（电工理论与新技术专业论文）低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究.pdf

低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究 t h er e s e a r c ho nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ew i t h m e s hg r o u n de l e c t r o d ea n dt h em a t c h e dp o w e r s u p p l y a b s t r a c t t h el o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ah a sv e r yw i d ep r o s p e c t si ni n d u s t r i a la p p l i c a t i o n ，p l a s m a p r o d u c e db yd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) i sa d o p t e di ng e n e r a l l yn o w t h ee f f e c to f p l a s m ap r o d u c e db yd i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g ec o r r e l a t e sd i r e c t l yw i t hs t r u c t u r eo ft h e r e a c t o ra n dv o l t a g e ，f r e q u e n c yo ft h ep o w e rs u p p l y t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st os u m m a r i z e t h eo p t i m i z e ds t r u c t u r eo fd b dr e a c t o ra n ds u g g e s tad e s i g np r o p o s a lo fh i 。曲- f r e q u e n c y h i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l ym a t c h i n gw i md b d r e a c t o rb a s e do nr e s e a r c h i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c o f d b d f i r s t l y ，t h i sp a p e rs t u d yt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ed b ds y s t e m i c a l l y m a k i n gd e t a i l e d e x p e r i m e n t a la n a l y s i sb a s e do nt h ef a c t o r st h a ti n f l u e n c ep l a t e - p l a t ed b d ，f o re x a m p l e ，t h e s t r u c t u r eo f p o l a rp l a t e ，t h eg a ps p a c e ，a p p l i e dv o l t a g e ，f r e q u e n c ye t ca n ds u m m a r i z et h ed e s i g n p r i n c i p l eo fo p t i m i z et h es t r u c t u r eo ft h ed b d r e a c t o rf r o mal o to fs t a t i s t i c a lr e s u l t s ：( 1 ) w h e n t h ep o w e rs u p p l yi sc o n s t a n t t h ed i s c h a r g ep o w e ri sc h a n g i n gw i 也t h ec h a n g i n go ft h eg a p s p a c e ，t h el a r g e rg a ps p a c e ，t h es m a l l e rd i s c h a r g ep o w e r , s oi t ss u i t a b l et ou s es m a l l e rg a p s p a c e ，m e s hs t r u c t u r eo fg r o u n d i n ge l e c t r o d ed b dr e a c t o r ( 2 ) w h e nt h ep a r a m e