高压静电吸发器的设计与研究正文-毕业论文.doc
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1、 论文题目:高压静电吸发器的研究与设计学生姓名: 所在院系: 机电学院所学专业: 应用电子技术教育导师姓名: 完成时间: 摘 要本文介绍了一种家庭实用的高压静电除尘器。文中首先简述了静电的危害以及目前静电在工农业中的应用,以及现在家庭用吸尘器的工作原理,然后提出如何利用静电吸附原理清理室内地面毛发的思路,最后叙述了几种常见高压静电发生器的工作原理,对几种常见电路进行了分析,并对所选用的电路进行了详细的分析。论文分析了尘粒在电场中的运动规律及吸附条件,给出了设计除尘装置的理论方程,还介绍了梳状电极。此装置既可用于普通居民家庭中地面毛发等灰尘的清理,又可用于理发店美发厅等易积聚毛发场合的地面毛发等
2、灰尘的清理。 关键词 高压静电,静电吸附,直流高压电源,梳状电极,除尘装置18The Research and Design of High voltage electrostatic cleanerAbstractThis article describes a family of high voltage electrostatic precipitator practical. First of all, the article outlines the static and the current electrostatic hazards in the industrial and
3、agricultural applications, and now home of the working principle of a vacuum cleaner, and then propose how to use the principle of electrostatic adsorption indoor ground clean-up the idea of hair, and finally describes some common high-voltage electrostatic The working principle of generator for sev
4、eral common circuits are analyzed and selected to carry out a detailed circuit analysis. Paper analyzed the dust particles in the field of sports law and the adsorption conditions, given the design of the theoretical equation of dusting device, but also introduced a comb-like electrodes. This device
5、 can be used in common household dust of the ground clean-up hair, etc., can be used in the salon barber hair easy to accumulate occasions such as the dust of the ground clean-up hair.Key words: High-voltage Static Electricity, Electrostatic Adsorption, High-voltage DC Power Supply, Comb-like Electr
6、odes, Dust Removal Device目 录1 绪论11.1 静电的危害11.2 静电的应用11.3 目前吸尘器的工作原理21.4 本设计简介22 高压静电发生器的设计与研制32.1 方案一32.2 方案二42.3 方案三52.4 方案四62.5 方案五82.5.1 电路分析82.5.2 电源电路92.5.3 电源的振荡电路92.5.4 放大及振荡电路102.5.5 高压升压及倍压整流电路102.5.6 恒流自动控制电路112.5.7 隔离和滤波电路112.6 最终方案123 电场中尘粒的分析123.1 除尘装置电学分析133.2 电场中尘埃的力学分析134 吸尘头装置的设计154
