（电力电子与电力传动专业论文）低温等离子体处理技术及装置.pdf

广 i 一 摘要 低温等离子体处理技术在工业中的应用越来越广泛，有关低温等离子体发 生装置的研究需要进一步深入。本课题研究低温等离子体技术的应用与发生装 置，设计一种基于交直流叠加供电的低温等离子体放电装置，选题具有重要的 实际意义。 论文介绍了低温等离子体处理技术在工业各个方面的应用以及低温等离子 体供电电源的现状及发展趋势，对现阶段几种常见的低温等离子体的放电装置及 低温等离子体的放电模式进行了分析，确定了电源系统交直流叠加供电的低温等 离子体的放电装置方案。设计出了低温等离子体电源的逆变硬件电路，以c 8 0 5 1 f 系列单片机为核心，实现了低温等离子体的放电装置的主体一基于移相控制的 单相h 桥p w m 逆变器。完成了主电路以及交、直流叠加电路的参数设计，并 进行了仿真研究。通过对低温等离子体放电过程的分析，建立起了低温等离子体 放电发生器的仿真模型，并对其高压放电过程进行了仿真。进而完成了对交直流 叠加供电的低温等离子体放电装置的仿真及部分实验调试。仿真与实验研究的结 果证实了系统方案的可行性。 关键词：低温等离子体，交直流叠加供电，串联谐振，移相控制 t e c h n o l o g ya n dd e v i c eo fl o w t e m p e r a t u r ep l a s m a y a nj i e ( p o w e re l e c t r o n i ca n de l e c t r i c a ld r i v e ) d i r e c t e db ya s s o c i a t ep r o f z h a n gj i a s h e n g a b s t r a c t n o w a d a y s ，i t i s g e t t i n g m o r ea n dm o r e w i d e s p r e a da l o n gw i t h t h e l o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ap r o c e s s i n gt e c h n o l o g yi nt h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o n , t h e r e s e a r c ho fl o w t e m p e r a t u r ep l a s m ao c c u r r e n c ed e v i c ei sa l s og e t t i n gm o r ea n dm o r e d e e p l y t h i ss t u d yi sf r o mt h el o w - t e m p e r a t u r ep l a s m at e c h n o l o g ya p p l i c a t i o na n d d e v i c e ，d e s i g n so n eb a s e do nt h ea ca n dd cp o w e rs u p p l yl o w - t e m p e r a t u r ep l a s m a d i s c h a r g ed e v i c e t h e r ei st h ev i t a lp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c eo f t h i ss t u d y i nt h i ss t u d y , i th a sb e e ni n t r o d u c e da b o u tt h e l o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ap r o c e s s i n g t e c h n o l o g yi nt h ei n d u s t r ya p p l i c a t i o na n dt h el o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ae l e c t r i cp o w e r s u p p l y sp r e s e n ts i t u a t i o na n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n t ，a n a l y z e dt h ep r e s e n ts e v e r a l k i n d o fc o m m o nl o w - t e m p e r a t u r e p l a s m a sd i s c h a r g ed e v i c ew h i c hh a sb e e n