王其斌,李 俊,劉 勇

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院,南京 211800)

介質阻擋激發(fā)冷等離子體的放電特性研究

王其斌,李 俊*,劉 勇

(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院,南京 211800)

介質阻擋放電是目前常壓下最穩(wěn)定、安全且成本最低的產(chǎn)生冷等離子體的方式。為了研究其放電特性,在分析了其等效模型的基礎上,搭建了一臺高頻高壓電源,采用同軸圓筒電極結構,實驗研究了在不同電極長度以及不同輸入電壓情況下的輸出電流、電壓和放電劇烈程度等特性。實驗結果表明:電極長度相同時,輸入電壓越大,輸出電流越大,放電越劇烈;輸入電壓相同時,電極長度越長,放電劇烈程度幾乎保持不變,輸出電流越大。實驗結果符合其等效模型分析。

介質阻擋放電;放電特性;高頻高壓電源;同軸圓筒

冷等離子體技術相比于傳統(tǒng)工藝,具有成本低、安全性高、能耗低等諸多優(yōu)點,因而一直是各界研究的熱點,現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛用于國防、軍工、醫(yī)療、環(huán)保等領域[1]。產(chǎn)生冷等離子體的手段很多,可用紫外輻射、X射線、電磁場、加熱等方法。實驗室和工業(yè)產(chǎn)品大都采用電磁場激發(fā)等離子體,如直流輝光放電、射頻放電、微波放電和介質阻擋放電(DBD)等[2]。在諸多產(chǎn)生冷等離子體方式中,采用介質阻擋放電的方式最為方便簡潔,并能在常壓下穩(wěn)定均勻的產(chǎn)生冷等離子體[3]。經(jīng)過近百年年的研究,目前介質阻擋放電已經(jīng)相對成熟地應用于產(chǎn)生臭氧[4]、材料表面的處理[5]、等離子體顯示屏,不過在環(huán)境保護方面,比如汽車尾氣、工業(yè)廢氣廢水的凈化處理等方面依然還不是很成熟,還有很多問題亟需解決。為此,搭建了一臺介質阻擋放電用的20 kHz,10 kV～20 kV高頻高壓電源,采用同軸圓筒電極結構,實驗研究了在固定頻率下不同的電極長度以及不同的輸入電壓的情況下介質阻擋的放電特性。

1 高頻高壓電源原理及拓撲

高頻高壓電源是產(chǎn)生穩(wěn)定的冷等離子的關鍵,本設計采用的高頻高壓電源原理圖如圖1所示。220 V交流市電經(jīng)過整流橋得到310 V穩(wěn)定直流電壓,再經(jīng)過高頻全橋逆變得到20 kHz的占空比可變的交流方波,然后通過變比為1∶40的高頻變壓器,得到萬伏以上的高頻高壓交流電[6],將變壓器高壓側加載在介質阻擋等離子體放電管上,管內的空氣可被高頻高壓電場電離成由正離子以及自由電子組成的低溫等離子狀態(tài),并且由于介質阻擋的作用可以有效抑制起弧。

圖1 高頻高壓電源原理圖

圖1中,R1為軟啟動電阻,為了防止上電瞬間電容因沖擊電流過大而損壞,C1為穩(wěn)壓濾波電容,Cr為諧振電容,串入諧振電容能有效抑制高頻高壓變壓器漏感過大而引起的功率因數(shù)低,發(fā)熱嚴重等問題,并且轉換效率高,電磁干擾小[7]。等離子體放電管采用同軸圓筒電極結構,實物圖如圖2所示。中間絕緣介質采用玻璃,內外電極采用鋼網(wǎng)材料,外電極緊貼于絕緣玻璃管,內電極距玻璃介質大約3 mm。

圖2 等離子放電管

2 介質阻擋放電等效模型分析[8]