t e ro ft h ed b d r e a c t o rs t r u c t u r ei sf i x e d ，t h ed b d d i s c h a r g ep o w e ra n dp e r i o dc h a r g et r a n s m i s s i o nq u a n t i t yi s i n c r e a s i n gw i t hr a i s i n gt h ea p p l i e dv o l t a g ea n df r e q u e n c y a b o v ea l l ，p r o v i d i n gt h e o r ya n d e x p e r i m e n tb a s i sf o rr e a l i z i n gt h ei n c r e a s eo ft h ee f f i c i e n c yo ft h ed b d e l e c t r i cd i s c h a r g eb y u s i n gh i g hf r e q u e n c ya n dh i g hv o l t a g em a t c h i n gp o w e rs u p p l y s e c o n d l y ，d e s i g na n dd e v e l o pi n t e r m e d i a t e - f r e q u e n c yh i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l yw h i c h m a t c ht h ed b dr e a c t o r t h ep o w e rs u p p l yu s e sv a r i a b l ea ci n p u t ，b e c o m ed c b yp a s s i n g b r i d g er e c t i f i e r , b e c o m ea cb yp a s s i n gi g b ta n dr e a l i z et oo u t p u th i 曲一f r e q u e n c y h i 曲- v o l t a g es i n ew a v eb yp a s s i n gh i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r , t h eo u t p u tf r e q u e n c yi s c o n t r o l l e db yt h es w i t c ho fi b g tw h i c hi sc o n t r o l l e db ys g 3 5 2 5 t h i sp a p e rg i v e sab r i e f i n t r o d u c t i o no ft h eh i g h f r e q u e n c yh i g h v o l t a g ep o w e rs u p p l yw o r k i n gp r i n c i p l e ，a n a l y z e st h e r e c t i f y i n gc i r c u i t ，i n v e r t e rc i r c u i t ，c o n t r o lc i r c u i ta n dd r i v e rc i r c u i te t c ，# y e st h ed e s i g na n d c o i l i n gm e t h o do ft r a n s f o r m e ra n da n a l y z et h ee x p e r i m e n t a ld a t a u n d e rt e s t ，t h eo u t p u tt a r g e t o fp o w e rs u p p l yi s ：( 1 ) s i n g l ep h a s ea c i n p u to f2 2 0 v ；( 2 ) o u t p u ts q u a r ew a v e ；( 3 ) o u t p u t f r e q u e n c ya d j u s t a b l e ：5 0 h z - 2 0 k h z ；( 4 ) o u t p u tv o l t a g ea d j u s t a b l e ，m a x i m u m2 0 k v t h e r e s e a r c hm e e t sd e s i g nr e q u i r e m e n t 大连理工大学硕士学位论文 l a s t ，t h ep o w e rs u p p l yi su s e di nd b de x p e r i m e n ts u c c e s s f u l l ya n dv e r i f yt h em a t c h i n g d e g r e eb e t w e e nt h ep o w e rs u p p l ya n dt h er e a