e n u m e r a t e da n ds u m m a r i z e da n dt h el o w - t e m p e r a t u r ep l a s m a se l e c t r i cd i s c h a r g e p a t t e m ，d e t e r m i n e dt h i ss t u d ye l e c t r i c a lp o w e rs y s t e mw h i c hu s e dt h ea ca n dd c p o w e rs u p p l y i th a sb e e nd e s i g n e do ft h el o wt e m p e r a t u r ep l a s m ap o w e ri n v e r s i o n h a r d w a r ec i r c u i t ，t o o kt h ec 8 0 51fs e r i e ss c ma st h ec o r e ，r e a l i z e dt h em a i no f l o w - t e m p e r a t u r ep l a s m a sd i s c h a r g ed e v i c e 1 b es i n g l e - p h a s ehb r i d g ew h i c hi s c o n t r o l e db yp h a s es h i f t i th a sb e e nr e a l i z e do fp a r a m e t e rd e s i g no fm a i nc i r c u i t 、析t l l a c s u p p l ya n dd cs u p p l y ，a n dc c o m p l e t e dt h es i m u l a t i o no ft h ep o w e rs o u r c ew o r k t h r o u g ha n a l y s i s i n ga b o u tt h el o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ad i s c h a r g ep r o c e s s ，i th a sb e e n e s t a b l i s h e do ft h el o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ae l e c t r i cd i s c h a r g es i m u l a t i o nm o d e l ，a n d r e a l i z e di t s d i s c h a r g ep r o c e s ss i m u l a t i o nb yu s i n gs i m u l i n k f r o mo nt h i s s i m u l a t i o n , i th a sb e e nr e a l i z e do fs i m u l a t i o na b o u tl o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ad i s c h a r g e d e v i c eb a s i n go nt h ea ca n dd cp o w e rs u p p l y t h es i m u l a t i o na n dt h er e s u l to f e x p e r i m e n t a ls t u d yc o n f i r m e dt h ef e a s i b i l i t yo fs y s t e m k e y w o r d s ：l o w - t e m p e r a t u r ep l a s m a , a c a n dd cp o w e rs u p p l y ，s e r i e s r e s o n a n c e p h a s es h i f tc o n t r 0 1 目录 第l 章绪论1 1 1课题提出的背景l 1 1 1 低温等离子体的概念1 1 1 2 低温等离子体的产生1 1 1 3 介质阻挡放电的基本原理2 1 1 4 介质阻挡放电参数的测量。