毕业设计(论文)-低温等离子体消毒灭菌设备的电源设计.doc
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1、2012届毕业设计任务书一、课题名称:低温等离子体消毒灭菌设备的电源设计二、指导老师:林波三、设计内容与要求1、课题概述关于低温等离子体的消毒灭菌机理, 迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。大多数气体都能够放电形成等离子体。而利用混合气体激发等离子体, 其消毒灭菌效果往往比单一中性气体好。低温等离子体消毒灭菌技术的关键之一是其高压高频电源。对高压高频电源的最重要的要求是体积小,重量轻,易于控制和高可靠性。传统的高压电源因其体积和重量都比较大,且可靠性较低,不能满足各种实际应用场合的要求。随着电力电子技术的发展,采用正弦波脉冲宽度(SPWM)调制的高压逆变电源可以达到上述要求,从而能较好地提
2、高低温等离子体消毒灭菌技术的系统水平。本课题就是设计一个SPWM调制的高压逆变电源,应用于低温等离子体消毒灭菌设备。2、设计内容与要求1)设计内容l 简单说明各种低温灭菌方法的优缺点,阐述等离子体低温灭菌的突出优越性,然后稍加展开说明离子体低温消毒灭菌的原理;l 阐述等离子体的物理效应和应用;l 简单论述系统构成;l 简单论述低温等离子体消毒灭菌系统对高压高频电源的要求;l 分析高压高频电源的系统组成,进行系统论证、主要电路模块的功能论证;l 对高压高频电源的系统进行系统技术指标设计,对各部分电路进行设计计算。l 设计并说明对高压高频电源的系统及各部分电路进行调试的方法和步骤;l 指明高压高频
3、电源可能存在的问题,说明解决的方法与途径。*(要求学生学习过电力电子技术)2)设计要点:a) 本设计是基于SPWM脉宽调制技术的全桥高频逆变电路的一整套高压高频电源。38b) 指标要求顺序:可靠、高精度、体积小、重量轻、简单、经济、低成本、低能c) 耗、低电磁污染。3)系统组态:a) 服务对象等离子体发生器;b) 市电整流和滤波电路,获得需要的直流电源;c) 直流斩波电路,获得可调的从0伏开始的直流电源;d) 基于SPWM脉宽调制技术的全桥高频逆变电路和低通滤波器,获得频率可变的高频电压。其中正弦波发生器的设计可以选用成熟电路(几片集成电路组合设计)或自行设计电路。SPWM控制电路可以自行设计
4、或选用国外的专用芯片(例如LM4651)进行设计;e) 高频升压变压器,获得高频高压的正弦电压。4)系统主要技术指标:输出电压幅度变化范围:;输出电压频率变化范围:;系统正常工作环境温度范围:-1040;市电电源供电。四、设计参考书与期刊杂志:1)等离子体技术及应用 赵青等编著2)电力电子技术 王兆安,黄俊主编3)电子技术 康华光主编4)传感器与自动检测技术 余成波,胡新宇,赵勇主编5)电工手册6)电子元件手册7)物理学报8)自动控制技术 杨公源主编五、设计说明书要求 1、 封面2、 目录3、 内容摘要(200400字左右,中英文)4、 引言5、 正文(设计方案比较与选择,设计方案原理、计算、
5、分析、论证,设计结果的说明及特点)6、 结束语7、 附录(参考文献、图纸、材料清单等)六、毕业设计进程安排第12周:方案设计讨论,教师辅导;第3 周:分系统方案论证、设计初稿;第45周:分系统方案设计初稿;第6周:第一次检查,讨论并改写文稿;第7周:第二次检查,完善文稿辅导答辩;第8周:设计书成绩评定、答辩。七、毕业设计答辩及论文要求1、毕业设计答辩要求答辩前三天,每个学生应按时将毕业设计说明书或毕业论文、专题报告等必要资料交指导教师审阅,由指导教师写出审阅意见。学生答辩时对自述部分应写出书面提纲,内容包括课题的任务、目的和意义,所采用的原始资料或参考文献、设计的基本内容和主要方法、成果结论和