c t o r k e yw o r d s ：d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ( d b d ) ；t h ec h a r a c t e r i s t i co f d i s c h a r g i n g ；i n t e r m e d i a t e - f r e q u e n c yh i g h - v o l t a g ep o w e rs u p p l y i i i 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目： 作者签名： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目： 作者签名： 导师签名： 研宪 j 大连理j ：入学硕十学位论文 1 绪论 1 1课题背景 等离子体( p l a s m a ) 一词是在1 9 世纪3 0 年代由l a n g m u i r 引入到物理文献中去的。 用它来表示气体放电中正负电荷相等而呈电中性的区域。人类也是从这时开始对等离子 体进行研究的。等离子体按照应用领域可以划分为能源，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。材料领域应用指的是等离子体可以用来加 工各种材料和改善各种材料的性能【l 】。如图1 1 所示。 l 能 源 f i 环 境 t 材 料 旺驾l| 电气应用：热电子发电核聚变发电j 旺芎li 光学应用：霓虹灯照明用放电管 旺骂li 力学应用：离子源电子源离子加速i 旺骂l ；热学应用：熔炼垃圾处理等 r 亍= = = = = = = = = = = = = = = “_ 旺三三寻li 电气应用：静电除尘空气清洁等 r 亍= = = = 互= = = = = = = = = 互= 1 旺三三ll 化学应用：臭氧发生废气处理等 r 亍= = = = ：= = = = = = = = = = 麓 旺三三l | 热学应用：电弧焊接放电加工等 旺骂li 化学应用：表面改性电池制造等 旺骂l 、j 力学应用：溅射离子注入等 图1 1 等离子体应用领域 f i g 1 1a p p l i c a t i o na r e ao f p l a s m a 等离子体主要包括热平衡等离子体和非热平衡等离子体( 低温等离子体) 。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 低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究 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。介质阻挡放电( d i e l e c t r i cb a r r i e rd i s c h a r g e ，d b d ) 是常压下产生低温等 离子体的有效方法，在众多放电方法中，d b d 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、高效，具有广阔的应用前景。 近2 0 年来，由于材料科学和电力电子技术等相关学科取得了较大的发展，促进了 对d b d 等离子体理论特性及应用技术的研究，并成为低温等离子体研究的一个热点。不 仅在臭氧发生理论与应用方面取得了巨大的进步，而且在基础工业和高科技领域中，d b d 低温等离子体也获得了广泛的应用，有力地推动了等离子体同其他学科和技术领域的相 互渗透、相互促进和相互发展。目前，d b d 在臭氧合成、工业废气处理、空气净化、表 面处理、材料改性等领域均获得了广泛的应用。 1 2 介质阻挡放电概述 介质阻挡放电又称无声放电，它是有绝缘介质插入放电空间的一种非平衡态气体放 电，介质可以覆盖在电极上或者悬挂在放电空间里，当在放电电极上施加足够高的交流 电压时，电极间的气体，即使在很高气压下也会被击穿而形成所谓的介质阻挡放电。在 电极间安插介质可以防止在放电空间形成局部火花或弧光放电，在通常大气压强下也可 实现稳定的气体放电。 1 2 1 介质阻挡放电电极结构 介质阻挡放电按照电极形式划分，有以下三种典型电极结构。分别为：板一板式、 同轴圆筒式和针一板式，如图1 2 所示。 介质 介 图1 2 按电极形式划分的d b d 电极结构 f i g 1 2 e l e c u o d es l r u c t u r eo fd b dd e c i d e db ye l e c t o d ef o r m 一2 一 介质 大连理r 大学硕十学位论文 其中，不同电极结构的d b d 反应器适合处理不同要求的材料。第一种板一板式结构 和第二种同轴圆筒式结构，目前在国内外的研究中被广泛采用，其简单的结构适合工业 大规模生产。第三种针一板式结构，可以通过改变不同位置针的长短对一些表面形状复 杂的材料进行处理【2 】。本文针对目前工业上广泛采用的第一种板一板式结构进行研究，把 接地电极的平板替换成更适于氧气流通的孔板结构。