3 1 2 课题的研究意义与应用6 1 2 1低温等离子体技术在臭氧合成方面的应用6 1 2 2 低温等离子体技术在紫外光源和高功率c o ，激光器方面的应用7 1 2 3 低温等离子体技术在平板显示器方面的应用8 1 2 4 低温等离子体技术在新物质合成领域的应用8 1 2 5 低温等离子技术在环境保护方面的应用研究9 1 3 课题研究的现状与发展趋势1 0 1 3 1 课题研究的现状1 0 1 3 2 课题研究的发展趋势1 l 1 4 本论文的主要研究内容1 2 第2 章低温等离子体放电发生器及放电模式1 3 2 1 低温等离子体放电发生器的概述1 3 2 1 1 电阻阻挡放电1 3 2 1 2 金属网电极放电13 2 1 3 水电极放电1 4 2 1 4 多孔阴极放电1 4 2 1 5气流控制的多点对板放电15 2 1 6 紫外线预电离放电16 2 1 7 离子捕获放电1 6 2 2 放电发生器的分类和特点1 6 2 3 低温等离子体放电模式18 2 3 1 辉光放电1 8 2 3 2电晕放电18 2 3 3火花放电l8 2 3 4 流光放电l8 2 4 流光放电的原理1 9 2 5 流光放电低温等离子体的产生2 3 第3 章低温等离子体电源系统的原理2 6 3 1 概述2 6 3 2 反应器负载的分析2 7 3 3 交流侧电源的原理2 8 3 3 1交流侧电源的主电路2 8 3 3 2 串联r l c 谐振的原理2 9 3 3 3 交流侧谐振电路工作状态分析3 3 3 4 直流侧电源的原理3 4 3 4 1 直流侧电源的主电路3 4 3 4 2 并联r l c 谐振原理3 4 3 5 交直流叠加电路的原理3 6 第4 章低温等离子体电源逆变电路的设计与实现3 7 4 1 单相h 桥逆变电路及其控制方式。3 7 4 1 1 移相控制方式：3 7 4 1 2 固定1 8 0 。移相方波控制方式3 9 4 1 3单相h 桥逆变电路的p w m 控制4 0 4 2 逆变电路的设计4 4 4 2 1 编程实现移相p w m 波4 4 4 2 2 按键控制角度的增减4 6 4 2 3 数码管显示4 6 4 3 实验结果及波形分析4 7 第5 章基于交直流叠加供电的低温等离子放电装置的仿真4 9 5 1 低温等离子体放电装置的主电路仿真4 9 5 1 1主电路的参数设计4 9 5 1 2 主电路的仿真模型5 0 5 1 3 仿真结果及波形分析5 0 5 2 低温等离子体放电装置放电发生器的仿真，5 1 5 2 1 放电过程5 1 5 2 2 放电发生器的仿真模型5 2 5 2 3 仿真结果及波形分析5 5 5 3 基于交直流叠加供电的低温等离子放电装置的仿真5 7 5 3 1 装置的仿真模型5 7 5 3 2 仿真结果及波形分析5 9 第6 章结论及展望。6 1 参考文献6 2 致j 射6 5 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 课题提出的背景 第1 章绪论 1 1 1低温等离子体的概念 存在于自然界的各种物质，根据所处温度的不同可以分为三种状态，分别是固 态、液态和气态。这些状态指的是由微观粒子组成的大物体的实际聚集状态，根据所 处环境的不同会体现出不同的存在状态【1 2 j 。 在物质的各种状态中，结合成固态的粒子之间的结合最紧密，液态次之，气态则 最分散。要使物质从紧密的聚合态转化到分散的聚合态，就需要提供额外的能量。例 如物质从固态转化到液态时，就需要提供足够大的能量，使组成固态物质的粒子的平 均动能超过粒子在固态物质中的结合能，只有施加的能量大到可以破坏固态物质的晶 体结构时，固态到液态的转变才会实现。同理，从液态到气态的变化也是如此。当物 质变为气态后，如果继续施加能量，组成气态物质的粒子就会发生电离，变成分别带 正、负电荷的离子和电子。 对气体来说，只要环境温度不为零，就一定会有微量粒子是自然电离的，但是电 离粒子的数量不会使气体的性质发生改变。如果外界环境发生改变或者施加人为的影 响，使气体中带电粒子的浓度超过一定值( 一般情况下是千分之一) ，此时气体虽然依 旧表现的比较稳定，但是整个系统的运动，却已经被带电粒子所支配，当从外界施加 电磁场时，就会表现出一系列新的性质。当气体完全电离或部分电离后，其中自由电 子和离子所带的电荷总数上是相互抵消的，我们把这种状态下的气体，称为等离子 体，也可以称为物质的第四态。 低温等离子体与高温等离子体的区别在于离子的温度和离子体的通道。低温等离 子体又被称为非平衡等离子体，这是因为虽然电子的运动温度与其他粒子和整个等离 子体通道的平均温度相差很大，此时电子与其它粒子为非平衡态，因为低温等离子体 易在常温常压下产生，所以在工业应用中有着广阔的前景。 1 1 2 低温等离子体的产生 只有在电场极不均匀并且处于电场强度最大时，低温等离子体才会放电。从 外界施电场后，电子开始获得能量并与周围的粒子进行碰撞，并以这种方式将自身的 能量传递出去，使它们电离并产生电子雪崩。在这个过程中将会出现相当数量的电 1 第1 章绪论 荷，当他们聚集后，就会产生本征电场( 自感电场) ，这样就会进一步加速高能电子。 同时电离后的原子会向阴极传播，这个运动过程就会形成导电通道，当导电通道经过 放电气隙时就会形成气体的击穿。由于导电通道一般都呈细丝状，所以放电电流的放 电时间非常短，当放电电流所携带的电荷在介质表面积累时就会形成反电场，这个反 电场会对外加电场进行削弱，当削弱到零时，放电电流就会中断。