6、评价。答辩小组质询课题的关键问题,质询与课题密切相关的基本理论、知识、设计与计算方法、实验方法、测试方法,鉴别学生独立工作能力、创新能力。2、毕业设计论文要求文字要求:说明书要求打印(除图纸外),不能手写。文字通顺,语言流畅,排版合理,无错别字,不允许抄袭。图纸要求:按工程制图标准制图,图面整洁,布局合理,线条粗细均匀,圆弧连接光滑,尺寸标注规范,文字注释必须使用工程字书写。曲线图表要求:所有曲线、图表、线路图、程序框图、示意图等不准用徒手画,必须按国家规定的标准或工程要求绘制。湖南铁道职业技术学院毕业设计(论文)摘要针对传统的消毒装置存在的缺陷和目前技术的发展,本文利用介质阻挡放电产生等离子
7、体原理,研制一种等离子体消毒电源,提出了一种基于SPWM脉宽调制技术,利用LM4651驱动器的PWM控制能力的全桥高频逆变电路,获得频率可调的高频电压,从而能较好地提高低温等离子体消毒灭菌技术的系统水平。这种新的消毒电源的研究方法,使电源装置具有体积小、效率高、可靠性好等优点,使得等离子体杀菌灭度具有更为普遍的意义。关键词:介质阻挡放电;等离子体;SPWM脉宽调制;LM4651;高频逆变 AbstractIn traditional sterilization device the weakness and at present the development of technology, t
8、his paper using dielectric barrier discharge produce plasma principle, research and develop a plasma disinfection power supply, put forward based on SPWM pulse width modulation technology, using PWM control ability LM4651 drive the whole bridge of high frequency inverter circuits , obtain frequency
9、adjustable high frequency voltage, and a good way to develop the low temperature plasma disinfection technology system level this new disinfection power research method, the power equipment has small volume efficiency many advantages such as high reliability, making the plasma sterilization degree h
10、as more of general significanceKeywords: dielectric barrier discharge; Plasma; SPWM pulse width modulation; LM4651; High frequency inverter湖南铁道职业技术学院学生毕业设计(论文)目录摘要IAbstractII第一章 绪论21.1 低温等离子消毒电源的提出21.2 低温等离子体的概念及原理21.3 低温等离子体灭菌器的优势3第二章 电路的整体设计42.1 结构框图42.2 设计思路4第三章 电路模块分析与论证63.1 单相全控整流滤波电路63.1.1 整流模
11、块介绍63.1.2 滤波电路73.2.1 元器件的选择103.3 LC滤波电路133.4 高频升压电路153.4.1 变压器的概述153.4.2 变压器的原理153.4.3 变压器的设计16第四章 控制电路的分析与论证204.1 单结晶体管触发电路204.2 SPWM驱动电路224.2.1 SPWM控制技术224.2.2 SPWM波的生成244.3相应的显示电路及辅助电路274.3.1 频率表的选择27湖南铁道职业技术学院学生毕业设计(论文)4.3.2 输出电压显示仪的选择284.4 辅助电源29第五章 PWM控制芯片315.1 LM4651介绍32参考文献35心得体会36致谢37附录38元器