相较低压平板电极结构的d b d 反应 器，低压孔板电极结构的d b d 反应器对氧气流通的阻力减小，能够有效提高臭氧生成量； 同时被处理物质可以不必置于等离子区域，能够更加灵活使用，达到更高效处理材料的 目的。 介质阻挡放电按照介质位置划分，有以下四种典型电极结构。如图1 3 所示。 高压电极 l ， 匕么么么么么么么幺绉 绝缘介质 接地电极 图1 3 按介质位置划分的d b d 电极结构 f i g 1 3 e l e c t r o d es t r u c t u r eo fd b dd e c i d e db ym e d i u m p o s i t i o n 其中，第一、二种结构只有一个电极表面被绝缘介质覆盖，特点是结构简单，而且 可以通过金属电极把放电产生的热量散发掉，是很实用的放电构形，它们常用于臭氧发 生器和材料表面处理。第三种结构是绝缘介质直接插入放电空间的形式，它可以在绝缘 介质两边同时生成两种成分不同的等离子体，在电极间安插介质可以防止在放电空间形 成局部火花或弧光放电，而且能够形成常压下稳定的气体放电。第四种结构是两个电极 表面都有绝缘介质覆盖的形式，它的特点是放电发生在两层介质之间，可以防止等离子 体直接与金属接触，对于具有腐蚀性气体或高纯度等离子体，这种结构具有独特的优点。 常用作绝缘介质的材料有：玻璃、石英、陶瓷、橡胶等。因为有绝缘介质的存在，d b d 外加的激励电压必须是交流或直流脉冲电压【3 训。本文采用的是第一种电极结构。 1 2 2 介质阻挡放电条件 介质阻挡放电能够在高气压和很宽的频率范围内工作，通常的工作气压为1 0 4 1 0 6 p a 。电源频率可从5 0 h z 1 m h z 。电极结构的设计形式多种多样。在两个放电电极之 间充满某种工作气体，当两电极间施加足够高的交流电压时，电极问的气体会被击穿而 低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究 产生放电，即产生了介质阻挡放电。在实际应用中，管线式的电极结构被广泛的应用于 各种化学反应器中，而平板式电极结构则被广泛的应用于工业中的高分子和金属薄膜及 板材的改性、接枝、表面张力的提高、清洗和亲水改性中。典型d b d 放电主要参数列 于表1 1 中【5 】o 表1 1 典型的d b d 操作条件 t a b 1 1 o p e r a t i n gc o n d i t i o n so ft y p i c a ld b d 外加激励电压3 2 0 k v 工作频率 气隙间距 绝缘介质厚度 压力 击穿电场强度 微放电寿命 电流密度 5 0 h z l m h z 0 2 s m m 0 5 - 一2 m m 1 3 大气压 近似为1 5 0 t d ( 一个大气压下) 1 1 0 n s 1 0 0 1 0 0 0 a c m z 1 2 3 介质阻挡放电原理 通常在大气压的条件下，介质阻挡放电都是细丝放电的形式。放电是由大量随机分 布的放电细丝组成的，放电细丝的“寿命”非常短暂，一般只有几个n s ，但电流密度却 非常大。 它的放电机理可以分析如下：气隙中的自由电子在强电场的作用下向阳极运动，在 运动过程中和空气中的分子、原子发生非弹性碰撞，使分子和原子发生电离，产生电子 雪崩。由于正离子的运动速度与电子相比较慢而滞留在雪崩头的后部产生本征电场，本 征电场叠加在外电场上进一步加强了气隙中电场的强度，使高能电子的速度进一步增 加，引起击穿通道向阳极发展。当空间电荷场到达阳极时就会使一个更强的电场反射回 阴极，而使气体击穿形成放电通道，为一个电流细丝。在电子向阳极运动的同时，正离 子以相对较慢的速度向阴极运动，在阴极附近形成一个剩余空间电荷区，它和到达介质 表面的正离子形成一个与外加电场方向相反的电场从而使放电熄灭。典型的d b d 电压电 流波形如图1 4 所示。当激励电压低于放电起始电压v 。时，放电间隙不发生放电现象， 即无放电过程；当激励电压高于放电起始电压v 。时，放电间隙发生放电现象，即放电过 程。t 1 和t 2 分别为半个周期内的放电起始时刻和终止时刻【6 j 。 一4 一 大连理 ：大学硕十学位论文 煨 世 羽 疆 图1 4 典型d b d 电压电流示意简图 f i g 1 4 c u r r e n ta n d v o l t a g ed i a g r a mo ft y p i c a ld b d 、1 2 4 介质阻挡放电影响因素 在d b d 中获得哪种形式的放电主要取决于放电敏感参量之间的匹配，这些放电敏感 参量主要有三个方面： 电介质材料与结构因素，主要有电介质材料的性质、介电常数、厚度、几何形状 及放电间隙的距离等； 供电电源因素，主要有电源电压、频率、波形及控制方式等； 外部因素，主要有工作气体的成分、压强、气体的流速及d b d 等离子体发生器的 工作温度等。 目前，尽管对d b d 特性的研究取得了一些进展，但由于人们对d b d 特性的研究时间 不长并缺乏有效的诊断与测量手段，因此对d b d 相关参量的作用机理、相互关系以及对 d b d 等离子体放电形式演化的影响还缺乏了解，有待在理论与实验两个方面进行迸一步 的研究。 低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究 这些研究的突破，必将在一系列应用场合产生重大影响。