由于介质间的绝缘 作用，这种微放电现象可以在等离子体中的很多位置上同时发生，而微放电的形状也 会随着放电电极结构而改变，图1 1 为两种不同的低温等离子体放电形貌。 图卜1 低温等离子体放电形貌 f i g1 - 1 t h ei m a g eo fl o w - t e m p e r a t u r ep l a s m ad i s c h a r g e 1 1 3 介质阻挡放电的基本原理 低温等离子体放电的常见模式是介质阻挡放电。介质阻挡放电( d i e l e c t r i cb a r r i e r d i s c h a r g e ，d b d ) 3 1 ，顾名思义就是将绝缘介质放入气体的放电空间，并在放电电极上 施加足够高的交流电压，由于绝缘介质的阻挡作用，即使需电离的气体气压很高，也 会被击穿放电。由于介质阻挡放电不是一个长时间大面积的过程，而只是大量细微的 快速脉冲放电通道构成的局部火花或弧光放叫4 1 ，所以介质阻挡放电会表现为一种均匀 的、满散的、稳定的宏观放电过程，由大量细微的快脉冲放电通道构成。 在正常大气压条件下，介质阻挡放电的形式大多数都是细丝状的，整个放电过程 由许多随机分布的放电细丝组成的，这些放电细丝持续时间都非常短暂，一般只有几 个纳秒，但电流密度非常大：1 0 6 口1 0 7 a m 2 。图1 2 所示的是典型的细丝放电的电压与 电流波形。图中”是外加的激励电压，是气隙上的电压，是放电的维持电压， 到乞就是低温等离子体的放电时间。 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 j | 一一 图l - 2放电的电压电流图 f i g1 - 2d m c h a r g ev o l t a g e - c u r r e n tf i g u r e 低温等离子体放电的一个放电通道的示意图如图1 - 3 所示，从图中可以看出放电细 丝在绝缘介质上会发生大于本身的直径的扩散，低温等离子体放电就是由大量这样的 放电细丝随机分布组成的。 绝 图1 - 3 微放电通道 f i g1 3m i c r o - d i s c h a r g ec h a n n e l 1 1 4 介质阻挡放电参数的测量 为了研究发放电的性质和放电的控制方法，需要对介质阻挡放电参数进行测量， 由于这个放电过程会受到很多外界条件的影响，因此测量参数的准确性直接决定着研 第l 章绪论 究分析结果。一般情况下，需要测量的参数主要包括：气隙中的场强，放电的功率， 放电传递地电荷量，放电电流，放电维持电压，外加激励电压，温度，压力，绝缘材 料的介电常数，绝缘介质的厚度，气隙间距，绝缘介质的等效电容，气隙等效电容与 放电负载的总的等效电容等。其中介电常数等参数，绝缘介质的厚度d ，气隙间距g 可以通过直接的测量得到。实际用于放电的功率0 ，放电维持电压坼，绝缘介质等效 电容巴，气隙等效电容c g 等参数无法通过直接测量来得到，但是他们可以通过分析李 萨如图形而得到，其测量方法如图1 _ 4 所示【硒】。其中巴为测量电容，与也是分压 电阻。下面对放电参数的测量方法进行简要综述。 图1 - 4 李萨如图形的测量电路 f ig1 - 4 t h em e t e r i n gc i r c u i to fl i s s a j o u sf i g u r e 图中可以通过与负载相串联的电流互感器或电阻来测量放电电流，通过公式 q = 白么d 和c g = 么g 可以计算出绝缘介质和气隙的等效电容，这两式中的白与 毛分别为绝缘介质和放电气体的介电常数，对于空气来说& 可取为1 ，a 为电极面 积，整个放电负载的等效电容为c = 丢莩专。较大的绝缘介质的介电 常数口1 ，一般g d ，则： 苦= 篇硎一t ”蚴， ， 4 中国石油大学( 华东) 硕j ：学位论文 式( 1 1 ) 中，i j d 和“冒分别为加在绝缘介质和气隙上的电压，从式中可以看出，放 电前所施加的激励电压t l ，主要是作用在了气隙上，绝缘介质只承受了很小的一部分。 随着外加激励电压的逐渐增大直到超过了放电起始电压，气隙中就会发生放电现象， 为了维持放电电压以为恒值，气隙上的电压甜g 也要相对恒定，并且这个电压的大小与 气体成分、压力、温度、气隙间距等因素有关【7 1 。 如果将测量电容巳上的电压与外加电压与加在示波器y 与x 的通道，就可以得到 气体放电的李萨如图形如图1 5 所示，通过这种方法，也能够测量出绝缘介质和气息的 等效电容。 q j哼 c 一 胁 。 v 1 。 r d 彳。 图1 吨用q _ v 李萨如图形确定负载参数 f i g1 - 5 w i t h0 - vl i s s a j o u sf i g u r ed e f i n i t el o a dp a r a m e t e r 图中( a b ，c d ) 为放电阶段，( b - c ，d - a ) 为非放电阶段。 