12、件清单39湖南铁道职业技术学院毕业设计(论文)第一章 绪论1.1 低温等离子消毒电源的提出低温等离子体在工业上的应用具有十分广阔的前景。目前,研究较多的是在大气压下,以介质阻挡电晕放电产生离子体。本文是利用等离子体能够消毒的原理,并且针对现实中传统的消毒杀菌技术存在的缺陷限制,设计了低温等离子消毒电源,而介质阻挡放电产生等离子体的效果直接与电源的电压、频率和波形相关。所以高电压、高频率的低温等离子消毒电源的设计是本课题的实现目标。1.2 低温等离子体的概念及原理等离子的概念:等离子体属于物理概念,是自然界中存在的继固态、液态、气态之后的物质第四态,它是气体在放电过程中产生大量的正负带电粒子、电
13、子和中性粒子以及自由基组成的表现出集体行为的一种准中性气体。当外加电压达到气体的着火电压时,气体分子被击穿,产生包括电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。放电过程中虽然电子温度很高,但重粒子温度很低,整个体系呈现低温状态,所以称为低温等离子体,也叫非平衡态等离子体。等离子消毒电源的原理关于低温等离子体的消毒灭菌机理, 迄今为止人们还不能够给出比较圆满的答案。大多数气体都能够放电形成等离子体。而利用混合气体激发等离子体, 其消毒灭菌效果往往比单一中性气体好。 根据早期的实验,相继出现了各种有关机理的假说。纵观各种假说,无论是从物理还是化学方面对消毒机理进行探索,归根到底不外乎有以下三种:1)
14、 等离子体形成过程中产生大量紫外线直接破坏微生物的基因物质;2) 紫外光子固有的光解作用打破微生物分子的化学键,最后生成挥发性的物,如CO、CHx;3) 通过等离子体的刻蚀作用,即等离子体中活性物质与微生物体内的蛋白和核酸发生化学反应,能够摧毁微生物和扰乱微生物的生存功能。 也有部分学者认为等离子体对细菌具有杀灭作用是上述作用合力的结果,大多数气体都能放电形成等离子体。1.3 低温等离子体灭菌器的优势等离子体消毒灭菌技术几乎具备了一种理想杀菌消毒法的全部条件:1 其灭菌速度快,可大大提升被灭菌器械的利用率,方便于医院进行连台手术。2 大幅度的减少对医疗器械伤害,有效的延长了器械的使用寿命。3
15、由于其灭菌原理的更新,已经跨入绿色环保的行列。4 与高压蒸汽灭菌、干热灭菌相比,灭菌时间短;5 与1,2-亚易记氧为主体的化学灭菌相比,操作温度低,能够广泛应用于各种材料和物品的灭菌;6 特别是在切断电源后,产生的各种活性粒子能够在数毫秒内消失,无需通风,同时,灭菌后的器械没有药物残留不会对操作人员构成伤害,安全可靠;目前国内外已将这一技术广泛应用于包括食品加工和医疗卫生在内的诸多领域。常用灭菌设备的使用及优缺点对比:灭菌技术设备名称配套设备适用物品耗能时间效率废气排放物品损耗温度化学残留等离子体灭菌等离子灭菌器220V或380V非液体类少较短无无室温无高温蒸汽灭菌蒸汽灭菌柜蒸汽锅炉畏热畏湿物
16、品无法用高较短有废蒸汽排放高温损耗高(115135)无EO/CFC灭菌环氧乙烷灭菌柜残留分解装置非液体类较少很长有EO/CFC废气较少低(65左右)有消毒液浸泡消毒清洗机220V电源不锈钢、塑料少较长有化学废水化学锈蚀室温有紫外线臭氧消毒紫外/臭氧消毒柜220V电源物品表面消毒少较长有臭氧产生无室温无第二章 电路的整体设计2.1 结构框图低温等离子体消毒灭菌电源主要有主电路和控制电路两部分组成,其中:主电路由单相全控整流滤波电路、SPWM控制的DC/AC高频逆变电路、LC滤波电路及高频升压电路组成。控制电路由单结晶体管触发电路、SPWM驱动电路、基准正弦波发生电路、频率调节电路、过流过压保护电
17、路以及相应的显示电路组成。图2-1 电源系统结构图2.2 设计思路1. 整流滤波部分输入220V单相工频电源,采用由4 个晶闸管组成的全桥可控整流电路,经整流滤波后输出为略带纹波的直流电压;2. 逆变部分采用电压型全桥逆变电路,由四个桥臂,可以看成两个半桥电路组合而成。每个桥臂都由一个IGBT和与它反并联的二极管组成。可调直流电压经DC/AC全桥逆变电路得到方波输出;3. LC滤波部分逆变得到的方波经LC(电感、电容)电路滤波后得到正弦波输出,送到高频升压电路。滤波电感由外加电感和变压器自身漏感组成,滤波电容由变压器自身杂散电容和负载本身的电容组成。4.高频升压电路LC滤波后得到的正弦波经高频