即使在应用基础研究方面， 研究各种应用的最佳条件，取得最大产额和最大效率，改进其应用技术，开拓新的应用 领域，充分发挥该项技术在国民经济建设中的作用，具有十分重大的实用意义和科学价 值。 1 3d b d 电源的发展趋势 传统的大功率高压电源使用工频变压器升压，电路简单，但体积大、效率低，并且 随着功率增大，变压器的电压等级和绕组的绝缘性能要求将提高，绕制工艺较困难，放 电效果不理想。 现代电力电子技术的发展、i g b t 等高频大功率电力电子器件的出现以及相关变频技 术的发展，给中、高频电源的生产带来了革命，为介质阻挡放电等电源的研制提供了新 的途径。中、高频变频装置的制作不再十分困难和昂贵，这些中、高频电源的频率多在 l k h z l o o k h z 之间，有些高频电压的工作频率甚至高达几百k h z 。相对于低频供电电源， 中高频供电电源具有很多优点，如能显著地提高放电效率，能够在不改变发生器放电效 率的情况下大幅度地减小电源设备的体积和金属用量，扩大电路工作频率的范围、提高 系统的可靠性以及延长系统的工作寿命。d b d 电源供电系统示意图如1 5 所示。 a c 一 图1 5 典型d b d 供电系统示意图 f i g 1 5t y p i c a lp o w e rs u p p l ys y s t e md i a g r a mo fd b d 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。在国内中频高压电源技术己取得了很大的进 步，但生产的放电电源功率普遍不大，同国外相比还有很大的差距，需要依赖国外进口。 一6 一 火连理工大学硕士学位论文 特别是大功率高频高压开关电源技术仍处在研发之中，仍需要加大研制力度，促进中频 高压电源在工业、医疗、农业、环保等领域的更广泛的应用。因此，对于国内而言，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。而国外在d b d 中频高压电 源研制方面，单片机控制逐渐广泛应用，在频率、功率上有不断的突破。电源频率可达 兆级赫兹，功率可达数百千瓦。供电电源由高频到更高频，由模拟控制到数字控制。向 着高频化、小型化、绿色化、智能化和数字化方向发展。世界上有关d b d 介质阻挡放电 电源的厂家主要包括德国s o f t a l 公司和英国舒曼公司等 他】。 1 4 选题的意义及主要研究内容 介质阻挡放电是低温等离子体发生的主要方式之一，具有放电强度高、电子能量大、 臭氧产生浓度高等优点。被广泛用于臭氧产生、材料表面改性及产生准分子激光等领域。 而不同的介质阻挡放电反应器结构参数和电气参数直接影响介质阻挡放电产生等离子 体的效果。 介质阻挡放电装置采用的气隙间距、极板结构不同，放电效果也不同。研究和比较 不同结构的介质阻挡放电特性，对于优化介质阻挡放电反应器设计提高放电效率具有十 分重要的意义。 在确定介质阻挡放电反应器结构参数的基础上，供电电源产生的电压、频率越高、 放电效果越好。中频高压电源的发展及其与反应器匹配研究直接拓宽了介质阻挡放电的 应用领域。 本课题主要的研究内容为： ( 1 ) 通过改变影响板一板式介质阻挡放电反应器放电效果的反应器结构参数( 气隙 间距、接地极板结构等) ，确定一个介质阻挡放电反应器结构的优化原则。 ( 2 ) 通过改变影响板一板式介质阻挡放电反应器放电效果的反应器电气参数( 激励 电压、频率等) ，给出反应器与电源的匹配关系，进而得到与介质阻挡放电反应器匹配 的中频高压电源设计方案。 ( 3 ) 研究中频高压电源的设计方案。系统分析这种中频高压电源的工作原理、具 体电路、电路调试、输出等相关性能。d b d 电源的主要设计目标如下： 输入：单相交流2 2 0 v 、5 0 h z ； 输出交流方波电压单峰值o 一- 2 0 k v ，可调； 输出交流电流：最大有效值l o o m h ： 输出频率：1 - 一2 0 k h z ，可调； 输出功率：额定值l k w ； 低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究 ( 4 ) 把设计电源应用于介质阻挡反应器实验，验证电源与反应器的匹配关系。 一8 一 大连理 大学硕士学位论文 2 介质阻挡放电等离子体特性的研究 d b d 的极板结构、气隙间距、放电电压、放电电流、放电功率等参量是低温等离子 体研究和应用中极其重要的参量，其放电效率与供电电源激励电压的大小以及频率有直 接的关系1 9 1 。本章研究了极板结构、气隙间距等反应器结构参量以及激励电压、频率等 供电电源电气参量对d b d 放电效果的影响，通过对实验数据的对比分析，总结出d b d 反 应器结构的优化设计原则以及与d b d 反应器匹配的中频高压电源的设计要求。 2 1介质阻挡放电负载特性理论分析 2 1 1 d b d 等离子体反应器等效电路 介质阻挡放电外加电压必须为交变电压；同时只有当放电通道的电场强度高于气体 的击穿电场强度时，放电通道才能发生气体放电现象，含有氧气的气体因放电而生成人 们所需要的臭氧。