（电力电子与电力传动专业论文）dbd介质阻挡放电电源工程化研究.pdf

浙江人学硕i 。学位论文 a b s t r a c t a b s t r a c t p o w e re l e c t r o n i c s a p p l i e d i n p l a s m at e c h n o l o g y u t i l i z e se l e c t r o n i c s d e v i c e st oc o n t r o le l e c t r i c a lp o w e rc o n v e r s i o n e l e c t r i c a ie n e r g yi st r a n s f e r r e d t ok i n e t i c ，p h o t i c ，c h e m i c ，t h e r m a le n e r g yt h r o u g hp l a s m am e d i u m b e c a u s e d b d ( d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ) h a sg r e a ta d v a n t a g e s u c ha s i a r g ea r e aa n d s t a b l ep l a s m ap r o d u c t i o n i th a sb e e nw i d e l yu s e di ni n d u s t r ya p p l i c a t i o n t h i sp a p e rf o c u so nt h es t u d yo fp r a c t i c a la p p l i c a t i o no fd b d t y p eh i g h f r e q u e n c yp o w e rs u p p l y t h er e s e a r c hc o n t e n tb a s i c a l l yi n c l u d e st h r e er e s p e c t s w h i c ha r el c a d c h a r a c t e r i s t i c m a i nc i r c u i t t o p o l o g y a sw e l ia sc o n t r o ls c h e m e l o a d c h a r a c t e r i s t i cc o n s i s t so f p h y s i c sd e s c r i p t i o n a n dm a t h e m a t i c a n a l y s i s p h y s i c sd e s c r i p t i o ni i l u s t r a t e sv i v i di m a g e o fd i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i cb a s e do n o b s e r v a t i o no fe x p e r i m e n tp h e n o m e n o na n dd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g et h e o r y f r o ms i m p l et oc o m p l e x 。c a p a c i t a n c ec o n s t a n td i s c h a r g ev o l t a g em o d e la n d i n d u c t a n c ec a p a c i t a n c ec o n s t a n td i s c h a r g ev o l t a g em o d e lh a v eb e e ns t u d i e d r e s p e c t i v e l y p s p i c em e t h o dd o e sag r e a td e a ig o o dt oa n a l y s i st h em o r e c o m p l e xm o d e l a c c o r d i n gt os i m u l a t i o nr e s u l t e l e c t r i c a lc h a r a c t e r i s t i co fd b d i c a dh a sb e e ni n d u c e da n do p t i m i z e dw o r k i n gp o i n th a sb e e nd e t e r m i n e d t h e nt h i sp a p e ri n t r o d u c e sg e n e r a l l yw o r k i n gp r i n c i p l eo fn o n b r i d g ea n d b r i d g et o p o l o g y s e v e r a ib a s i cc o n t r o is c h e m e s ，s u c ha sp f m ，p d m ，p w m ， p a m ，a