藻灶贼驭栽藻糟澡灶燥造燥早赠农业装备技术第42卷第6期圆园16年12月灾燥造援42翼.6Dec援圆园1612总第员96期图2可调稳压电路电路中电阻RP1为X9511,在电路中通过调节RP1电阻,调节电路电压步进输出,由于倍压整流电路输出存在压降,因此采用可变电阻器RP2并联于RP1两端,通过调节RP2接入电路电阻值,对输出电压进行微调[6]。1.2高压模块电路高压模块电路主要完成低压电路的升压及整流功能。电路图如图3所示。升压电路采用变压器自激振荡升压,此变压器采用EE型磁芯,MXO-2000型铁氧体,磁导率μ=2000H/m,磁芯漏感小、耦合性能好、绕制方便,尺寸28mm×21mm×8mm。为解决分布电容大的问题,高压绕组采用分段骨架。塑封大功率三极管选用3DD880,低频二极管选用1N4001,3W限流电阻选用3W的43Ω电阻。本变压器初级有一个主绕组和实现自激振荡的反馈绕组。次级绕组输出为直流高压,实物如图4所示。图3高压升压电路结构主绕组反馈绕组高压输出图4变压器经变压器升压的交流高压需经过整流获得所需高压直流电压,整流电路采用4倍压电路[7]。倍压电路是采用高压储能电容与单向导电二极管搭建的整流电路。倍压整流电路由于结构的不同,输出电压性能也会有所区别。1.3反馈电路电压反馈电路如图5所示。二极管D1的作用是使电路能够自启动。从电阻R6上获得的输出电压采样信号,经电阻R7并通过电平移动加到比较放大器LM358的正相输入端,与加到比较放大器LM358反相输入端的基准分压电位一起控制比较放大器LM358的输出。当输出电压的平均值大于设定值时,比较放大器U5A的1脚为高电位,使得Q1集电极电流减小,Q2的基极电流减小,Q2的管压降增大,输出电压降低。相反,当输出电压的平均值小于设定值时,比较放大器LM358的1脚为低电位,使得Q1集电极电流增大,Q2的基极电流增大,Q2的管压降减小,输出电压升高[8]。图5反馈电路2电路参数优化电路参数优化目的在于使电路达到最佳评价指标。电子元件在生产中其参数与既定值必然存在误差,并且在使用过程中,随着环境温湿度等条件及其寿命的影响,其参数必然发生一定范围内的变动,即元器件存在容差,造成电路的实际性能不符合设计要求。因此,在电路设计中应考虑此误差对电路指标的影响,在设计阶段进行满足一定指标范围的参数设计。2.1统计优化方法统计优化方法是在电路性能满足设计要求下来设计电路元件参数的方法,是求解合格率问题。已知电路元器件参数的统计分布特性,以蒙特卡罗分析(montecarlo)为基础[9],分析元器件参数容差对电路性能指标的影响。陈成功等:高压静电发生器设计与负载特性研究粤耘栽圆园16.613总第员96期2.2蒙特卡罗分析的实现电路的性能指标要求是:电路输出电压Vout在(39±1)kV之内,纹波系数1%,合格率达90%以上。由于倍压升压由电容充放电实现,不同位置电容容值影响电路输出电压品质,因此首先对电路进行灵敏度分析。由原理知C7、C9和C8、C10表示不同位置电容,对电压品质的输出有不同的影响,因此分别对其进行容差分析[9]。图6分别为对C7、C9和C8、C10进行的灵敏度分析。电路元件原始中心值为C7=30nF、C9=30nF、C8=30nF、C10=30nF,电容容差为10%,且电容参数服从正态分布规律。抽样次数N取为20,应用multisim的montecarlo模块对电路进行蒙特卡罗分析,得到电路输出的统计特性如下。(a)电容C7、C9灵敏度分析(b)电容C8、C10灵敏度分析图6基于电容的容差分析由图6可知,相比C8和C10对输出电压Vout的灵敏度,C7和C9对输出电压Vout的灵敏度较大。容差造成的电压输出在(-37.68~-41.23)kV,电压上升时间为15~25ms,故选取C7和C9作为待优化参量。优化的内容,包括电容容差优化和电容容值优化,按照以上灵敏度结果,C7和C9应具有较低的容差和较高的电容值。因此,选取C7=C9=40nF,电容容差为5%时,电路性能的统计特性如图7所示。图7优化后的容差分析与优化前相比,图7容差分析结果显示压输出在-38.98~-40.73kV,因此,参数优化提高了电路鲁棒性,减小了上升时间,在电压上升时间内,电路行为一致性升高。3高压发生器负载特性高压静电喷雾是通过高压发生器使液体带电来实现的,作为高压发生器的负载,药液成分和性能的变化,标志着负载的变化,影响高压发生器的输出以及输出的稳定性,从而影响荷电效果。