因此，对于一定间隙宽度的放电通道，只有当负载外加电压达到一定 的幅值时，放电通道上的电压产生的电场强度才能达到放电要求。随外加电压周期性变 化，气体放电过程也周期性变化。 气体放电过程分为不放电阶段和放电阶段，在放电阶段，放电通道电压不会随负载 外加电压的继续升高而升高，而是保持不变，这个电压称为放电维持电压v 。使放电通 道电压达到v 。所需的最小外加电压的峰值，称为放电临界电压v 。 图2 1d b d 等离子体反应器等效电路 f i g 2 1e q u i v a l e n tc i r c u i to fd b dp l a s m ar e a c t o r 如图2 1 所示：u ( t ) 为加载在反应器上的交流高压；i ( t ) 为流经负载的电流；c g 为绝缘介质等效电容，表示的是阻挡介质与接地电极之间的等效电容；c d 为放电间隙等 效电容，表示的是阻挡介质与高压电极之间的等效电容；稳压管d ：，和d ：反相串联等效 一9 低压孔板电极介质阻挡放l 酎 性及匹配电源的研究 的是放电产生时c d 两端的稳定电压。根据d b d 等离子体反应器的工作原理当外加电 压未达到放电起始电压时，负载等效为介质电容c g 和气隙电容c d 的串联( 见图2l ( a ) ) ； 当d b d 电极间的气体被击穿后，气体间隙有放电电流出现，可将负载等效为c d 和有固 定压降的齐纳二极管并联后与c g 串联( 见图21 ( b ) ) p o - h i 。 212 d b d 负载特性分析 d b d 等离子体反应器的放电状态由放电电极的结构所决定。绝缘介质等效电容c g 和 放电间隙等效电容c d 的大小影响放电发生的条件。当供电电压未达到d b d 反应器放f 邑的 起始电压时，放电电极呈容性负载特性，等效电容为c g 和c d 串联，整个通电过程并不消 耗功率：当供电电压达至u d b d 反应器放电的起始电压时放电屯极开始放电，此时的负载 电流由绝缘介质等效电容c g 上的电流决定，放电间隙等效电容c d 上的电压保持在放电维 持电压v 。上不变【】”。 d b d 等离子体反应器的典型放电电压电流波形如图2 2 所示：其中，是c h l 通道的 黄色正弦波为幅值1 6 k v 的放电电压波形；是c h 2 通道的蓝色正弦波为测量放电气隙空 间传输的电荷量，通过在放电回路中串联一个1uf 的电容来获得；是c h 3 通道的粉色 波形为放电电流波形。 t e kn$ 1 0 p 幽22d b d 典型放电电压电流波形 f i g2 2t y p i c a l d i s c h a r g ev o l t a g ea n d c 口n w a v cs h a p eo f d b d 典型q - vl is s a j o u s 图形如图23 所示：放电电压幅值9 k v 、放电频率1 0 k h z 时 由c h l 和c h 2 通道组成横纵坐标的图形。 九连理1 大学硕士学位论文 砒n 格式 一 关于 存圈像 选择 文件夹 储存 c m 靠d k ym i i y 岫 当前目录是 _ 酗23d b d 典型铲vl i s s a j o u s 图形 f i g2 3 t y p i c a l q - vl i s s a j o u s s h a p eo f d b d 电荷积聚的过程相当于对介质等效电容c g 充电间隙等效电容c d 两端电压下降，放 电熄灭，接着电压上升，气隙会再度放电，因此介质阻挡放电是一个放电、熄灭、重新 放电的暂态过程。放电间隙中观察到大量时间和空间随机分布的放电细丝。每一个放电 细丝在介质阻挡放电的电流波形上都对应一个电流脉冲。所以在介质阻挡放电的电流波 形每个周期内都包含了大量的电流脉冲。如图22 中电流波形所示。 放电功率是描述放电强弱的一个重要物理量。测量放电功率的方法较多，目前普遍 采用电压一电荷轨迹法( 即李萨如图法) 来测量介质阻挡放电功率。该方法通过在示波器 上得到的电压一电荷李萨如图形柬计算放电的功率，如图23 所示。 放电功率p 可由下式表示 1 3 - 1 5 】： ，= f 呦= ；f u ! = 声叮叫阮= f c s，、 其中；s 为图2 3 中平行四边形的面积，u c 为放电回路中串联的1uf 的电容c 两端电 压。 介质阻挡放电等效电路中，介质等效电容c g 是一个与介质的介电常数er 和介质厚 度1 9 有关的量，即c g o c r l g 。日j 隙等效电容c d 则与气隙宽l d 有关，l d 越大，c d 越小。 此时放电功率p 为： “v s “他畜匆。( u p 刈曲) 其中：f 为电源频率，u p 为外加电压的幅值，u m in 为维持放电的最小电压，大小与 骂 低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究 放电起始电压基本相等。 在式( 2 2 ) 中u m i n 和c g 都是与放电气隙间距有关的量。放电的起始电压值和气隙等 效电容量随间隙距离的变化是非线性的。由巴申定律可知，在气压为9 6 k p a ，气隙间距 大于0 5 m m 时，随着气隙间距的增加，放电场强会随着间隙距离的增加而提高。