7、.1 梳状电极154.2 吸尘头装置165 结束语17致谢17参考文献181 绪论 静电这个词对大家来说都不陌生,我们对静电的危害早已闻之胆颤,目前对静电的应用也越来越广泛。但其应用依然停留在“高处”,至今尚未走入家庭。目前家庭用的吸尘器利用的是真空吸尘,若能利用静电吸附尘埃特别是毛发,这一方向将具有很好的应用前景。本设计主要介绍高压产生电路的原理和吸尘头装置的设计。1.1 静电的危害在空气干燥的季节,当你开门时偶尔会有电击的感觉,这就是静电放电(ESD)。当你感觉电击时,你身上的静电电压已超过2000伏!当你看到放电火花时你身上的静电已高达5000伏!当你听到放电声音时,你身上的静电已高达8
8、000伏!但是现代许多高速超大规模集成电路碰到仅几十伏或更低的静电就会遭到损坏。也就是说当你接触这些电路时,你既没有感觉到又没有看到更没有听到静电放电时,这块电路就已部分损伤或完全损坏,而你可能还在找其硬件或软件的原因。你可能还没有意识到是静电这个“幽灵”。在上个世纪中叶以前,静电现象就如同科技馆中的表演,只是一种有趣的物理现象,然而现在,静电已成为高科技现代化工业的恐怖主义者。国内外近年发生了多起因静电造成的重大人员死亡事故。在军工企业部门,静电放电使火箭(弹)产生意外爆炸;在石化工业中静电放电多次使汽油着火爆炸;在电子工业中损坏电子元器件,仅美国每年因静电对电子工业所造成的损失就达几百亿美
9、元。静电危害的另一种形式是静电力的危害,静电力的吸尘作用会影响产品质量,在大规模集成电路生产中由于静电使芯片成品率大大降低。印刷过程中由于静电吸引力使纸张难以对齐,降低生产效率。另外静电放电还产生很强的电磁干扰,其频率非常宽,从低频至几千兆赫兹以上。这种强电磁场作用时间短但其强度远比手机辐射的电磁场强,会干扰一些设备的正常工作。1.2 静电的应用静电有很多危害,静电是否也能利用呢?答案是肯定的,利用静电能给人类造福。静电已广泛应用于静电除尘和分选、静电喷涂、静电纺纱、静电植绒、静电复印、静电制版、静电火箭发动机、静电轴承、静电陀螺仪、静电透镜、静电育种、静电常温灭菌。静电除尘,具有效率高的优点
10、,现在很多空气净化器就是利用静电能吸除空气中的很小的尘埃,使空气净化。在农业中,利用静电喷雾能大大提高效率和降低农药的使用,既经济又有利环境保护。静电还有很多应用,如静电处理的种子抗病能力强,病害发生减少,而且发芽率高,产量得到提高;静电放电产生的臭氧是强化剂,有很强的杀菌作用;经过静电处理的水,既能杀菌又不易起水垢。带有静电的驻极体膜还能治疗各种软组织损伤,它有活血化瘀、消炎消肿的作用。静电还可用于喷涂,用静电喷涂家用电器如洗衣机、电冰箱的外壳非常均匀。1.3 目前吸尘器的工作原理目前吸尘器的工作原理主要是利用真空吸尘,吸尘器主要由起尘、吸尘、滤尘三部分组成,一般包括串激整流子电动机、离心式
11、风机、滤尘器(袋)和吸尘附件。一般吸尘器的功率为4001000W或更高,便携式吸尘器的功率一般为250W及其以下。吸尘器能除尘,主要在于它的“头部”装有一个电动抽风机。抽风机的转轴上有风叶轮,通电后,抽风机会以每秒500圈的转速产生极强的吸力和压力,在吸力和压力的作用下,空气高速排出,而风机前端吸尘部分的空气不断地补充风机中的空气,致使吸尘器内部产生瞬时真空,和外界大气压形成负压差,在此压差的作用下,吸入含灰尘的空气。灰尘等杂物依次通过地毯或地板刷、长接管、弯管、软管、软管接头进入滤尘袋,灰尘等杂物滞留在滤尘袋内,空气经过滤片净化后,由机体尾部排出。因气体经过电机时被加热,所以吸尘器尾部排出的
12、气体是热的。吸尘器的吸尘桶内装有一个收集灰尘的盒子,尘垢便留在集尘盒里,盒子装满后,可取出用水刷洗清理。吸尘器配上不同的部件,可以完成不同的清洁工作,如配上地板刷可清洁地面,配上扁毛刷可清洁沙发面、床单、窗帘等,配上小吸嘴可清除小角落的尘埃和一些家庭器具内的尘垢。1.4 本设计简介除尘是除去或减少空气中的灰尘或烟雾。在自然环境遭到破坏的今天,大气层中的灰尘越来越多,许多工业生产,科学实验日常生活常常需要除尘处理,高压静电除尘是应用得最广泛的一种,它有四个过程:电晕放电,尘粒荷电,带电尘粒从烟气中分离,整打清灰。本文介绍的是一种由低压直流电源供电的高压静电除尘装置,结构简单使用方便。在设计由低压
