介質(zhì)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(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211800)

介質(zhì)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(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院,南京 211800)

介質(zhì)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(chǔ)上,搭建了一臺(tái)高頻高壓電源,采用同軸圓筒電極結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)研究了在不同電極長(zhǎng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:電極長(zhǎng)度相同時(shí),輸入電壓越大,輸出電流越大,放電越劇烈;輸入電壓相同時(shí),電極長(zhǎng)度越長(zhǎng),放電劇烈程度幾乎保持不變,輸出電流越大。實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合其等效模型分析。

介質(zhì)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(shù)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(diǎn),因而一直是各界研究的熱點(diǎn),現(xiàn)如今已經(jīng)廣泛用于國(guó)防、軍工、醫(yī)療、環(huán)保等領(lǐng)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(chǎng)、加熱等方法。實(shí)驗(yàn)室和工業(yè)產(chǎn)品大都采用電磁場(chǎng)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(zhì)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(zhì)阻擋放電的方式最為方便簡(jiǎn)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(guò)近百年年的研究,目前介質(zhì)阻擋放電已經(jīng)相對(duì)成熟地應(yīng)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(guò)在環(huán)境保護(hù)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(wèn)題亟需解決。為此,搭建了一臺(tái)介質(zhì)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(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)研究了在固定頻率下不同的電極長(zhǎng)度以及不同的輸入電壓的情況下介質(zhì)阻擋的放電特性。

1 高頻高壓電源原理及拓?fù)?/h2>

高頻高壓電源是產(chǎn)生穩(wěn)定的冷等離子的關(guān)鍵,本設(shè)計(jì)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(guò)整流橋得到310 V穩(wěn)定直流電壓,再經(jīng)過(guò)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(guò)變比為1∶40的高頻變壓器,得到萬(wàn)伏以上的高頻高壓交流電[6],將變壓器高壓側(cè)加載在介質(zhì)阻擋等離子體放電管上,管內(nèi)的空氣可被高頻高壓電場(chǎng)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(zhì)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(dòng)電阻,為了防止上電瞬間電容因沖擊電流過(guò)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(guò)大而引起的功率因數(shù)低,發(fā)熱嚴(yán)重等問(wèn)題,并且轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu),實(shí)物圖如圖2所示。中間絕緣介質(zhì)采用玻璃,內(nèi)外電極采用鋼網(wǎng)材料,外電極緊貼于絕緣玻璃管,內(nèi)電極距玻璃介質(zhì)大約3 mm。

圖2 等離子放電管

2 介質(zhì)阻擋放電等效模型分析[8]

介質(zhì)阻擋放電,顧名思義,就是在放電電極之間加入絕緣介質(zhì)的一種放電形式。常壓下,當(dāng)在放電電極兩端加上足夠強(qiáng)的交變電場(chǎng)時(shí),電極之間會(huì)出現(xiàn)大量隨機(jī)分布的放電細(xì)絲,當(dāng)空氣被電離時(shí),會(huì)觀察到電極間充滿淡淡的藍(lán)光。若電極間不加入絕緣介質(zhì),則放電時(shí),其中某一條劇烈放電的細(xì)絲會(huì)發(fā)展成電弧,從而導(dǎo)致其他放電細(xì)絲的熄滅,一旦起弧,則無(wú)法產(chǎn)生冷等離子體。介質(zhì)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(zhì)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(gè)時(shí)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(zhì)兩端電壓。

圖3 DBD抑制起弧原理圖

當(dāng)空氣氣隙被擊穿后,電流瞬間增大,導(dǎo)致阻擋介質(zhì)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(dǎo)致放電熄滅,也就抑制了電弧的產(chǎn)生。

當(dāng)介質(zhì)阻擋放電穩(wěn)定時(shí),電極間相當(dāng)于無(wú)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(zhì)阻止起弧從而放電熄滅的過(guò)程,肉眼觀察到的直觀現(xiàn)象就是電極間充滿淡淡的藍(lán)光。穩(wěn)定時(shí)的介質(zhì)阻擋放電可以等效成如圖4所示的電路。

圖4 介質(zhì)阻擋放電等效電路

3 控制及保護(hù)電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)控制核心采用TI公司的DSP28335,該芯片為T(mén)I公司的一款高性能的浮點(diǎn)型控制器,精度高、成本低,并且多達(dá)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(mén)組成。圖5中,Vin為被檢測(cè)電流經(jīng)LA205-S霍爾電流傳感器采集,再經(jīng)過(guò)采樣電阻以及調(diào)理電路得到的輸入電壓信號(hào),Vset為設(shè)定的最大允許電流所對(duì)應(yīng)的電壓閾值,PWMIN為DSP輸出的驅(qū)動(dòng)全橋逆變的PWM波經(jīng)電平轉(zhuǎn)換芯片得到的0～5 V驅(qū)動(dòng)信號(hào)。

圖5 逐波限流原理圖

4 占空比與輸出電壓關(guān)系分析

為研究不同電壓下的放電特性,需要變壓器高壓側(cè)得到不同電壓等級(jí)的高頻高壓電場(chǎng),本設(shè)計(jì)所采取的策略是通過(guò)改變?nèi)珮蚰孀兤鞯尿?qū)動(dòng)信號(hào)占空比來(lái)實(shí)現(xiàn)的,測(cè)試了20%～50%之間多種占空比的放電特性,下面簡(jiǎn)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(guān)系:

占空比為20%時(shí)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(cè)電壓,T為周期。

圖6 占空比20%時(shí)逆變輸出波形

f(t)在第1個(gè)周期內(nèi)的表達(dá)式為:

(2)

將該輸入波形展開(kāi)成下列形式的傅里葉級(jí)數(shù):

(3)

根據(jù)傅里葉級(jí)數(shù)基本知識(shí)可知:

(4)

經(jīng)計(jì)算得出:

(5)

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

當(dāng)k=1時(shí):

即:

當(dāng)k=3時(shí):

即:

(6)

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

(7)

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

f(t)≈232sin(40 000πt)

(8)

同理,當(dāng)占空比為50%時(shí),按照上述展開(kāi)方法,可以得出其傅里葉展開(kāi)式:

(9)

只考慮基波分量,該信號(hào)可以表示為:

(10)

可以看出,當(dāng)占空比為20%時(shí),高頻變壓器低壓側(cè)等效輸入為峰值232V的20kHz正弦交流,而占空比為50%時(shí),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(cè)輸入電壓呈正相關(guān)特性,因?yàn)楸驹O(shè)計(jì)采用的高頻變壓器變比為1∶40,所以得出低壓側(cè)等效正弦輸入關(guān)系式后再乘以40即可得到高壓側(cè)輸出電壓。

5 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及理論分析

為本研究所搭建的高頻高壓電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)如圖7所示。整個(gè)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(hù)部分、控制電源部分以及散熱部分。

圖7 實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

圖8～圖11分別是全橋逆變驅(qū)動(dòng)信號(hào)占空比為20%、50%,電極長(zhǎng)度分別為5 cm、10 cm以及20 cm時(shí)的放電效果和輸出電流波形。

圖8 占空比20%電極長(zhǎng)度5 cm時(shí)的 放電效果及輸出電流波形

圖9 占空比50%電極長(zhǎng)度5 cm時(shí)的 放電效果及輸出電流波形

圖10 占空比50%電極長(zhǎng)度10 cm時(shí)的 放電效果及輸出電流波形

圖11 占空比50%電極長(zhǎng)度20 cm時(shí)的 放電效果及輸出電流波形

通過(guò)圖8和圖9的對(duì)比可以看出:當(dāng)電極長(zhǎng)度相同時(shí),輸入電壓越高,放電效果越劇烈,對(duì)比圖9～圖11可以看出:當(dāng)輸入電壓相同時(shí),電極的長(zhǎng)度對(duì)放電的劇烈程度幾乎沒(méi)有影響,但是輸出電流隨著電極的長(zhǎng)度增加而增加,兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系。此結(jié)果符合圖4所示的介質(zhì)阻擋放電等效電路,即介質(zhì)阻擋放電其實(shí)就是無(wú)數(shù)路放電微電路,每一路都相當(dāng)于氣隙電容并聯(lián)一個(gè)時(shí)變電阻再和阻擋介質(zhì)電容串聯(lián)的阻容性電路,所以實(shí)驗(yàn)效果會(huì)如圖8～圖11所示。

6 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展,冷等離子體技術(shù)在各行業(yè)的優(yōu)勢(shì)越趨明顯,介質(zhì)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(duì)它的研究定會(huì)愈發(fā)深入且透徹,本文在分析了介質(zhì)阻擋放電等效模型的基礎(chǔ)上搭建了一臺(tái)高頻高壓電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī),通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn),對(duì)介質(zhì)阻擋放電產(chǎn)生冷等離子的放電特性進(jìn)行了有意義的研究與分析,對(duì)今后介質(zhì)阻擋放電在各行業(yè)更成熟安全的應(yīng)用有著積極的指導(dǎo)意義。

[1] 郭儉. 低溫等離子體殺菌機(jī)理與活性水殺菌作用研究[D]. 浙江大學(xué),2015.

[2] 孟月東,鐘少鋒,熊新陽(yáng). 低溫等離子體技術(shù)應(yīng)用研究進(jìn)展[J]. 物理,2006,35(2):140-146.

[3] 李清泉,郝玲艷. 沿面介質(zhì)阻擋放電等離子體及其應(yīng)用[J]. 高電壓技術(shù),2016(4):1079-1090.

[4] Alonso J M,Calleja A J,Ribas J,et al. Analysis and Design of a Low-Power High-Voltage High-Frequency Power Supply for Ozone Generation[C]//Industry Applications Conference,2001. Thirty-Sixth IAS Annual Meeting.Conference Record of the 2001 IEEE. 2001,(4):112-115.

[5] 馬云飛,章程,李傳揚(yáng). 重頻脈沖放電等離子體處理聚合物材料加快表面電荷消散的實(shí)驗(yàn)研究[J]. 中國(guó)電機(jī)工程學(xué)報(bào),2016(6):1731-1738.

[6] 廖谷然,楊北革,薛輝. 大功率靜電除塵用高頻高壓電源的研制[J]. 電子器件,2013,36(3):397-400.

[7] 張文利,彭燕昌,孫廣平. 高壓開(kāi)關(guān)電源的研制[J]. 高電壓技術(shù),2002,11:36-37.

[8] 王新新. 介質(zhì)阻擋放電及其應(yīng)用[J]. 高電壓技術(shù),2009(1):1-11.

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