介質阻擋放電,顧名思義,就是在放電電極之間加入絕緣介質的一種放電形式。常壓下,當在放電電極兩端加上足夠強的交變電場時,電極之間會出現(xiàn)大量隨機分布的放電細絲,當空氣被電離時,會觀察到電極間充滿淡淡的藍光。若電極間不加入絕緣介質,則放電時,其中某一條劇烈放電的細絲會發(fā)展成電弧,從而導致其他放電細絲的熄滅,一旦起弧,則無法產(chǎn)生冷等離子體。介質阻擋放電抑制起弧的原理可以用圖3解釋,電極間氣體被擊穿之前,電極間可以等效為阻擋介質等效電容Cd以及氣隙等效電容Cg串聯(lián);擊穿之后,等效為Cg兩端并聯(lián)了一個時變電阻R(t)。所以,氣隙電容Cg兩端的電壓可以表示為:

(1)

式中:Ua,Ud分別為外加電壓以及阻擋介質兩端電壓。

圖3 DBD抑制起弧原理圖

當空氣氣隙被擊穿后,電流瞬間增大,導致阻擋介質電容間的電荷也迅速增加從而Ud迅速變大,氣隙等效電容電壓迅速下降,從而導致放電熄滅,也就抑制了電弧的產(chǎn)生。

當介質阻擋放電穩(wěn)定時,電極間相當于無數(shù)路微放電電路并聯(lián),每一路都經(jīng)歷空氣擊穿,電流急劇變大,絕緣介質阻止起弧從而放電熄滅的過程,肉眼觀察到的直觀現(xiàn)象就是電極間充滿淡淡的藍光。穩(wěn)定時的介質阻擋放電可以等效成如圖4所示的電路。

圖4 介質阻擋放電等效電路

3 控制及保護電路設計

系統(tǒng)控制核心采用TI公司的DSP28335,該芯片為TI公司的一款高性能的浮點型控制器,精度高、成本低,并且多達18路PWM輸出,用該芯片作為本系統(tǒng)的控制核心非常合適。為防止短路、全橋上下橋臂直通等意外情況,采用逐波限流控制方法,原理圖如圖5所示。逐波限流電路核心部分由LM339電壓比較器,74HC74型D觸發(fā)器以及SN74LVC1G125-Q1三態(tài)緩沖門組成。圖5中,Vin為被檢測電流經(jīng)LA205-S霍爾電流傳感器采集,再經(jīng)過采樣電阻以及調理電路得到的輸入電壓信號,Vset為設定的最大允許電流所對應的電壓閾值,PWMIN為DSP輸出的驅動全橋逆變的PWM波經(jīng)電平轉換芯片得到的0～5 V驅動信號。

圖5 逐波限流原理圖

4 占空比與輸出電壓關系分析

為研究不同電壓下的放電特性,需要變壓器高壓側得到不同電壓等級的高頻高壓電場,本設計所采取的策略是通過改變全橋逆變器的驅動信號占空比來實現(xiàn)的,測試了20%～50%之間多種占空比的放電特性,下面簡單分析20%和50%這兩種具有一般代表性的占空比與輸入電壓有效值以及輸出電壓之間的關系:

占空比為20%時全橋逆變后波形如圖6所示。圖6中,Em為市電經(jīng)二極管整流穩(wěn)壓后得到的直流側電壓,T為周期。

圖6 占空比20%時逆變輸出波形

f(t)在第1個周期內的表達式為:

(2)

將該輸入波形展開成下列形式的傅里葉級數(shù):

(3)

根據(jù)傅里葉級數(shù)基本知識可知:

(4)

經(jīng)計算得出:

(5)

當k為偶數(shù)時,顯而易見,e-jkπ-1=0,所以只考慮k為奇數(shù)時的值。

當k=1時:

即:

當k=3時:

即:

(6)

由于該信號3次及以后的高頻分量遠小于20kHz的基波含量,并且本設計中采用的高頻變壓器是定頻20kHz的變壓器,超過20kHz的高頻分量幾乎會被變壓器自身衰減殆盡,所以,變壓器低壓側輸入電壓可以約等于只含有20kHz基波分量的正弦信號,即:

(7)