r ec o n s i d e r e dt h r o u g hs i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tm e t h o d ，w h i c hm a k e s l tq u i t ec l e a rt h a tp a m p f mi sf i t f u if o rt h ei a r g ep o w e rd b d h i g hf r e q u e n c y d i s c h a r g ep o w e rs u p p l y w o r k i n gs e q u e n c eo fp a m & p f mf r e q u e n c yt r a c k i n g a n dp h a s ei o c k e dp r i n c i p l eh a sb e e ng i v e n t h i sk i n do fc o n t r o lm e t h o de n a b l e t h em a x i m u m p o w e ro u t p u tp r o v i d e dt h a tp o w e rs u p p l yi sw o r k i n gu n d e rg o o d c o n d i t i o n f i n a l l y , d e s i g n c o n s i d e r a t i o nh a sb e e ng i v e no nt h e2 0 k wc o n t r o l l e d r e c t i f i e rf u l lb r i d g ei n v e r t e rh i g h f r e q u e n c yh i g hv o l t a g ed i s c h a r g ep o w e rs u p p l y a p p l i e di nt h ep l a s t i cs u r f a c et r e a t m e n tp r o d u c t i o ni i n e t h i sp o w e rs u p p l yh a s a d v a n t a g e so fl a r g ep o w e r , h i g hc o n t r o la b i l i t y h i g hf u n c t i o np r i c er a t i o ，h i g h r e l i a b i l i t y t h e f i n a i p a s s a g e i n t r o d u c e st h em a i nc i r c u i t d e s i g n f i l t e r i n d u c t a n c ed e s i g n ，t r a n s f o r m e rd e s i g n 。d cb l o c k i n g c a p a c i t o rs e l e c t i o n s o f t - s w i t c h i n gd e s i g na n di m p l e m e n t a t i o na sw e l ia sm a s t e rc o m p u t e rb a s i c c o n t r o lo fd i s c h a r g ep o w e rs u p p l y e x p e r i m e n tr e s u l t sp r o v et h ev a l i d i t yo f t h e o r yp r e d i c t i o n k e y w o r d s ：p l a s m ad b d ( d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ) l o a dc h a r a c t e r i s t i c d i s c h a r g ep o w e rs u p p l yp l a s t i c s ur f a c et r e a t m e n t p a m p f m 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 等离子体技术包含电气，力学，热学，光学，化学等内容，涉及到多个学科 的交叉与综合，有着广泛的应用。 1 1 等离子体与介质阻挡放电【】 等离子体是由大量的自由电子和离子组成，且在整体上表现为近似电中性的 电离气体，是物质存在的又一种聚集态。 只要使每个粒子中电子的动能超过定程度，原子则因失去电子而成为带正 电的离子，这个过程称为电离。 当气体中足够多的原子被电离后，这种电离的气体已不是原来的气体，而转 化成为新的物态一等离子态。等离子态中包括三种粒子，即电子，正离子和中性 粒子。 电离度为电子密度与电子密度加中性粒子密度之比，表示等离子体的电离程 度。当电离度为1 ，即等离子体内无中性粒子时，称为完全电离等离子体。当电 离度大于1 0 。2 时称为强电离等离子体。当电离度小于1 0 2 时称为弱电离等离子 体。 等离子体具有如下独特的物理化学性质。第一，温度高，粒子动能大。第二， 作为带电粒子的集合体，具有类似金属的导电性能。