13、直流电供电的高压除尘装置之前,首先介绍了目前几种直流高压产生电路,根据直流电压转换的原理设计出高压静电发生器产生几十千伏的高压,然后分析电场分布的物理模型。带电尘粒在电场中的运动规律及吸附在极板上的条件,得出电极的几何形状和有关参数,从而设计出高压静电除尘装置。目前,静电技术在工农业生产中的日益广泛,如农业方面的静电喷雾、静电选种、静电促进植物生长和工业方面的静电除尘,静电喷漆、粉末静电喷涂等,然而至今还没有人把静电除尘用于家庭。本文设计了一种具有适合于家庭用的高压静电发生器,以及吸尘头装置。该装置目前在市场上还没有出现,有很好的应用领域和市场前景。 2 高压静电发生器的设计与研制目前产生高压
14、电源的方法大致分为两种:一种是模拟方法,另一种是数字方法。前者的稳压电路、调节电路和显示电路均采用模拟电路控制,而后者则是通过数字电路进行自动控制。传统的高压电源一般通过调整十圈电位器和波段开关预置所需电压。电压值由电压表头指示,这种手工控制和指示方式有很多缺点:调整麻烦,不能很快获得所需电压,指针读数不精确,也不能在大负载和其他异常情况下自动监测和自身保护。另外,实验室中的仪器或设备,有些同学难免会乱动旋钮和开关,造成下次开机时因电压过高而损坏仪器。下面简要介绍目前几种比较常用的高压静电产生电路的工作原理。2.1 方案一先介绍一个简单点的电路,下图是其电路原理图。图1 电路原理图一该高压静电
15、发生器以555为核心,配以升压变压器和高反压二极管及放电刷(针),555集成电路和R1,R2,C2组成无稳态多谐振荡器,振荡频率f=1.44/(R1+2R2)C2,图示参数约在20kHz左右,经升压变压器T1升压后,在T1的次级可得到20kHz的近10kV的高压,经D1整流后得到近7kV的电压,负载电流可达50uA。该电路原理简单,制作方便,是刚开始为了实验看本设计需要多高的电压能将毛发吸起而作的实验电路,但是结果因产生的直流高压过低,不能可靠的吸起毛发纤维等大点的尘埃,不适合作为本设计所选电路,但是为本设计的完成起了十分重要的作用。2.2 方案二下面在介绍一个可产生100kV有升压电路和倍压
16、电路组成的的直流高压产生电路,并简要分析该电路工作原理。图2 电路原理图二该电路的振荡升压电路由电阻器RlR3、电容器ClC3、晶闸管VTlVT3、二极管VDlVD6和升压变压器TlT3组成。倍压整流电路由二极管VD7VDl6和电容器C4Cl3组成。接通电源开关S后,EL亮,C1C3开始充电,在Tl-m的一次绕组中产生充电电流,二次绕组中产生感应高压。当ClC3充满电时,VTlVT3受触发导通,ClC3通过TlT3的一次绕组对VTlVT3放电,使VTlVT3截止,然后ClC3又开始充电,使VTlVT3间歇导通,以上充、放电振荡过程周而复始地进行,即可在TlT3的二次绕组上产生近万伏脉冲高压。此
17、脉冲高压经l0倍压整流 (VD7VD9和C4、C8、C9为3倍压整流;VDlOVDl2和C5、ClO、Cl1为3倍压整流;VDl3VDl6和C6、C7、Cl2、C13为4倍压整流)后,产生1OOkV的直流高压。元器件选择:RlR3均选用1/2W金属膜电阻器。ClC3均选用耐压值为630V的CBB电容器;C4C13均选用耐压值为lkV的高压瓷介电容器。CBB电容器是2层聚乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成;高压瓷介电容器由薄瓷片两面渡金属膜银而成。VDlVD6均选用1N4007型硅整流二极管;VD7VDl6均选用耐压值为2OkV的高压整流硅堆。VTlVT3均选用3A、800V的晶闸管。Tl
