介质阻挡激发冷等离子体的放电特性研究

王其斌,李 俊,刘 勇

(南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京 211800)

介质阻挡激发冷等离子体的放电特性研究

王其斌,李 俊*,刘 勇

(南京工业大学电气工程与控制科学学院,南京 211800)

介质阻挡放电是目前常压下最稳定、安全且成本最低的产生冷等离子体的方式。为了研究其放电特性,在分析了其等效模型的基础上,搭建了一台高频高压电源,采用同轴圆筒电极结构,实验研究了在不同电极长度以及不同输入电压情况下的输出电流、电压和放电剧烈程度等特性。实验结果表明:电极长度相同时,输入电压越大,输出电流越大,放电越剧烈;输入电压相同时,电极长度越长,放电剧烈程度几乎保持不变,输出电流越大。实验结果符合其等效模型分析。

介质阻挡放电;放电特性;高频高压电源;同轴圆筒

冷等离子体技术相比于传统工艺,具有成本低、安全性高、能耗低等诸多优点,因而一直是各界研究的热点,现如今已经广泛用于国防、军工、医疗、环保等领域[1]。产生冷等离子体的手段很多,可用紫外辐射、X射线、电磁场、加热等方法。实验室和工业产品大都采用电磁场激发等离子体,如直流辉光放电、射频放电、微波放电和介质阻挡放电(DBD)等[2]。在诸多产生冷等离子体方式中,采用介质阻挡放电的方式最为方便简洁,并能在常压下稳定均匀的产生冷等离子体[3]。经过近百年年的研究,目前介质阻挡放电已经相对成熟地应用于产生臭氧[4]、材料表面的处理[5]、等离子体显示屏,不过在环境保护方面,比如汽车尾气、工业废气废水的净化处理等方面依然还不是很成熟,还有很多问题亟需解决。为此,搭建了一台介质阻挡放电用的20 kHz,10 kV～20 kV高频高压电源,采用同轴圆筒电极结构,实验研究了在固定频率下不同的电极长度以及不同的输入电压的情况下介质阻挡的放电特性。

1 高频高压电源原理及拓扑

高频高压电源是产生稳定的冷等离子的关键,本设计采用的高频高压电源原理图如图1所示。220 V交流市电经过整流桥得到310 V稳定直流电压,再经过高频全桥逆变得到20 kHz的占空比可变的交流方波,然后通过变比为1∶40的高频变压器,得到万伏以上的高频高压交流电[6],将变压器高压侧加载在介质阻挡等离子体放电管上,管内的空气可被高频高压电场电离成由正离子以及自由电子组成的低温等离子状态,并且由于介质阻挡的作用可以有效抑制起弧。

图1 高频高压电源原理图

图1中,R1为软启动电阻,为了防止上电瞬间电容因冲击电流过大而损坏,C1为稳压滤波电容,Cr为谐振电容,串入谐振电容能有效抑制高频高压变压器漏感过大而引起的功率因数低,发热严重等问题,并且转换效率高,电磁干扰小[7]。等离子体放电管采用同轴圆筒电极结构,实物图如图2所示。中间绝缘介质采用玻璃,内外电极采用钢网材料,外电极紧贴于绝缘玻璃管,内电极距玻璃介质大约3 mm。

图2 等离子放电管

2 介质阻挡放电等效模型分析[8]

介质阻挡放电,顾名思义,就是在放电电极之间加入绝缘介质的一种放电形式。常压下,当在放电电极两端加上足够强的交变电场时,电极之间会出现大量随机分布的放电细丝,当空气被电离时,会观察到电极间充满淡淡的蓝光。若电极间不加入绝缘介质,则放电时,其中某一条剧烈放电的细丝会发展成电弧,从而导致其他放电细丝的熄灭,一旦起弧,则无法产生冷等离子体。介质阻挡放电抑制起弧的原理可以用图3解释,电极间气体被击穿之前,电极间可以等效为阻挡介质等效电容Cd以及气隙等效电容Cg串联;击穿之后,等效为Cg两端并联了一个时变电阻R(t)。所以,气隙电容Cg两端的电压可以表示为:

(1)

式中:Ua,Ud分别为外加电压以及阻挡介质两端电压。

图3 DBD抑制起弧原理图

当空气气隙被击穿后,电流瞬间增大,导致阻挡介质电容间的电荷也迅速增加从而Ud迅速变大,气隙等效电容电压迅速下降,从而导致放电熄灭,也就抑制了电弧的产生。

当介质阻挡放电稳定时,电极间相当于无数路微放电电路并联,每一路都经历空气击穿,电流急剧变大,绝缘介质阻止起弧从而放电熄灭的过程,肉眼观察到的直观现象就是电极间充满淡淡的蓝光。稳定时的介质阻挡放电可以等效成如图4所示的电路。