第三，化学性质活泼，容 易发生化学反应。第四，具有发光特性。 因为等离子体具有以上性质，从而有其相对应的应用。 如图1 1 所示，把等离子体的应用按领域划分为能源，环境和材料三个部分。 能源领域应用指的是等离子体可以用于能量的产生与转换。环境领域应用指的 是等离子体可以用来净化空气，处理垃圾，废水，改善环境【1 4 】。材料领域应用 指的是等离子体可以用来加工合成和改善各种材料。 当电子温度，正离子温度，和中性粒子温度相等的时候，称为热平衡等离子 体( 热等离子体) 。当电子温度远大于中性粒子温度的时候，称为低温等离子体。 实际中应用较多的是低温等离子体。产生低温等离子体的方法包括加热和放电两 种方法。放电法相对于加热法具有更高的效率。在众多放电法中，d b d 介质阻 挡放电方法中因为介质的阻挡作用，产生的低温等离子体面积大且非常稳定，很 适合工业应用。 d b d 介质阻挡放电法包括直流放电和交流放电。在某些应用领域，直流放 电会使放电电极产生一定的物质沉积，影响放电效果，而交流放电因为交变电压 的作用，不会产生直流放电中的定向沉积，因此在此种领域内交流放电具有更多 的应用价值。 浙江大学硕士学位论文第一幸绪论 圈1 - 等离子体的应用 1 2 国内外放电电源研究状况分析 目前国内外研究表明适合介质阻挡放电的电源包括工频电源，中频电源和高 频电源三类。研究热点主要集中于高频交流电源，研究包括两个方面的内容。一 个是研究合适的拓扑，另一个是研究合适的控制方法。拓扑研究有很强的应用背 景，主要研究对象是较为成熟的桥式拓扑，分为电流型拓扑和电压型拓扑两大类。 译。醉u 图1 - 2d b d 电压型放电电源主电路拓扑 图1 2 是电压型桥式拓扑，它的特点是直流侧为稳定的直流电压，经过桥式 2 渐江人学硕士学位论文 第一章绪论 逆变器输出方波电压，开关并有旁路二极管，凶此具有单向阻断和双向载流能力， 短路及直通保护困难，开路保护容易。 负载侧串联有电感，与容性等效放电电 容在交变电压下形成串联谐振。 泌l 滞 图1 - 3d b d 电流型放电电源主电路拓扑 图1 3 是电流型桥式拓扑，它的特点是在直流侧有一个数值很大的滤波电 感，在滤波电感的作用下，变流器的输入可近似的认为是恒定的电流源。开关串 联有二极管，从而具备了反向阻挡的能力，因此具备双向耐压，单向载流能力。 电流型桥式变流器短路直通保护容易，开路保护困难。负载侧并有电感，该电感 与容性负载等效电容在交变电流激励下形成并联谐振。 在控制方面，研究的主要思路是将各种控制方法综合起来，以获得较好的效 果。图1 4 为西班牙研究入员所采用的多环控制控制框图【5 j 。 图t - 4p f m 多环控制框图 控制的核心部件是压控振荡器( v c o ) ，主要是采用调频的方式进行调节功 率电压电流等输出量。最上面的一1 环为电压环，经过峰值检测之后与给定电压 做比较。下面一环是相位控制环，通过相位检测与相角给定做差，然后经过p i d 调节后与电压给定值做差。最下面一环为电流控制环。电流通过r s 检测之后与 3 浙江人学硕士学位沦文第一幸绪论 电流给定值做差，后经p i d 与电压给定比较。诸多环最终控制信号经过p i d 修 i f 输出电压信号控制压控振荡器，控制开关的工作频率，从而进行电压电流功率 相位调节。各个控制量都具备了自我调节的能力是多环控制的一大特征。 还有就是将适合于全桥的各种调功方法结合起来【6 - 1 2 1 。图1 5 上图所示为 基本的脉冲密度p d m 控制输出波形，p d m 简而言之就是变流器某个时间工作， 另外时间不工作。图1 5 下图表示将脉冲密度调制p d m 与脉冲宽度调制p w m 结合起来。p w m 占空比在某个区间段内较大，在另一个区间段内较小，随时间 呈现周期性的变化。如果考虑到负载的谐振频率随p w m 占空比变化的特点，还 需加入p f m 控制。从而将是p w m & p d m p f m 综合控制。 图1 - 5p d m & p w m 原理示意图 以上两种思路的共同特点是将不同的控制方式进行综合，从而具有更强的控 制能力。然而都要以电路的复杂程度增加为代价。 具体的整体评估，控制方法是否具有最终的应用价值还需要由实验加以检 验。 从控制的实现方式上，随着数字信号电路抗干扰能力增强，将d s p 引入高 频放电电源也是一个趋势。 目前世界上有关d b d 介质阻挡放电电源的，家主要包括德国s o f t a l 公司 和英国舒曼公司等。 1 3 课题意义和完成的主要工作 本课题是浙江大学和江苏菜公司合作的横向项目。设计出的放电电源将用于 塑料表面加工生产线上。 d b d 介质阻挡放电电源如果功率大，就能适应宽度、厚度大，生产速度快 的塑料薄膜的处理需求；如果工作频率高，在相同的功率下，处理的效果比低频 下处理的效果更好，能极大的提高生产效率。在国内该种放电电源功率普遍彳i 大。 从而需要依赖固夕 进口。而进口机器的价格昂贵，生产厂+ 家都不能承受。因此， 对于陶内而言，大功率、高频率的d b d 介质阻挡放电电源有着广阔的市场前景。 本文完成的工作主要表现在： 1 ) 从实验观察出发，给予d b d 介质阻挡放电较为清晰的物理描述。 4 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 2 )做了相当数量的仿真，并对仿真结果进行统计分析，得出了d b d 介 质阻挡放电的基本运行特征。