放电阶段的曲线斜率： k = t g a = q 4 非放电阶段曲线斜率为： k 2 - t g b 圳c 南+ 寺 ( 1 - 2 ) ( 1 - 3 ) 其中a 为电极面积，通过上面两个式子就可以计算出气隙和介质的等效电容c g 、 g ，图1 - 5 中x 轴的两个过零点之间距离为2 坼。 5 第1 章绪论 通过计算司以得到放电功翠： 邱= f i z a 啜d ( 包哆) ( 1 4 ) 其中：厂为电源电压频率 s o 为图形的面积，皿，q 为x 轴和y 轴的值，单位为m m v 。 设外加激励电压“= 砜s i n ( w t ) ，其中( - 0 为外加激励电压的角频率。当放电开始的 时候椎为一个定值坼，因此可得到介质电压= s i n ( c o t ) 一坼。介质里存储的电荷 为： q = g u d = c a u 。, s i n ( c o t ) 一坼】 ( 1 5 ) 流过绝缘介质的电流为： 乙= 亟d t = g ( o u c 。s ( 研) ( 1 - 6 ) 由于气隙中的电流f g 屯，因此可以得出放电的瞬时功率为： 砟= = g c o u 7 u c o s ( c o t ) ( 1 7 ) 放电平均功率为： 1 2 课题的研究意义与应用 随着微电子学、能源与材料等学科的高速发展，低温等离子体处理技术也有了长 足的进步，完成了从6 0 年代初的空间等离子体研究到8 0 年代与9 0 年代以材料研究为 导向的研究领域的大转变。现今，不论是高新科技的发展还是传统工业的改造，都有 低温等离子体技术的身影，它已经成为了一个具有重要影响力的科学与工程，下面我 就列举几个低温等离子体处理技术应用比较广泛的方面。 1 2 1低温等离子体技术在臭氧合成方面的应用 众所周知，臭氧是现代工业中不可缺少的一种原料，在各个领域中都有着非常广 6 遗i 、j r 神卜 o、， n g 一 一降 q l 弛 “，气l_川-j 三幼 “ 1，j ，_ 气叱妈 缈 p 一 义 一释 o 一矿1 c 以一 和半 u ，席 彩 心 以 u _ 掣 弛 钉 玛 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 泛的应用，例如医疗系统的杀菌灭毒，环境保护，化学工业，食品工业和造纸纸浆的 漂白等。低温等离子体处理技术是产生高浓度高产量臭氧的一种十分有效的技术手段 s l 。利用介质阻挡放电臭氧发生器，电极间施加频率3 - 5 0 k h z 、电压5 - 5 0 k h z 的交流 电，就可以使氧分子完成分解、分解电离、复合等一系列等离子体反应过程，在这个 过程中就可以形成一定浓度的臭氧。由于外加电场的强度直接决定着氧分子的分解电 离过程，因此也决定了所产生的臭氧浓度。 虽然应用低温等离子体技术可以产生臭氧，但是目前工业用臭氧发生器都有着相 同的缺点，例如产生的臭氧浓度和生产效率都偏低、电介质容易损坏且造价和运行成 本都比较高。为了改善这种状况，就必须对整个臭氧发生过程进行改进，主要途径就 是要提高低温等离子体的控制能力，提高高能电子( 8 4 e v ) 的比率和电场强度，或 者采用新的供电电源，新式的介质材料，改进装置的集合参数等等。今后臭氧发生的 器的发展应该结构更加模块化和小型化，电源更加高频高压，间隙更窄，电介质更 薄。如今在窄间隙方面的研究已经取得了一定的成果，在不久的将来浓度大于2 0 0 9 m 3 ， 产生效率1 0 0 f k w i - h 的臭氧发生系统都将投入使m 1 9 1 。 1 2 2 低温等离子体技术在紫外光源和高功率c o ，激光器方面的应用 紫外辐射按波长不同可分为四个波段：近紫外辐射、中紫外辐射、远紫外辐射和 极远紫外辐射。紫外辐射的效应与物理特性是随着它的波长的变化而变化的，不同波 长的辐射会有不同的应用。在现代社会中，各个波长的紫外辐射已经广泛的应用于医 疗卫生、工农业、国防军事等许多领域，而如何获得符合要求的紫外辐射光源也成为 了研究的热点【l o j 。 紫外辐射是由准分子的衰变产生的，这里所说的准分子，实际来讲并不是分子，因 为它是极度不稳定的，通常在纳秒期间内就可以衰变到基态，由于基态是排斥态，并且衰 变过程中会产生激发能，而紫外辐射就是激发能释放的结果。准分子的形成是一种三 体碰撞的过程。使用不同成分的气体便可获得不同波长范围的紫外光源。只有在高气 压放电的条件下，才会形成准分子的三体碰撞。在传统的激励方法中，所使用得放电 方法主要为快脉冲放电或电子束放电，但是这种方法是有体积大，寿命短，效率低等 缺点。所以有学者提出将低温等离子体技术应用于紫外光源中，并且发现使用低温等离 子体技术可以获得辐射强度更高、均匀性更好的紫外光源 i l l 。 7 第l 章绪论 目前使用较多的是使用直流激励的c o ：激光器，但是由于放电的不稳定性，这种 激光器在使用过程中存在着很多问题，例如无法连续工作效率太低，难以控制等【l2 1 ， 但是将低温等离子体技术应用于高功率c o ：激光器的激励，就会产生很好的效果。 