图4 介质阻挡放电等效电路

3 控制及保护电路设计

系统控制核心采用TI公司的DSP28335,该芯片为TI公司的一款高性能的浮点型控制器,精度高、成本低,并且多达18路PWM输出,用该芯片作为本系统的控制核心非常合适。为防止短路、全桥上下桥臂直通等意外情况,采用逐波限流控制方法,原理图如图5所示。逐波限流电路核心部分由LM339电压比较器,74HC74型D触发器以及SN74LVC1G125-Q1三态缓冲门组成。图5中,Vin为被检测电流经LA205-S霍尔电流传感器采集,再经过采样电阻以及调理电路得到的输入电压信号,Vset为设定的最大允许电流所对应的电压阈值,PWMIN为DSP输出的驱动全桥逆变的PWM波经电平转换芯片得到的0～5 V驱动信号。

图5 逐波限流原理图

4 占空比与输出电压关系分析

为研究不同电压下的放电特性,需要变压器高压侧得到不同电压等级的高频高压电场,本设计所采取的策略是通过改变全桥逆变器的驱动信号占空比来实现的,测试了20%～50%之间多种占空比的放电特性,下面简单分析20%和50%这两种具有一般代表性的占空比与输入电压有效值以及输出电压之间的关系:

占空比为20%时全桥逆变后波形如图6所示。图6中,Em为市电经二极管整流稳压后得到的直流侧电压,T为周期。

图6 占空比20%时逆变输出波形

f(t)在第1个周期内的表达式为:

(2)

将该输入波形展开成下列形式的傅里叶级数:

(3)

根据傅里叶级数基本知识可知:

(4)

经计算得出:

(5)

当k为偶数时,显而易见,e-jkπ-1=0,所以只考虑k为奇数时的值。

当k=1时:

即:

当k=3时:

即:

(6)

由于该信号3次及以后的高频分量远小于20kHz的基波含量,并且本设计中采用的高频变压器是定频20kHz的变压器,超过20kHz的高频分量几乎会被变压器自身衰减殆尽,所以,变压器低压侧输入电压可以约等于只含有20kHz基波分量的正弦信号,即:

(7)

Em为市电经二极管整流稳压后得到的直流侧电压,约为310V,所以,该信号可以进一步表示为:

f(t)≈232sin(40 000πt)

(8)

同理,当占空比为50%时,按照上述展开方法,可以得出其傅里叶展开式:

(9)

只考虑基波分量,该信号可以表示为:

(10)

可以看出,当占空比为20%时,高频变压器低压侧等效输入为峰值232V的20kHz正弦交流,而占空比为50%时,等效输入则为峰值为395V的20kHz正弦交流,不失一般性,不难得到占空比与变压器低压侧输入电压呈正相关特性,因为本设计采用的高频变压器变比为1∶40,所以得出低压侧等效正弦输入关系式后再乘以40即可得到高压侧输出电压。

5 实验结果及理论分析

为本研究所搭建的高频高压电源实验样机如图7所示。整个系统包括整流逆变部分、高频升压部分、等离子放电部分、控制保护部分、控制电源部分以及散热部分。

图7 实验样机

图8～图11分别是全桥逆变驱动信号占空比为20%、50%,电极长度分别为5 cm、10 cm以及20 cm时的放电效果和输出电流波形。

图8 占空比20%电极长度5 cm时的 放电效果及输出电流波形

图9 占空比50%电极长度5 cm时的 放电效果及输出电流波形

图10 占空比50%电极长度10 cm时的 放电效果及输出电流波形

图11 占空比50%电极长度20 cm时的 放电效果及输出电流波形

通过图8和图9的对比可以看出:当电极长度相同时,输入电压越高,放电效果越剧烈,对比图9～图11可以看出:当输入电压相同时,电极的长度对放电的剧烈程度几乎没有影响,但是输出电流随着电极的长度增加而增加,两者呈现正相关关系。此结果符合图4所示的介质阻挡放电等效电路,即介质阻挡放电其实就是无数路放电微电路,每一路都相当于气隙电容并联一个时变电阻再和阻挡介质电容串联的阻容性电路,所以实验效果会如图8～图11所示。

6 结束语

随着技术的进步与发展,冷等离子体技术在各行业的优势越趋明显,介质阻挡放电作为目前成本最低且最稳定的冷等离子体产生方式,对它的研究定会愈发深入且透彻,本文在分析了介质阻挡放电等效模型的基础上搭建了一台高频高压电源实验样机,通过对比实验,对介质阻挡放电产生冷等离子的放电特性进行了有意义的研究与分析,对今后介质阻挡放电在各行业更成熟安全的应用有着积极的指导意义。

[1] 郭俭. 低温等离子体杀菌机理与活性水杀菌作用研究[D]. 浙江大学,2015.

[2] 孟月东,钟少锋,熊新阳. 低温等离子体技术应用研究进展[J]. 物理,2006,35(2):140-146.

[3] 李清泉,郝玲艳. 沿面介质阻挡放电等离子体及其应用[J]. 高电压技术,2016(4):1079-1090.

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[6] 廖谷然,杨北革,薛辉. 大功率静电除尘用高频高压电源的研制[J]. 电子器件,2013,36(3):397-400.

[7] 张文利,彭燕昌,孙广平. 高压开关电源的研制[J]. 高电压技术,2002,11:36-37.

[8] 王新新. 介质阻挡放电及其应用[J]. 高电压技术,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