从理论上确定了d b d 工程化中的最佳 工作点。 3 )分析了桥式和非桥式拓扑，以及各种控制方法。部分工作集中于p d m 控制的仿真与实验上。最终确定了d b d 工程化大功率应用中的全桥 逆变拓扑为主电路拓扑，p a m & p f m 控制方法为主要的控制方法 4 )完成了2 0 k w 的全桥逆变电源样机的制作与调试。文中给出了主要的 设计方法与实验结果。 d b d 放电电源的主要设计技术目标如下： 输入：a c 三相3 8 0 v 1 5 ，5 0 h z ； 输出：a c 单相电压1 0 k v ： 频率：2 0 k h z ，功率0 2 0 k w 连续可调： 保护功能：三相缺相错相，输入过压，输出过压、过流( 包括短路) ，电晕棍 零速度( 滚筒停转保护) ，放电架开启，装置内部过温； 报警功能：无功率输出或故障时控制电路有故障信号输出并接通声、光报警； 面板显示功能：面板上有输入电压，输出功率，频率，有功功率等数码显示； 时问锁的功能：保护用户和生产者的合法权益： 本章小结； 本章作为本篇论文的绪论，首先介绍了现在非常热门的等离子体技术方面的 基本概念。因为d b d 介质阻挡交流放电所产生的低温等离子体具有面积大，稳 定且效率高的优点，从而尤其适合工业应用。接下来介绍了国内外对于d b d 放 电电源的研究。因为该电源具有较强的工业应用背景，拓扑仍然是较为成熟的拓 扑，控制方案研究则是趋于多环控制和p d m p w m p f m 综合控制的研究。之 后，简要介绍了课题的意义和本文所做的工作以及项目相关的设计指标。 5 浙江大学硕十学位论文第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 如前所述，d b d 介质阻挡放电有很多的工程应用，相应的大功率放电电源 也会有很好的市场。然而d b d 负载特性却是不易把握。为了深入了解d b d 负 载特性，本章将依次从实验观察物理描述开始，进而采用数学分析，仿真实验与 数理统计的方法逐步的对d b d 负载特性进行较为细致的研究，从而为高效率电 源设计打下较为坚实的基础。 2 1d b d 介质阻挡放电负载特性物理描述 2 1 1 介质阻挡放电定义 介质阻挡放电是有绝缘介质插入放电空间的一种气体放电，这种放电从微观 上是由大量细微的快脉冲放电通道构成的，从宏观上则表现的均匀、漫散和稳定。 该种放电最终结果可以获得大面积的无火花放电的稳定流柱电晕。 2 1 2 介质阻挡放电形成过程闭 放电总是在电场极不均匀的情况下，在电场最强点发生。 电子一如既往在这一过程中，发挥着主要作用。 在最初时刻，电子从# l - j 1 电场中获得能量，与周围原子( 分子) 碰撞，把自身 的能量转移给它们，使它们激发电离，产生电子雪崩。 电子雪崩通过放电气隙的过程中出现了相当数量的电荷，它们聚集在雪崩头 部产生的本征电场( 自感电场) ，进一步加速高能电子，同时，被电离的原子和分 子向阴极传播，从而形成导电通道，导电通道通过放电气隙，形成气体击穿。 因为导电通道一般较窄，成细丝状，所以放电电流也呈现为细丝状电流。 这种细丝状放电时间非常短促，因为放电电流携带的电荷会在介质表面局部 积累形成反电场，削弱外加电场，甚至削弱到零，从而中断了放电电流。 一处放电电流中止，另一处又再产生。由于介质的绝缘作用，微放电细丝能 够彼此独立的发生在很多位置。 单个微放电细丝如图2 - 2 ( a ) 所示。它为圆柱形结构，半径约为o 1 m m 左右， 在介质表面上扩散成表面放电，呈明亮的斑点。 单个微放电的组合形貌会因为放电电极结构的不同而不同。 2 1 3 d b d 介质阻挡放电电极结构与放电形貌 图2 1 中列出工业界应用较广的三种介质阻挡放电电极结构。 图2 1 ( a ) 中所示多点对平板电极，常用于工业脱硫，脱硝。将多点中的一点 取出，变为针状电极对平板电极放电，其放电形貌如图2 - 2 ( b ) 所示。 图2 1 ( b ) ( c ) 中所示电极分别应用于臭氧发生器畔】和塑料薄膜处理之中。他 们放电电极的阴极都是圆弧曲面，放电形貌如图2 - 2 ( c ) 所示。图2 3 是d b d 塑 6 浙江大学硕士学位论文 第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 料薄膜电晕处理放电照片。 a bc 图2 - 1 典型工业应用的d b d 电极结构 胍 bc 图2 - 2d b d 放电形貌圈2 - 3d b d 放电照片 2 1 4 放电电极转动与否对于放电状况的影响 影响放电过程的因素有放电电压幅值与频率，放电电极间距【1 剐，气体的压 强，还有就是放电电极和空气介质的相对运动。 放电电极转动与否对于放电状况的影响在工频放电电源对塑料薄膜电晕处 理负载进行实验过程中得到很好的体现。实验中采用的装置和设备如图2 4 所 示。放电采用多条阳极对圆柱形阴极结构。阳极采用多条形结构可以降低放电起 始电压的幅值。阴极为圆柱体结构，圆柱体通过传动带和电动机的转轴相连。圆 柱体长1 6 0 c m ，表面有一层绝缘介质覆盖。介质层厚度为3 m m ，采用这一厚度 是为了确保在高电压下不被击穿。放电间隙为4 m m ，可确保应用于工业实际。 