众所周知，利用电介质的镇流效应，能够使电极间的放电保持为均匀而强烈微放 电。这就需要在低温等离子体放电中电极的表面需要覆盖一定厚度的电介质，这样不仅 能够有效的提高功率密度，还能使均匀性和稳定性得到提高，并使输出光束的质量得到改 善。而且减少了以前镇流电阻的能量损耗，提高了效率。除此之外，这层电介质还能 有效的防止工作气体被阴极溅射污染，极大的提高激光器的使用寿命。此外，低温等离 子体放电通常都需要使用一个高频电源供电，因此就可以通过调整高频时控开关来对激 光器的功率进行调节，这样做的结果就会使激光器的体积更加紧凑，方便使用。 与传统的c o ：激光器相比，低温等离子体放电激励的大功率c o ：激光器具有明显 的优势，因此成为了未来的发展趋势。虽然这种技术优势很明显，但是还面临着一个 主要问题：尽管在宏观上低温等离子体放电是均匀的，但是微观过程确是随机的，所 以低温等离子放电的同步性就成为了一个今后研究的重要课题。 1 2 3 低温等离子体技术在平板显示器方面的应用 目前，彩色等离子体显示器( p d p ，p l a s m ad i s p l a yp a n e l ) 已经进入了市场，成为了 当今电脑显示屏和电视电视屏的主要发展趋势。等离子体显示器就是利用了低温等离 子技术实现的，主要利用的就是介质阻挡气体放电原理。通过惰性气体放电可以产生 可见光，直接应用时，就是单色的等离子体显示器；而彩色的等离子体显示器是因为 紫外线照射的目标变为了蓝绿红的光敏荧光粉。相比于液晶显示器，等离子体显示器 主要有以下几个优点：重量轻、体积小、视角较大( 1 6 0 。) 且容易获得大面积的显示，除 此之外，最为突出的优点就是即使在恶劣的环境下，依然拥有比较好的图像稳定度， 而且制造工艺要比液晶显示器简单得多。虽然等离子体显示器有着很多的优点，但是 目前的彩色等离子体显示器在亮度、图像质量上还有不特别令人满意，会很大的改进 空间。但是等离子体毕竟是一种先进的科技，随着新技术的不断发展与突破，等离子体 显示器所遇到的种种问题都将会得到较好的解决【1 3 1 。 1 2 4 低温等离子体技术在新物质合成领域的应用 在现阶段，鉴于低温等离子体技术已经成功应用于臭氧的合成等方面，因此许多 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 研究者都希望能够用这种新技术来合成其它新物质，利用低温等离子体技术来合成新 物质也随之成为了新的研究热点。使用这种技术合成新物质的尝试，最早起于1 9 7 4 年。l u ky a n o v 等人对高压的c o ：和c h 。气体使用了介质阻挡放电的方法，并成功的合 成了含氧的碳氢化合物：醇、醛，其含量为1 0 8 3 a m o l m i n 。在十多年后的1 9 8 7 年， f i n l a y s o n 等人也使用相同方法获得了含氧的碳氢化合物醛等。由于之前的合成都是在 较高的气体压力下进行的，在1 9 9 9 年，b a im i n d o n g 等人尝试了在较低气压的条件下， 低温等离子体放电方法在新物质合成方面的使用效果。利用这种方法，b a im i n d o n g 等 人在0 1m p a 的气压条件下，成功地把n 2 加h 2 合成为n h 3 ，而且浓度还达到了 3 7 9 5 m g m 3 ，成为了一次成功的尝试。进入新世纪后，还有许多研究者在这方面进行了 研究，并取得了相当多的成果【1 4 1 。虽然当前的研究成果令人振奋，并且为低温等离子体 技术进入工业应用奠定了基础，但是却面临着一个瓶颈：就是目前合成物的浓度普遍 偏低、产量偏小、最严重的就是效率不高，即使最为成功的在臭氧合成方面的效率也 仅为l o 左右，不能满足人们的要求u 引。 1 2 5 低温等离子技术在环境保护方面的应用研究 环境问题一直以来是一个关系到人类生存与发展的重要课题。而近些年来，由于 n o 。、s o ：、c o ：、氟利昂等物质的过度排放，各种环境问题日益突出，例如酸雨、 温室效应、臭氧层破坏等，并且已经严重威胁了人类的生存发展，能否有效的解决这 些问题成为了很多科学研究者面临的严峻课题。 前面已经介绍了低温等离子体技术在合成臭氧和紫外辐射光源方面已经开始了成 熟的应用，所以有一些研究者开始利用低温等离子体技术开始了净化汽车尾气，分解 有害气体和对烟气的脱硫脱硝等方面的研究工作。早在1 9 8 9 年s k d h a l l 等人【1 6 】就使用 类似臭氧合成装置，在6 0 h z 、1 5 k v 的放电条件下，对烟气中s o ：的脱除效率可以达到 4 4 ；在随后的1 9 9 1 年，这方面的应用就更加成熟，利用低温等离子体技术进行烟气 脱硫的效率已经超过了7 5 ，并对这一过程进行了数值模拟；同年，m o ob e e nc h a n g 等 人【1 刀将低温等离子体技术和紫外照射技术结合起来，在模拟烟气条件下进行了测试， 结果表明使用这种方法，烟气脱硫效率高于8 0 ；1 9 9 2 年，m a n a b uh i g a s h i 等人【1 8 j 将 低温等离子体技术与动态喷油技术相结合，在柴油机上对s o ：，n o 。