实验选 取的气隙范围满足上述条件，因此随着间隙距离的增加放电起始电压也会提高。 当介质材料、间隙距离和激励电压一定时，c d ，c g ，u m i n 以及u p 均为定值，放电功 率电源频率f 呈线性正比关系。 当介质材料和间隙距离一定时，c d ，c g ，u m i n 以及f 均为定值，放电功率p 仅和激励 电压u p 有关，放电功率随着激励电压u p 的升高线性增大。 可以看出放电功率与气隙间距、激励电压、频率等参量有关，下面着重分析这几种 参量对介质阻挡放电的影响。 2 2实验装置 a 图2 4d b d 实验系统示意图 f i g 2 4d i a g r a mo fd b de x p e r i m e n t a ls y s t e m 电极 放电介质 气隙间距 实验使用的是自行设计的单介质d b d 等离子体反应器装置【9 1 ，如图2 4 所示。在标 准大气压下，采用厚度为2 1 m m 的石英玻璃作为放电介质，边长为1 0 c m 的正方形金属片 大连理工大学硕士学位论文 作为放电电极上下平行正对放置，置于透明玻璃罩内。供电电源以高频高压正弦交流电 加在两极间，当电压超过击穿电压时，极间气体被击穿而形成介质阻挡放电产生等离子 体。 实验时，d b d 反应器放电气隙间距1 8 唧可调；d b d 反应器接地极板为覆铜板材质制 作的平板和孔板( 即在低压平板电极上钻上横纵均为7 排的直径一致的圆形孔板，每块 极板钻的孔径分别为2 m m 、8 r a m ) 两种边长为l o c m 的正方形的板型结构；供电电源提供o 2 0 k v 电压、5 0 h z 一- , 2 0 k h z 频率。通过1 0 0 0 ：1 的高压探头t e k t r o n i xp 6 0 1 5 a 、电流探头和t e k t r o n i xt d s 2 0 1 4 示波器等设备测量d b d 相关电学参量。放电电压波形通过高压探头置 于反应器高压电极来测得；放电气隙空间传输的电荷通过在放电回路中串联一个1 | lf 的 电容来获得；放电功率通过放电电压和电荷电量两个通道合成横纵坐标q - vl i s s a j o u s ( 李萨如) 图形面积来获得。 2 3 对介质阻挡放电产生影响的几个因素 2 3 。1极板结构对放电特性的影响 通过改变d b d 反应器接地电极的结构，分析对放电功率的影响。 图2 5 极板结构对放电功率影响曲线 f i g 2 5 t h eg r a p hb a s h0 1 1p o l a rp l a t ei n f l u e n c ed i s c h a r g ep o w e r 实验选用的接地电极分别为平板和孔板( 即在平板电极上钻上横纵均为7 排的直径 一致的圆形孔板，每块极板钻的孔板直径分别为2 m m 、8 m m ) 边长为l o c m 的正方形的板型 低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究 结构，气隙间距为2 5 m m ，板一板式反应器装置。电源供电条件为激励电压0 - - 1 0 k v ，电 源频率为1 0 k h z 。在不同极板结构和激励电压的情况下测量放电功率，得到极板结构对 放电功率影响关系曲线如图2 5 所示。 从图中可以看出：在气隙间距、电源频率等其他条件一定的情况下，不同接地极板 结构的d b d 反应器放电功率随激励电压的提高而近似线性增大；在相同电压下，孔板结 构的接地电极反应器放电功率高于平板结构的接地电极反应器放电功率，孔板直径为8 m m 的接地电极反应器放电功率高于孔板直径为2 m m 的接地电极反应器放电功率。平板结构 的接地电极反应器放电的起始电压低于孔板结构的接地电极反应器放电的起始电压。 2 3 2 气隙间距对放电特性的影响 通过改变d b d 反应器电极间的气隙间距，分析对放电功率的影响。实验选用的气隙 间距分别为2 5 m m 、5 0 m m 和8 2 m m ，低压孔板电极结构的反应器装置。电源供电条件 为激励电压1 0 - - 2 0 k v ，频率5 0 h z 。在不同气隙间距和激励电压的情况下测量放电功率， 得到气隙间距对放电功率影响关系曲线如图2 6 ( a ) ( b ) 所示。 ( a ) 大连理工人学硕士学位论文 ( b ) 图2 6 气隙间距对放电功率影响曲线 f i g 2 6 t h eg r a p hb a s e do ng a ps p a c ei n f l u e n c ed i s c h a r g ep o w e r 从图中可以看出：图2 6 ( a ) 为不同气隙间距下，放电功率与激励电压的关系曲线。 图2 6 ( b ) 为不同激励电压下，放电功率与气隙间距的关系曲线。可以看出，气隙间距 相同时，放电功率随着外加电压的升高而增大。外加电压一定时，放电功率随气隙间距 的增加而减小。这是因为气隙中的场强减小的缘故，但是这种变化是非线性的。间隙距 离小于5 0 m m 时，放电功率随气隙间距增加而减小的幅度较小；间隙距离大于5 0 m m 时， 放电功率减小的幅度加大。