放电产生的臭氧通过换气扇排出室外。放电高压通过高压探头来测量，高压探头 7 -_a 浙江大学硕十学位论文 第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 型号为：p i v i k 一1 4 k v a c 。通过放电负载和地之间串联的测量电阻来对放电电流 波形进行测量，测量电阻阻值为1 6 q 。实验中采用的示波器型号为：t d s 2 2 0 。 工频高压电源采用交流调压器直接和工频升压变压器相连，工频升压变压器变比 为1 ：1 0 0 。 示波器 图2 4 工频实验电路示意图 图2 - 5 阴极静止时的电压和电流波形图2 - 6 阴极转动时的电压和电流波形 图2 5 与图2 6 分别给出阴极静止时和转动时放电电压和放电电流，从对 比中可以看到，他们有相同点，又有不同之处。相同点是频率幅值相等的放电 电压，放电电流在负半周均为工频脉冲电流。其不同点主要体现在两个方面，阴 极静止时，放电电流正半周期有很强的振荡，而负半周期没有。当阴极转动起来 后，这一振荡过程消失，同时相对于阴极静止时较为明显的阻性特征，即电压与 电流在一段时间内基本同相，阴极转动后，负载容性程度明显增强。 其原因解释如下： 8 浙江入学硕士学位论文第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 当阴极静止时，因放电形成而积累在介质表面的电荷，因为胶皮介质的绝缘 作用无法在胶皮介质表面给转移走，从而不得不通过胶皮内部因高压产生的漏电 流进行某种程度的中和。这种中和现象叠加在放电电流上，产生强烈的振荡现 象。当阴极转动时，介质表面积累的电荷会因为与空气产生相对的运动而与空气 中的带电粒子产生中和，并不对放电电流产生影响。同时，一方面由于介质的等 效电容本身较小，又由于阴极静止时，胶皮内部的漏电流的产生，使得其储存电 荷的能力下降，容性特性基本消失，电压电流在上升阶段基本同相。 当阴极转动时由于空气中和了部分电荷，胶皮介质能够存储部分电荷，从而 恢复了容性特性，表现在电流在相位上超前电压。 阴极转动与否对于放电的影响有其实际的意义。如果介质之间没有相对运 动，那末长时间放电的能量将会使绝缘介质烧毁。从而，在塑料薄膜处理放电电 源设计中，需要额外增加一个阴极滚筒停转保护。在臭氧发生器设计中也同样需 要空气的流动和水冷散热处理。 阴极转动鞘投静止 放电 擀 m 众。l 电压 幅值 6 0 0 0 v i ：i 口”w 放电 蝴 c ! i m 厶 电压 幅值 8 0 0 0 v ! 腰“1 w 1 放电 睫 风 电压 v 讲 幅值 1 0 0 0 0 v 图2 7 阴极转动与否造成的放电模式切换实验现象 图2 7 分别给出不同电压情况下，因为阴极转动与停- i 上= 造成的放电模式的 切换。说明这一现象在工频各种电压情况下普遍存在。 同时可以观察到随着电 压的上升，负载容性也逐渐增强。 需要说明的是，因为实验中的变压器与塑料薄膜处理负载没有进行很好的匹 9 浙江大学硕+ 学位论文第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 配，放电电流波形并不理想，这里仅仅就其阴极转动与否对于放电影响所表现出 来的特征做一个说明。从而在感性上了解d b d 放电的一些基本的特性。 在对这些基本特性的了解基础之上，接下来进行d b d 介质阻挡放电的数学 分析。 2 2d b d 介质阻挡放电数学分析 2 2 1d b d 介质阻挡放电数学模型 数学分析前提，是对于负载有一个数学模型。在工程应用里面，需要建立的 数学模型包括等效电路模型以及与其相对应的微分方程，状态方程等内容。 下面就电路模型建立方面的问题加以论述。 阳极 离子柱 介质 阴极 图2 - 8d b d 介质阻挡放电示意图 图2 8 展示了负载放电开始时的物理情景。上面是阳极，下面是阴极，阴 极上面有一层介质，当放电发生的时候，空气被击穿，等离子柱产生，成细丝状， 但是由于放电开始时，所流过等离子柱的电流较小，这种细丝状的等离子放电柱 的数目不多，零散的分布于阳极与阴极之间。 f 1f if n 图2 - 9 d b d 分布参数模型 图2 9 试图采用分布参数的方法描述d b d 放电负载的等效电路。 这里将阳极与介质，介质与阴极之间的电容分别用一个个分立的小电容( c d i 和c g i ) 来表示，# i , d n 电压上升的时候，由于负载放电电极的物理几何的不均匀性 导致在某些位置产生放电现象，形成等离子柱。从而这些位置的等效电容将被 屏蔽，而由稳压电源来表示。 注意到这样一。个事实，阳极为金属电极，从而上面的电位相同，一旦放电 1 0 浙江人学硕士学位论文第二章d b d 彳r 质阻挡放电负载特性的研究 发生，上面储存的电荷将通过放电通道，即等离子柱流出，从而失去了容性特性， 也就是说所有分布电容将被屏蔽掉，从而可以有用集中参数描述来替代分布参数 描述。集中参数描述如图2 1 0 所示。 7 c 。卜 一 - 【 一 lj l -_ _ jlj c d2 - v d 图2 - 1 0d b d 集总参数模型 采用集总参数的方法，将介质阻挡放电负载从整体上等效的看成是阻挡介质 等效电容c d 和放电气隙等效电容c g 相串联。 