本文以3WBJ-15DB多功能静电喷雾器喷雾系统为试验平台,通过试验验证高压发生器在喷雾接通瞬间以及喷雾流量变化情况下高压发生器的输出特性。试验过程中液体负载选用4g/L的胭脂红溶液[10]。3.1负载接通瞬间高压发生器输出特性在喷雾压力0.2MPa,流量8L/h的工况下,接通喷雾器喷雾。图8给出了喷雾开启前后高压发生器电压输出信号。4组实验喷雾开启前高压发生器输出分别为10、20、30、40kV。荷电电压/kV直接测量喷雾测量图8喷雾启动前后高压发生器电压输出农业装备技术粤耘栽圆园16.614总第员96期由图8可知,喷雾启动后,高压发生器输出均有所降低,这是由于加负载后电源内阻分压而使电源输出一定程度电压下降。4种荷电电压下电压下降均在500V以内,对比现有静电喷雾器厂家所使用的高压发生器在喷雾前后电压输出下降2000V,带载能力显著提高。3.2喷雾压力变化下高压发生器输出特性荷电电压不变的条件下,增加喷雾压力至0.3MPa,流量增加至9L/h。图9给出了喷雾压力变化时高压发生器电压输出信号。4组实验荷电电压分别为10、20、30、40kV。荷电电压/kV图9流量变化下高压发生器电压输出由图9可知,随着喷雾压力增加,高压发生器输出变化幅度不大,这是由于负载增加引起的压降通过反馈电路得以调节,提高了电路的鲁棒性,因此喷雾流量变化导致的负载变化对该高压发生器的输出影响甚微。高压发生器输出性能测试主要是对电压调节功能和电压输出功能在电路功能实现上的验证,试验验证结果表明数字电阻器实现了对输出电压的步进调节,电路参数的成功选取保证了电压输出具有较高的评价指标。负载特性主要是对电压反馈电路功能的验证[11]。4结论4.1本文通过对静电喷雾所采用高压电源进行需求分析,提出了带有反馈电路的电压输出可调高压发生装置。详细介绍了低压可调稳压电路,高压升压电路,反馈电路的详细电路设计和原理,进行了参数的优化设计。4.2进行了高压发生器输出特性实验和负载特性试验。对可调高压发生器在输出电压10、20、30、40kV条件下进行测试。以3WBJ-15DB多功能静电喷雾器喷雾系统为试验平台,在接通负载和负载变化情况下测定高压发生器的输出。试验结果表明,所设计高压发生装置能稳定地输出电压,在喷雾条件变化情况下,也能稳定高效地输出电压。参考文献:[1]余泳昌,王保华.静电喷雾技术综述[J].农业与技术,2004,24(4):190-195.[2]袁湘月,储金宇,吴春笃.静电喷雾技术中高压电源及应用[J].高电压技术,2004,30(8):45-47.[3]K.I.Arshak,B.Almukhtar.ThedesignanddevelopmentofanovelFlybacktransformerforhighfrequencyswitchmodeDC-DCconverterapplications[J].MicroelectronicsJournal31,2000,926-935.[4]XIAOJian-feng,CHENXin,MIYa.ProgrammableVoltageRegulatingMethodfor15kVHighVoltageDCPowerSupply[J],HighvoltageEngineering.2008,34(12):2745-2750.[5]屈志磊.理解和应用数字电位器[J].电子设计工程,2012,20(7):181-184.[6]刘军,官威,石健将,等.高压静电除尘用电源调压特性的分析[J].高电压技术,2009,35(2):344-349.[7]许凤慧,肖韶荣.基于数字电位器的多通道程控高压调节系统设计[J].南京信息工程大学学报:自然科学版,2010,2(5):414-420.[8]TRANVN,STUCHLYSS,KRASZEWSKIA.Dielectricpropertiesofselectedvegetablesandfruits0.1-10.0GHz[J].JournalofMicrowavePower,1984,19(4):251-258.[9]邵伟.蒙特卡洛方法及在一些统计模型中的应用[D].山东大学,2012.[10]Maski,Devanand.Spraychargeabilitystudiesanddatamodelingusingelectrostaticsprayingsystemfo
本文标题:高压静电发生器设计与负载特性研究
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