和烟尘的脱除率 9 第1 章绪论 分别达到了7 0 ，2 0 ，1 0 0 。1 9 9 3 年，m o ob e e n c h a n g 等人也利用上述的方法， s 0 2 脱除率为7 9 而n o 的脱除率为2 9 ；1 9 9 7 年，高泰荫等利用在无声电场作用下使 得碳烟的氧化率超过5 4 2 0 】；1 9 9 8 年，h a n sr s n y d e r 等人利用低温等离子体技术对 氯苯分解进行了研究；2 0 0 1 年，z h i t a oz h a n g 等【2 2 】人利用低温等离子体技术脱出s o ：时 对铵盐进行了回收，回收结果达到了令人惊讶的8 8 。 从上面的介绍可以看出，在低温等离子技术应用于烟气脱硫、脱硝和净化汽车尾 气方面，取得了很好的效果，而且由于低温等离子体放电是强电离放电，即使在正常的 大气压条件下也可以实现，并可以将释放的电能量直接作用于有害气体，因此会有非 常好的应用前景。 1 3 课题研究的现状与发展趋势 1 3 1 课题研究的现状 低温等离子体的负载为放电发生器，放电发生器的供电电源作为整个系统中的关 键。就目前的研究和应用而言，低温等离子有高频电源和工频电源两种，其中高频交 流电源是研究的焦点。拓扑结构与控制方法是其主要的研究方向，拓扑结构的研究主 要针对桥式电流型拓扑结构和桥式电压型拓扑结构，该类研究具有很好的应用前景。 控制方法的研究主要集中于各种控制方法的综合借鉴运用，以得到较好的应用效果。 箍雹l l 口 ( 5 旒翻| i 回 图1 - 7 具有功率因数补偿的工频升压电路拓扑结构图 f ig1 7t h et o p o l o g yf i g u r eo fb o o s t e dc i r c u rw i t hp o w e rf a c t o rc o m p e n s a t i o n 以往应用的低温等离子放电设备供电电压多数是通过工频电压经变压器升压的方 式得到同频率的高压交流电压( 如下图l 一6 所示电路的拓扑结构图) ，该类放电设备的 好处是成本低廉，目前还在大量的使用过程中，虽然该类设备在技术上不断的改进升 1 0 一 中国石油大学( 华东) 硕：七学位论文 级，例如通过在升压变压器的二次侧并联电感的方式来提高供电电源的功率因数( 如图 1 7 所示) 。这种方式也存在明显的不足：通常效率不高，而且使用的变压器体积较大 系统工作时产生大量的谐波对电网的污染相当严重。 当放电设备的放电电压要求较高时，会同时对变压器的设计和制造提出更高的要 求，硬件成本也随之提高，有时可能会比中高频逆变电源的成本还要高，这是很不合 理的，还有就是介质阻挡放电型负载发生器的工作效率与放电发生器的工作效率有着 直接联系，这些不足之处使得工频升压电源正被以串联负载谐振电源与并联负载谐振 电源构成的中高频电源替代 1 3 2 课题研究的发展趋势 随着应用场合的要求和技术的发展，低温等离子体装置有以下几种发展趋势： l 、装置控制趋向于数字化和智能化 近几年，数字芯片的快速发展，使得低温等离子体装置的趋向于告别以往的模拟 控制系统，越来越多的使用数字与模拟相结合。将来可能会完全采用数字化的控制和 处理。数字化的优点在于减少干扰信号，避免以往模拟信号的失真与畸变，并且可以 解决在以往模拟控制中难以解决的问题，实现更加灵活，更加方便的控制。并且，目 前的低温等离子装置都是开环的控制系统，受外界因素的影响比较大，系统不够稳 定，所以，对低温等离子装置的闭环控制的研究将会是发展的重点。 2 、装置电源的大功率与高频化 目前，在工业上，低温等离子体装置的利用最多的是在臭氧制造方面。但是，我 国现在的大容量臭氧发生器还相当的落后。目前，我国能够生产的臭氧发生器最大单 机容量为l o k g h ，而国外早已达到了4 0 0 k g h 。而制约着我国臭氧技术发展水平的就 是供电电源的技术水平。所以，研究高频化，大功率的性能优越的供电电源是今后发 展的重中之重。 3 、装置的软开关技术的使用 现阶段，软开关技术的应用越来越广泛，但是因为低温等离子放电的特殊性，其 维持电压、气隙等效电容、介质等效电容都会随着系统的温度、承受的电压，工作的 频率等各种因素的影响，所以采用软开关技术有相当大的难度。但是软开关技术在提 高系统的功率因数上有无可比拟的优势。所以，如何在低温等离子装置上使用软开关 技术，也是今后发展的重点。 第l 章绪论 1 4 本论文的主要研究内容 本文从低温等离子体技术的应用与装置出发，设计出一个基于交直流叠加供电的 低温等离子体装置，本文的研究内容如下： 1 、阐述低温等离子体和介质阻挡放电的概念，介绍低温等离子体处理技术在工业 各个方面的应用，以及低温等离子体供电电源的现状及发展趋势，明确的本课题的研 究意义与研究内容。 