c d = c d l + c d 2 + + c d i + + c d n ( n 趋于无穷) c g = c 9 1 + c 9 2 + + c g i - t - + c g n( n 趋于无穷)( 2 1 ) 放电开始后，放电间隙表现为等离子的恒压特性，该特性用气隙等效电容旁 边并联二极管整流桥后接稳压电源v d 来表示。这个等效电路模型主要表现为电 容特性和稳压源特性，从而将其简称为电容稳压模型。从这个模型可以看出，它 包括两个储能环节和一个开关环节。开关环节的动作唯一的决定于相并联电容两 端的电压，丌关动作发生时刻对应于放电开始时刻，开关动作完成之后，一个储 能环节将不再作用，其两端维持恒定的电压。 2 2 2 电容稳压模型的电气特性阁 在电容稳压模型的基础上，研究其电气特性。 对于一般的特性研究，其输入激励电压均采用标准正弦u ( t ) = v s i n ( o j t ) ，其 中v 。是正弦波的幅值，t o 是正弦波的角频率，山= 2 兀f ，f 是正弦波的振荡频率。 图2 1 1 表示在正弦激励电压的作用下，电容稳压模型负载的电压电流之间 的关系。 为了简单起见首先明确讨论范围为电角度【一兀，2 ，兀，2 】。 在这个周期内，可分为放电阶段和非放电两个阶段。( 加，o j t l ) 为非放电阶 段，从而电容稳压模型就变为两个电容相串联的电容模型，其总的等效电容c 为 1 1 浙江大学硕十学位论文第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 r 、c d c g c d + c g ( 2 - 2 ) 、 v m二 7 。9 w ，。w 多1 - - 鳖谳 、 ?n毳沙0 “a ， p 、 化 一 、 - v m 图2 - 1 1 介质阻挡放电电压电流关系图 在正弦波电压u ( t ) = v j s i n ( o _ ) t ) 的激励下，流过两个等效电容的电流相等 其大小为 ”) 刈) _ c 警叱舭。s ( ( 2 - 3 ) 从而空气介质一j _ 二的电压可以经过对流过上面的电流进行积分， 到，即e ) t = 一兀，2 时，u g ( t ) = - v d 。即 u g ( t ) _ 矗删) + 矗v m v d 然后带入初值得 ( 2 - 4 ) 联立输入电压和响应电流的表达式，消去参数t ，得到一个椭圆。 可u 2 ( t ) + 瓦i 2 丽( t ) = 1 ( 2 5 ) v m 2 。( v m ( o c ) 2 。 + 叫 当气隙两端的电压大于放电维持电压v d 时，即在( 山t 1 ，兀，2 ) 时间段内气体开 始放电，电容稳压模型里的稳压源开始作用，电容c 。被稳压源屏蔽，不再作用。 此时 u g = v d( 2 - 6 ) 从而电流 ”) = i 2 ( t ) - c d 警= v m 蛾c 。s ( ( 2 _ 7 ) 联立输入电压和响应电流方程，并消去参数t ，得到放电阶段电压电流得关 1 2 浙江大学硕上学位论文 第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 系为 v u 2 ( t ) i 2 ( t ) 1 砰十两丽了1 j 一，一 泓呜i 严一 0k 力 t 一 - - 一一， ( 2 - 8 ) 图2 - 1 2 介质阻挡放电过程u ( t ) - i ( t ) 的关系曲线 如图2 1 1 所示，在非放电阶段( 兀，2 ，o o t l ) ，负载响应电流从0 丌始增长，表 现为幅值为v 。( i ) c 余弦波。空气等效电容电压u ( t ) 由- v d 开始增长，表现为有直 流偏置的正弦波。因为该阶段，稳压源不作用，从而仅是夕l - 3 n 激励电源给串联 的电容c g 和c d 充放电过程，表现为c 。和c d 上的积累着一定的电荷，电压为负， 因为外加负电压激励在绝对值上减小，c 。和c d 开始释放电荷。从而形成负载响 应电流，成余旋增k 态势。如图2 1 1 所示情况c 。提前c d 释放掉电荷，电压达 到o ，之后处于充电状态，电压继续上升。c d 相比较存储着更多电荷，仍然处于 释放电荷阶段。当外界电压达到0 时，响应电流达到最大值。随着外加电压由负 向正转换，其绝对值在不断增长，c 。上电荷的积累越来越多，电压越来越大， 当u g ( t ) = v d 时开始放电，从而电路结构发生突变。在外界激励按自身规律持续 增长的作用，本来出两个电容来提供响应电流的任务现在需要由c d 独自承担， 这在客观上要求响应电流需要有一个瞬时的突变，来适应电路结构的变化。 在图2 1 1 中表现为响应电流i ( t ) 有一个瞬时的抬升，在图2 1 2 中表现为电流从 一个椭圆轨迹在电流发生突变的作用下瞬时的转移到另一个椭圆轨迹上面。在这 个突变完成之后，外加激励绝对值继续上升，稳压电源持续稳压。外加电源减去 这个稳压直流偏置量作用在c d 上，继续给c d 充电，当外加激励电源达到峰值电 压后，充电过程结束。充电电流到达0 ，电流开始反向流动的时刻放电现象消失。 以上论述基本上概括了正弦电压激励下电容稳压负载模型的电气运行特性。 从中可以看到，只有在电源电压与响应电流处于同正或同负的时候才可能产生放 电现象，同时在电容稳压模型里面，响应电流过零点完全与激励电源电压的峰值 1 3 浙江大学硕士学位论文第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 点相对应，从而可以推出响应电流频率并不随着输入电压幅值的变化而变化。