如激励电压为1 8 k v ，间隙距离由2 5 m m 增加到5 0 m m ，放电 功率由2 8 6 3 2 w 下降到2 3 2 1 5 w ，减小了1 8 9 ；同样的外加电压下，间隙距离由5 0 m m 增加到8 2 m m ，放电功率由2 3 2 1 5 9 下降到了1 0 4 6 8 w ，减小了5 4 9 。 2 3 3 激励电压和频率对放电特性的影响 通过改变d b d 反应器激励电压和频率，分析对放电功率的影响。实验选用的气隙间 距为2 5 m m 的低压孔板电极反应器装置。电源供电条件为激励电压1 0 - - - - 2 0 k v ，频率范围2 0 0 h z l k h z 。在不同激励电压和频率的情况下测量放电功率，得到激励电压和频率对放 电功率影响关系曲线如图2 7 、2 8 所示。 低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究 图2 7 激励电压对放电功率影响曲线 f i g 2 7 t h eg r a p hb a s e do na p p l i e dv o l t a g ei n f l u e n c ed i s c h a r g ep o w e r 图2 8 激励频率对放电功率影响曲线 f i g 2 8 t h eg r a p hb a s e do i la p p l i e dc u r r e n ti n f l u e n c ed i s c h a r g ep o w e r 从图中可以看出：图2 7 描述了在不同频率段内放电功率随激励电压的变化关系曲 线。同一频率下，放电功率随外加激励电压的提高而近似线性增大；频率越高，使之产 生放电的起始电压越低。图2 8 描述了在不同电压范围内放电功率随电源频率的变化关 大连理丁大学硕十学位论文 系曲线。相同外加激励电压时，放电功率随外加电源频率的提高而近似线性增大；当电 压较低时，d b d 反应器起始放电电压、放电功率随外加电源频率的提高而增大的关系 曲线上升不是很明显，随着电压的升高，关系曲线上升逐渐显著。 2 4 小结 2 4 1 d b d 反应器结构的优化设计原则 综上，在d b d 负载特性的理论依据上，测量不同电极结构、气隙间距、频率下的v a 特性和放电功率，并研究其变化规律。这些问题的研究对解决d b d 等离子体反应器参数 的优化以及电源与反应器的匹配问题有着现实的指导作用。 ( 1 ) d b d 等离子体反应器应用在很多领域中，但是其等效电路的形式基本是一样的。 文中借鉴相关资料，对d b d 负载特性进行理论分析，为后期工作打下理论基础。 ( 2 ) d b d 结构参数确定后，提高放电激励电压和激励频率，可提高介质阻挡放电的 放电功率和周期电荷传输量。 ( 3 ) 当供电条件一定时，放电功率随气隙间距变化，间隙距离越大，放电功率越小。 适宜选取较小放电气隙间距、孔板结构接地电极的d b d 反应器装置。 2 4 2 与d b d 反应器匹配的中频高压电源的设计要求 ( 1 ) 负载外加电压必须为交变电压，同时放电通道能否放电与负载外加电压的幅值 有直接关系。只有当外加电压幅值较高，放电通道电压在间隙上产生的电场强度大于气 体击穿电场强度时，放电通道才能发生放电现象。所以匹配电源需要提供足够幅值的电 压，一般用升压变压器来匹配。但考虑到绝缘介质电压不能超过其击穿电压，所以电源 电压的幅值也不能无限升高。 ( 2 ) 放电功率与外加电压的幅值和频率有直接关系。随着外加电压的幅值或频率的 升高，放电过程的功耗将增大，从而提高放电效率。所以匹配电源的频率要尽量达到较 高范围。 低压孔板电极介质阻挡放电特性及匹配电源的研究 3d b d 反应器匹配中频电源工作原理及设计 本章对电源设计的各部分如电源主电路、控制电路以及保护电路等的原理做了介绍 和分析，给出了电源的设计方法。 3 1 工作原理概述 输入电源为单相2 2 0 v ，经整流滤波后，可得约2 6 5 v 的直流电压。该直流电压经过 d c d c 变换器，得到一个输出幅值可调的直流电压，调节范围设计为0 - - 2 6 5 v 。可变直流 电压经d c a c 全桥逆变电路得到频率可调的方波输出。该方波经高压高频变压器升压得 到所需要的高压方波。输出电压的大小和频率通过专用芯片s g 3 5 2 5 控f l ；) j i g b t 的关断来实 现。其结构图如图3 1 所示。 图3 1 系统结构图 f i g 3 1s y s t e ms t r u c t u r e 3 2 电源主电路设计 3 2 1 整流滤波电路 电力网供给的是交流电，而各种电子设备需要的是幅值不同的直流电。整流，就是 把交流电变为直流电的过程。利用具有单向导电特性的器件，可以把交流电变换为直流 叫2 0 1 。在本设计中，首先对电网进行整流处理，以达到主电路各电子器件的要求。 大连理j ：大学硕士学位论文 整流电路分为半波整流、全波整流和桥式整流。下文对三种电路做以比较。 ( 1 ) 半波整流： 图3 2 半波整流电路 f i g 3 2 h a l f - w a v er e c t i f y i n gc i r c u i t 如图3 2 所示，半波整流电路是最简单的整流电路。它由电源变压器、整流二极管d 和负载电阻r n