Em為市電經(jīng)二極管整流穩(wěn)壓后得到的直流側電壓,約為310V,所以,該信號可以進一步表示為:

f(t)≈232sin(40 000πt)

(8)

同理,當占空比為50%時,按照上述展開方法,可以得出其傅里葉展開式:

(9)

只考慮基波分量,該信號可以表示為:

(10)

可以看出,當占空比為20%時,高頻變壓器低壓側等效輸入為峰值232V的20kHz正弦交流,而占空比為50%時,等效輸入則為峰值為395V的20kHz正弦交流,不失一般性,不難得到占空比與變壓器低壓側輸入電壓呈正相關特性,因為本設計采用的高頻變壓器變比為1∶40,所以得出低壓側等效正弦輸入關系式后再乘以40即可得到高壓側輸出電壓。

5 實驗結果及理論分析

為本研究所搭建的高頻高壓電源實驗樣機如圖7所示。整個系統(tǒng)包括整流逆變部分、高頻升壓部分、等離子放電部分、控制保護部分、控制電源部分以及散熱部分。

圖7 實驗樣機

圖8～圖11分別是全橋逆變驅動信號占空比為20%、50%,電極長度分別為5 cm、10 cm以及20 cm時的放電效果和輸出電流波形。

圖8 占空比20%電極長度5 cm時的 放電效果及輸出電流波形

圖9 占空比50%電極長度5 cm時的 放電效果及輸出電流波形

圖10 占空比50%電極長度10 cm時的 放電效果及輸出電流波形

圖11 占空比50%電極長度20 cm時的 放電效果及輸出電流波形

通過圖8和圖9的對比可以看出:當電極長度相同時,輸入電壓越高,放電效果越劇烈,對比圖9～圖11可以看出:當輸入電壓相同時,電極的長度對放電的劇烈程度幾乎沒有影響,但是輸出電流隨著電極的長度增加而增加,兩者呈現(xiàn)正相關關系。此結果符合圖4所示的介質阻擋放電等效電路,即介質阻擋放電其實就是無數(shù)路放電微電路,每一路都相當于氣隙電容并聯(lián)一個時變電阻再和阻擋介質電容串聯(lián)的阻容性電路,所以實驗效果會如圖8～圖11所示。

6 結束語

隨著技術的進步與發(fā)展,冷等離子體技術在各行業(yè)的優(yōu)勢越趨明顯,介質阻擋放電作為目前成本最低且最穩(wěn)定的冷等離子體產(chǎn)生方式,對它的研究定會愈發(fā)深入且透徹,本文在分析了介質阻擋放電等效模型的基礎上搭建了一臺高頻高壓電源實驗樣機,通過對比實驗,對介質阻擋放電產(chǎn)生冷等離子的放電特性進行了有意義的研究與分析,對今后介質阻擋放電在各行業(yè)更成熟安全的應用有著積極的指導意義。

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Study on Discharge Characteristics of Cold Plasma Generated by Dielectric Barrier Discharge

WANGQibin,LIJun*,LIUYong

(College of Electrical Engineering and Control Science,Nanjing Technology University,Nanjing 211800,China)

Dielectric barrier discharge(DBD)is currently the most stable,safe and low-cost method to produce cold plasma under atmospheric pressure. In order to study the characteristics of DBD,after the analysis of the equivalent model,built a high frequency and high voltage power supply,using coaxial cylinder electrode structure,studied the characteristics of the output current,voltage and discharge intensity at different electrode length and different input voltage. The experimental results show that:at the same electrode length,the greater of the input voltage,the greater of the output current and the discharge is more intense;at the same input voltage,the longer of the electrode length,the greater of the output current while the intensity of discharge is almost constant. The experimental results accord with the equivalent model.

dielectric barrier discharge;discharge characteristic;high frequency and high voltage power supply;coaxial cylinders

2016-04-26 修改日期:2016-07-19

TM89

A

1005-9490(2017)03-0535-05

C:2380

10.3969/j.issn.1005-9490.2017.03.004