但 是该电气运行模式无法在实际工程中得以应用。原因就是在于未放电与放电的临 近时刻电流突变，即电流瞬时增大，电流这种过大的变化率会使得d b d 负载不 堪重负。 在实际工程应用中，为了限制这个电流的突增，需要在d b d 负载中串联 一定数值的电感。从而d b d 电源工程应用中不可避免的负载模型将是如图所 示感容稳压模型。 一 一一 _ ljl i 一 -_ jljl c d = v d 图2 - 1 3感容稳压模型电路 感容稳压模型虽然与纯电容稳压模型虽然仅仅相差一个电感，但是分析的难 度大大增加。 2 2 。3 感容稳压模型的数学与仿真分析 下面是感容稳压模型的状态方程描述。 同样是需要分为放电和不放电两个阶段。( 2 9 ) 为不放电阶段状态方程，( 2 1 0 ) 为放电阶段状态方程。 x o ) = x ( 3 ) c 。 x ( 2 ) = x ( 3 ) t c 。( 2 - 9 ) x ( 3 ) = 【u x ( 1 ) 一x ( 2 ) l 。 x 0 ) = 0 x ( 2 ) = x ( 3 ) c d x ( 3 ) = 【u v d x ( 2 ) l 。 ( 2 1 0 ) 其中x ( 1 ) 为c g 两端电压，x ( 2 ) 为c d 两端电压，x ( 3 ) 为电感电流，u 是激励 电压。依据上面的状态方程可以对各个状态量进行数值计算，现用p s p i c e 软 1 4 浙江大学颂士学位论文 第一章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 件能够完成相同的任务。 图2 - 1 4 感容稳压模型仿真波形 图2 1 4 为仿真波形，其中可以看到输入激励电源电压u 超前于响应电流i ， 超前电角度为j ，工作频率为f ，工作周期为1 ，f ，阻挡介质电压数倍于输入电压， 从而可以看到由于电感的加入形成串联谐振，从而使电压得到倍增的效果。同时 可以看到由于电感滤波的作用，响应电流不在出现瞬时的尖峰。 下面论述的主要内容是通过电路仿真的结果研究负载特性。 负载研究的思路是给定正弦输入，改变激励电压的幅值与频率，观察输出响 应电流有效值，电压电流相位差，有效功率，功率因数等各个电路参数随激励的 变化规律，用定量的方法定性的分析研究d b d 介质阻挡放电的电气特性。 仿真电路参数的取值为：电感l s = 3 2 0 m h ，c g = 0 4 8 n ，c d = 0 4 4 n ，v d = 9 7 0 v 。 需要说明的是上述参数只是选择某一典型值，然而这并不妨碍对于d b d 电气运 行规律的总结。 以下是对仿真实验的数理统计结果。 1 5 浙江大学硕上学位论文第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 捌 l | 】j 蛆 轷 堰 御 出 i 田 2 0 151 61 71 81 92 0 2 12 2 输入电压频率( k h z ) 图2 - 1 5响应电流v s 输入电压频率 输入电压频率( k h z ) 图2 - 1 6 电压电流相位差v s 输入电压频率 1 6 ；已 ：2 弱 诣 加 ：5 ； 孙 一邑壤御毯宦 浙江大学硕l ：学位论文 第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 图2 1 5 是负载响应电流有效值随着输入电压的幅值与频率变化曲线图。横 坐标是输入电压频率，纵坐标是响应电流有效值，统计曲线由下至上所对应的输 入电压的幅值依次是3 0 0 v , 4 0 0 v , 5 0 0 v , 6 0 0 v 。 图2 1 6 是输入电压与响应电流之间的相位差与输入电压幅值与频率的变化 曲线图。横坐标是输入电压频率，纵坐标是电压电流相位差。统计曲线由右到 左所对应的输入电压的幅值依次为3 0 0 v , 4 0 0 v , 5 0 0 v , 6 0 0 v 。 静 雷 督 挺 输入电压频率( k h z ) 图2 - 1 7 有功功率v s 输入电压频率 图2 1 7 是有功功率随着输入电压频率与幅值的变化曲线图。横坐标是输 入电压频率，纵坐标是放电有功功率p d ( p o w e r d i s c h a r g e ) ，因为感容稳压模型忽 略了线路中的电阻，从而有功功率全部消耗在等离子体放电柱中。 图2 1 8 是负载功率因数p f ( p o w e r f a c t o r ) 随输入电压频率和幅值的变化盐线 图。横坐标是输入电压频率，纵坐标是负载功率因数，统计曲线由左到右输入 电压幅值依次是6 0 0 v ，5 0 0 v , 4 0 0 v ，3 0 0 v 。 其中负载侧功率因数的计算如公式( 2 1 1 ) 所示。 d d f ：二生一 。 0 7 0 7 v m + i 。 ( 2 1 1 ) p d 为有功功率，v 。为输入电压幅值，l 。为输出电流也就是响应电流的有效值。 1 7 浙江大学硕士学位论文 第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 鼎 困 静 备 输入电压频率( k h z ) 图2 - 1 8 负载功率因数v s 输入电压频率 为了论述方便这里将输入电压幅值为4 0 0 v 的各条曲线进行细致的分析。 