2 、阐述几种国内外实现大气压下低温等离子体放电的放电装置，并论述放电发生 器的分类和特点，介绍低温等离子体的放电模式，详细论述流光放电的基理，并根据 y a n 等人的实验结论，说明本文的电源采用交直流叠加供电。 3 、详细论述低温等离子体电源的工作原理，分别从反应器，交流电源，直流电源 以及交直流叠加电路方面进行工作原理的分析，并详细分析串联谐振的工作原理。 4 、设计低温等离子体电源的逆变电路，用c 8 0 5 1 f 系列单片机实现两路p w m 波移 相控制单相h 桥逆变电路，实现产生幅值可调的高频交流电压。 5 、实现主电路的交流电源，直流电源，交直流叠加电路的参数设计，并对电源主 电路的工作进行仿真，并对仿真结果进行波形分析。 6 、分析低温等离子体的放电过程，建立低温等离子体放电过程的仿真模型，分析 其放电时刻与击穿电压，利用s i m u l i n k 实现对其放电过程的仿真，并对仿真结果进 行分析。 7 、综合前面的设计，实现对基于交直流叠加供电的低温等离子装置的仿真设计， 并分析其仿真结果。 8 、对本文研究的内容和取得的成果进行简要的总结，并提出了需要进一步解决的 问题。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第2 章低温等离子体放电发生器及放电模式 2 1低温等离子体放电发生器的概述 在大气压下实现低温等离子体放电已经有相当长的一段时间了。1 9 3 3 年， v o ne n g l e 在首次实现低温等离子体放电【2 3 1 ，在氢气和空气的混合物中。但是必 须先在真空设备里启动，然后加气压至大气压，并且放电不稳定。近几年，又 有许多新兴的技术实现了低温等离子体放电。下面我就列举几种国内外实现大 气压下低温等离子体放电的放电发生器。 2 1 1电阻阻挡放电 电阻阻挡放电的电极雏形是阴极针形电极和电阻串联，为了避免细丝放电 的发生，电阻限制电流的增长，提供了介质阻挡，最终实现了大气压下的均匀 低温等离子体放电【2 6 1 。2 0 0 1 年l a r o u s s i 等人的电阻阻挡放电的电极使用了电阻 率合适的材料，实现了大气压氦气中的大面积均匀放电。主要放电结构如图2 1 所示。它的主要的不足在于一般需要加氦气等气体，功率无法很高，电阻的发 热严重。 图2 - 1电阻阻挡放电结构 f i g2 - 1r e s i s t a n c eb a r r i e rd i s c h a r g es t r u c t u r e 2 1 。2 金属网电极放电 1 9 9 3 年o k a z a k i 等通过使用金属网电极，分别在空气，氩气，和氧气中实 现了低温等离子体放电，放电结构如图2 - 2 所示，金属网放置在绝缘介质板和金 1 3 r ， 第2 章低温等离子体放电器及放电模式 属电极之间。它的主要缺点在如果要维持稳定的低温等离子体放电，两个绝缘 介质板间的间隙最大不能超过3 5 n m l 。 陶 图2 - 2 金属网电极放电结构 f i g2 - 2m e t a lw i r ee l e c t r o d ed i s c h a r g es t r u c t u r e 2 1 3 水电极放电 m o u n i rl a r o u s s i 等【2 7 】在2 0 0 2 年提出使用水电极来实现低温等离子体放电的 方法。结构如图2 3 所示，上电极为金属电极，下电极为水电极。 金属电极 水电 水冷 图2 - 3 水电极的放电结构 f i g2 - 3w a t e re l e c t r o d ed i s c h a r g es t r u c t u r e 2 1 4 多子l 阴极放电 a k i s h c v 等渊使用多孔阴极的方法来实现低温等离子体放电，多孔阴极的放 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 电结构如图2 4 所示，它的低温等离子体放电的产生是通过多个辅助放电来诱导 的。放电结构有点复杂是它的主要缺点。 主放 放电 辅助 卜放电 图2 _ 4 多孔阴极的放电结构 f ig2 - 4p o r o u sn e g a t i v ep o l ed i s c h a r g es t r u c t u r e 2 1 5 气流控制的多点对板放电 气流控制的多点对板放电结构如图2 5 所示【2 9 】，这种方法是通过气流的控 制，使放电从电晕到辉光，辉光到弧光过度，充分利用电晕放电的负电晕，来 实现低温等离子体放电。它的控制要求比较严格，易于过度为弧光放电，最大 限制电流为1 1 0 0 衅。 图2 - 5 气流控制的多点对板放电结构 f i g2 - 5g a sf l o