18、T3使用14in黑白电视机的行输出变压器改制:一次绕组用0.41mm的高强度漆包线绕50匝,二次绕组使用原行输出变压器的高压包,安装时,二次绕组应与高压包拉开距离,可安装在高压包另一侧磁柱上。S选用5A、220V的双极开关。EL选用220V、2OOW的白炽灯泡。高压发生器工作后,在放电间隙(间隙可调)产生放电火花,这样既可限制输出电压过高,又可以指示高压的有无。整个电路安装完毕后,应用环氧树脂封装或浸在变压器油中,防止对空气放电。该电路产生的直流高压较高,电路原理也不是复杂,可用于粉末涂料生产及高压静电喷塑。但是电路关键元件TlT3用行输出变压器改制,而现实是行输出变压器已做成整体很难再加以改
19、制,故也不适合该设计。2.3 方案三再接着介绍一个采用交流220V电源供电,能产生近100kV的直流高压的高压静电发生器,其电路原理图如下图所示。图3 电路原理图三 该高压静电发生器电路由电源开关S、电源变压器T、整流二极管VD1VD9、电容器C1C9、电阻器R1R4、电压表PV和电流表PA组成,如图所示。接通电源开关S,交流220V电压经电源变压器T升压及VD1VD9和C1C9组成9倍压整流电路,倍压整流后,产生100kV左右的直流高压,一路经R4限流后输出,另一路经R1R3限流后,通过PV显示出输出电压值。电路元器件安装完毕后,应使用环氧树脂进行封灌处理,以防止各元器件之间放电。元器件选择
20、:R1R4均选用1W的高压电阻器。C1C9均选用耐压值为30kV的高压瓷介电容器。VD1VD9选用耐压值为30kV的高压整流硅堆(也可用两只耐压为1820KV的整流硅堆串联代替),例如2CGL30、2DGL30等型号。PA选用0100A的电流表。T选用成品升压变压器(二次电压为12kV左右)也可使用14in黑白电视机的分离式行输出变压器改制。S选用220V、触头电流容量大于5A的双极开关。该电路主要用于工业环境,可用于粉末涂料的生产及静电喷塑等场合,代替高压静电喷涂机的高压发生器电路。2.4 方案四再来看一个用12V直流电源供电,用一片集成电路和十级电压倍增器电路构成的一种高压静电电源。本电路
21、如下图所示,该电路以12V直流电源供电,可获得10000V直流电压的输出。直流/直流变换器把它的输出送入一个十级的高压倍增器而产生10000V的直流输出电压。IC(CD1458施密特六反相器)。门电路IC-1用作方波脉冲发生器,它产生很纯净的方波(脉冲式直流)输出。再把IC-1的输出送往IC-2至IC-6的输入端,这些反相器并联起来以驱动电流。图4 电路原理图四并联的门电路输出脉冲送往VT1的基极,是VT1随着IC-1的震荡而开关工作。VT1的集电极与T1的初级线圈串联。T1的初级线圈的另一端接+12V的电源,并通过C1接地去耦合。加在VT1的脉冲信号引起开关作用,造成VT1(小铁氧体磁芯升压
22、变压器)初级线圈中的电磁场起伏,在T1的次级线圈中诱导出极性相反的脉冲信号。把T1次级线圈的脉冲直流输出(在800V1000V之间)加到十级电压倍增器电路,此电路含有VD1VD10以及C2C11,倍增器电路把电压提高到十倍,产生的输出电压可达10000V直流电压。通过二极管VD1VD10和电容C2C11的反复充放电,倍增器输出将是倍增器中所有电容的一连串相加的和。为了是电路能有效的工作,必须考虑方形波的频率以及加在倍增器的信号。R4,RP和C12的数值规定振荡器IC-1的输出频率(规定数值大约为15kHz)。电位器RP用来微调振荡器的输出频率。振荡器的频率越高,倍增器的容抗越低。发光二极管VD
23、11作输出功率的指示器,而氖灯HL则指示T1次级线圈的输出。要获得倍增器最大的最好办法是把示波器连接倍增器的高压输出,通过高压探针,调节电位器RP而取得高电压的输出,如果没有合是的测试工具,可以把倍增器的输出导线与地线相隔1cm左右而造成火花,调节RP以获得最大的火花输出为佳。应当注意因倍增器的输出高压将引起强烈的电击,要注意即使把倍增器关闭之后,各电容仍然存储着电荷,如果没有充分放电触及这输出仍会有危险,把这输出短路接地可以清楚这些电荷。IC是CMOS器件,对静电很敏感。仅能承受15V直流电压超过了这个临界,IC就会损坏,二极管VD12用来防止输入电压极性相反。从电压倍增器的角度来看,二极管
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