图2 1 9 是输入电压4 0 0 v 时的响应电流与激励电压频率的变化曲线图。 这里将频率变化范围进行分区，分为d ( d i s c h a r g e ) 区，即放电区，和 n d ( n o n - d i s c h a r g e ) 区。n d 区包括两个子区，n d 。区，即非放电容性区，和 n d l 即非放电感性区。d 区包括三个子区，d 。区，即放电容性区，d ，( d i s c h a r g e r e s o n a n t ) 区，即放电准谐振区，和d i 放电感性区。 激励电压频率从小逐渐增大，当到达f _ 1 时，放电开始，进入放电容性区， 此时响应电流有效值迅速增长，分析其原因是感容稳压负载在此时整体成容性， 电感作用没有得到很好的发挥，从而无法起到限流的作用。当激励电压频率继续 增大，达到f 0 时，开始进入放电准谐振区。这里f 0 是谐振频率。准谐振区域是 电流有效值的峰值区域。当频率增大到f 1 时，开始进入放电感性区。此时感容 稳压模型整体呈现感性，响应电流有效值在这个区域内随着激励电压的频率的增 大而逐渐减少，呈现近似线性变化。当激励电压频率达到f 2 时，放电结束，开始 进入非放电感性区。 1 8 浙江大学硕十学位论文 第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 g | l 】i 掣 靼 蟋 御 出 钟 善4 5 趔 摇4 0 蠖 御 整3 5 2 5 1 激励电压频率( k h z ) 图2 1 94 0 0 v 响应电流有效值v s 激励电压频率 2 5 图2 2 04 0 0 v 电压电流相位差v s 激励电压频率 图2 2 0 是在输入电压幅值为4 0 0 v 时，输入电压和响应电流之间的相位差 1 9 浙江人学硕上学位论文 第一章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 与激励电压频率的变化曲线图。从实际的工程应用的角度考虑，这里仅研究放电 区域的变化情况。 从图2 2 0 中可以看到，当激励电压频率达到f _ 1 ，开始进入放电容性区，电 流相位上超前电压，放电负载整体成容性，相角差从一9 0 度逐渐增大，到达f 0 ， 放电容性区结束。其变化曲率在“附近数值较大，接近于无穷，然后逐渐变缓， 整体成近似抛物线变化。输入电压的频率为f 0 时，为标准谐振状态，此时电压 电流的相位差为o ，负载整体呈现纯阻性。之后进入放电准谐振区域，从谐振 频率f o 开始，电压电流的相位差有负值变为正值，电压在相位上超前于电流。顺 延输入激励电压频率增大到 时进入放电感性区，在放电感性区域，电压电流的 相位角随着激励电压频率的增大呈现线性增长的态势。 静 雷 辍 霉 5 图2 - 2 1 有功功率v s 激励电压频率 图2 2 1 是d b d 放电负载的有效功率，在激励电压幅值为4 0 0 v 时，随激励 电压的频率的变化曲线图。由于感容稳压模型里面忽略了线路和元件上的电阻， 从而其有效功率全部消耗在等离子体之中。从图中可以看到，当频率增大到 1 时，丌始进入容性放电区。其有效功率迅速增加，然后逐渐变缓，当达到f o 时刻，为标准谐振时刻，放电功率达到最大，之后进入放电准谐振区域。在达 到f 1 之后，进入放电感性区，有效功率随着激励电压频率呈现近似线性衰减态势。 浙江大学硕十学位论文 第二章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 蒹 因 料 尽 5 图2 2 24 0 0 v 负载功率因数v s 激励电压频率 图2 2 2 是负载输出功率因数，在输入电压为4 0 0 v 时，随激励电压频率变 化曲线图。在f 1 和f o 之间，是放电容性区域，功率因数随着电压频率的升高而 增大。在f 1 附近，曲率较大，远离f _ 1 曲率逐渐变小。当激励电压频率达到谐振 频率f o 时，功率因数达到最大，接近于1 。之后进入放电准谐振区域。继而顺 延，在达到f 1 后，进入放电感性区域，在该区域内，功率因数随着输入电压频率 的增大而呈现近似线性衰减的态势。该区域在输入激励电压频率增大到f 2 时结 柬。 这里总结一下，感容稳压负载模型在输入激励电压幅值为4 0 0 v 时，其电路 响应变量随输入激励电压频率变化的规律。在非放电区域，包括f f 2 的感性非放电区，在这两个频段内，等离子柱并未产生，稳压源不 起作用，从而电路响应变量按照一般感容串联电路变化规律变化，输出有效功率 为o 。在频段“c f f o 之内，即放电容性区，响应电流有效值，电压电流的相位 差，有效功率，功率因数等电路响应变量数值上迅速变大。在谐振点f 0 ，电压 电流相位差为0 ，有功功率和功率因数均达到最大。在频段f o f f 1 之内，即放 电准谐振区域，电压在相位上略超前于电流，响应电流有效值，有功功率和功率 因数均保持较高数值。在频段f l c f f 2 内，即放电感性区，电压电流相位差近似 线性一t - 升，响应电流有效值，有功功率和功率因数均随频率近似线性下降。 2 1 浙江大学颊士学位论文 第一章d b d 介质阻挡放电负载特性的研究 接