18、升压变压器升压得到所需要的高压正弦波。 第三章 电路模块分析与论证3.1 单相全控整流滤波电路鉴于消毒灭菌设备应用广泛,既可以用于工业、医疗机构、餐饮业等地的消毒灭菌,也可用与普通家庭。因此本论文的设计选择单相电源。3.1.1 整流模块介绍1. 元器件的选择由整流二极管构成的整流器,由于其输出电压不可控的,称之为不可控整流;由晶闸管构成的整流器,其输出电压是可控的,故称为可控整流。为了更好的实现电源功能,本论文的设计采用后者。2. 电路分析图3-1单相桥式可控整流电路工作原理分析:在电源电压的正半周,V1、V4承受正向电压,若晶闸管的控制极不加脉冲,V1不导通,此时负载中没有电流流过。当t=时
19、,控制极加上触发脉冲,V1导通,电流流经V1、V4。由于晶闸管导通时管压降很小,所以负载上的电压。这时V2和V3因承受反向电压而处于阻断状态。当t=时,降为零,V1又变为阻断。在的负半周,V2、V3承受正向电压,当t=+时,触发V2而导通,电流流经V2、V3,负载上的电压仍然为。这时V1和V4因承受反向电压而处于阻断状态。当t=2时,V2恢复阻断状态。由以上分析可见,在的一个完整周期内,流过负载的电流方向是相同的,负载上的电压和电流波形如图3-1(b)所示。可控整流电路的主元件采用晶闸管时,其控制方式都采用相位控制。下面分析为什么使用单相桥式可控整流电路: 单相桥式半控整流电路的优点是:线路简
20、单、调整方便。弱点是:输出电压脉动冲大,负载电流脉冲大(电阻性负载时),且整流变压器二次绕组中存在直流分量,使铁心磁化,变压器不能充分利用。单相桥式全控整流电路具有输出电流脉动小,变压器二次电流为两个等大反向的半波,没有直流磁化问题,变压器利用率高的优点。且单相全控式整流电路其输出平均电压是半波整流电路1.2倍,在相同的负载下流过晶闸管的平均电流减小三分之一;功率因数提高了一半。 因此选择的方案为单相全控桥式整流电路(负载为阻感性负载)。3.1.2 滤波电路 1、滤波电路的选择电容滤波电路的优点:其适用于小电流负载;电容滤波电路的外特性比较软;且电路简单、体积小、成本低。但其缺点是采用它时,整
21、流二极管中将流过较大的冲击电流。电感滤波的优点有:整流二极管的导电角大,峰值电流小,输出特性较平坦。但其缺点是:存在铁心,笨重、体积大,易引起电磁干扰,一般只适应于低电压、大电流的场合。综上所述,可知电容滤波器适用于大电压小电流负载,而电感滤波器适用于大电流低电压负载。本设计中电源是要产生高频高压电源,因而使用电容滤波。 2、电路分析电容滤波电路如图3-2所示,在负载电阻上并联了一个滤波电容C。图3-2 电容滤波电路 1)、滤波原理 若v2处于正半周,二极管D1、D3导通,变压器次端电压v2给电容器C充电。此时C相当于并联在v2上,所以输出波形同v2 ,是正弦波。当v2到达wt=p/2时,开始
22、下降。先假设二极管关断,电容C就要以指数规律向负载L放电。指数放电起始点的放电速率很大。在刚过wt=p/2时,正弦曲线下降的速率很慢。所以刚过wt=p/2时二极管仍然导通。在超过wt=p/2后的某个点,正弦曲线下降的速率越来越快,当刚超过指数曲线起始放电速率时,二极管关断。所以在t2到t3时刻,二极管导电,充电,Vi=Vo按正弦规律变化;t1到t2时刻二极管关断,Vi=Vo按指数曲线下降,放电时间常数为RLC。电容滤波过程见图3-3。 图3-3 电容滤波电路波形需要指出的是,当放电时间常数RLC增加时,t1点要右移,t2点要左移,二极管关断时间加长,导通角减小;反之,RLC减少时,导通角增加。
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