串联谐振模式下介质阻挡放电动态负载及工作特研究.doc

中国工程热物理学会 燃烧学学术会议论文 编号：094002串联谐振模式下介质阻挡放电动态负载及工作特性研究基金项目：国家自然科学基金资助项目（50776041）；江苏省自然科学基金（BK2008225）赵卫东， 蔡忆昔， 王 军， 庄凤芝， 冉冬立（江苏大学汽车与交通工程学院，江苏镇江 212013）（联系电话E-mail:）摘要：分析了采用串联谐振中频逆变高压电源进行供电的介质阻挡放电装置的工作原理及其负载输入电压的频率特性，并对其动态负载及工作特性进行了试验研究。结果表明，装置负载的介质电容随着放电功率的增加而增大，气隙等效电容则随放电功率的增加而减小，上述系统在负载气隙击穿前后存在两个不同的谐振频率，系统工作在气隙击穿前的谐振频率放电最易启动，而电源频率接近气隙击穿后的回路谐振频率时有利于系统放电功率的提高。关键词：低温等离子体；串联谐振；介质阻挡放电；负载特性；工作特性0 引言 利用低温等离子体（NTP，Non-thermal plasma）的化学特性，引发通常条件下很难进行的相关化学反应，从而分解污染物，在理论上具有能耗低、处理流程短、无二次污染等优点，近年来引起广泛关注。介质阻挡放电（DBD,Dielectric barrier discharge）作为产生NTP的一种方式，具有能在常压下工作、设备结构简便、系统造价低等优点而经常被研究者采用。 基于DBD原理的NTP污染物处理装置，其构造可划分为电源、DBD负载等两个功能模块。在现有的研究成果中15，单独对于电源特性或者DBD负载构造方面的研究较多，而对于电源和DBD负载之间的优化匹配研究较少。 本文通过理论分析和试验的方法，使用绝缘栅双极型功率管（IGBT，Insulated Gate Bipolar Transistor）全桥串联谐振中频逆变高压电源，研究了DBD装置的动态负载特性，并在此基础上对DBD负载和电源之间的优化匹配展开探讨，以期提高DBD装置的工作性能及能量利用效率，为NTP污染物治理技术方面的研究提供理论和试验参考。 1电源工作原理及DBD负载等效电路为获得DBD装置正常工作所需要的交变高压，可采用已在感应加热中广为应用的串联或并联谐振逆变电源供电，由于并联谐振型逆变器存在电压谐波大、启动困难等问题45，故目前DBD装置多采用串联谐振逆变电源供电。图1给出了IGBT全桥串联谐振中频逆变高压电源的原理图。图中Ud是为逆变电路供电的直流电压，可对工频交流电整流滤波后获得；采用反并二极管的功率开关管VT1VT4构成H型逆变全桥电路；C为电容，T为中频升压变压器，L为变压器漏感，R为回路等效电阻。中低频DBD负载电学上相当于一个非线性有损电容。气隙击穿前，等效于介质电容和气隙电容的串联，而在气隙击穿后，气隙电压近似保持为恒定，等效于介质电容及一个稳压二极管的串联6。图1中DBD负载已用其等效电路示出，Cd为介质电容，Cg为气隙电容，Uz为间隙击穿电压。图1采用IGBT全桥串联谐振中频逆变高压电源的DBD装置原理图Fig.1 schematic circuit diagram of DBD device using IGBT full bridge inverter power supplyDBD装置工作时，逆变桥将Ud逆变为一定频率的交流方波，输出至升压变压器T的原边。DBD负载直接与变压器T的副边相连，和升压变压器的寄生漏感及回路等效电阻组成RLC串联谐振回路。逆变桥输出的方波交流电压可用傅立叶级数表示为： （n =1，3，5，） （1）式中，u0为逆变桥输出方波电压，U0为输出方波电压幅值；为方波角频率。n次谐波下逆变桥及变压器原边所组成回路阻抗的模为: （2）因此，谐波次数越高，相应的电流值越小。经LC滤波后，可近似认为只有基波分量起作用，即有角频率为基波频率的正弦交流电压经升压变压器副边升压后输出至DBD负载所在的谐振回路。2 DBD负载电压输入的频率特性如图1，设变压器副边输出正弦波电压幅值为U，DBD负载获得的输入电压为Uc，可得出该谐振回路的固有频率为： （3）式中，L为变压器漏感，C为DBD负载电容，在气隙未击穿前为Cd和Cg的串联，而气隙击穿后为Cd。谐振回路的品质因数为： （4）式中， R为回路等效电阻。 DBD负载获得的输入电压为： （6）式中，为回路角频率。 令 ，则： （7） 其负载输入电压频率特性的变化曲线如图2所示：图2 串联谐振中频逆变高压电源作用下DBD负载输入电压频率特性Fig.2 frequency characteristic of DBD load voltage using Series resonance inverter power supply可以证明，当时，Uc有峰值出现， （8）出现峰值的频率为：或 （9）由上式可见，当Q值较大时，Uc出现峰值的频率非常接近于谐振频率，Umax约为升压变压器T副边输出电压的Q倍。因此，在谐振频率时，使用较低变比的升压变压器即可获得需要的电压幅值，从而减小电源体积，这也正是串联谐振逆变电源获得广泛应用的原因。3 DBD动态负载及工作特性为研究串联谐振中频逆变高压电源作用下DBD负载及工作特性，设计了如图3所示的试验装置。试验中所用电源的逆变频率在525kHz范围内连续可调，电源输入为工频交流电，其幅值通过自耦调压器也可在0250V范围内连续可调。DBD负载采用同轴圆柱单介质结构型式，中心电极直径为10mm，石英玻璃介质的外径为41.4mm，内径为35.4mm，0.1mm厚的铜纸作为外电极，轴向长度为50mm。使用安培表及伏特表监测电源输入电压及电流。使用tek2024B数字示波器测量装置的电压-电荷李萨如图形从而获得放电功率及介质电容Cd及气隙电容Cg79。1 中心电极 2 绝缘介质 3 外电极 4 等离子体处理区 5电容 6电源 7 交流电压表 8 自耦调压器9 交流电流表 10 交流功率表 11 容性分压电路 12数字示波器图3 DBD动态负载特性及负载与电源匹配实验装置示意图Fig.3 sketch map of the experimental device试验中用示波器测量系统放电未发生时负载上输入电压的频率响应特性，测得负载上电压出现峰值时电源工作频率为15.8kHz，该频率可近似认为本试验系统气隙未被击穿前的谐振频率。选取16.7kHz、15.8kHz、15.0kHz三个电源工作频率，通过自耦调压器调节电源的输入电压，改变装置的放电功率，测试在三个不同频率下DBD装置的介质电容Cd与气隙电容Cg随放电功率的变化规律，并自装置开始放电起，记录在不同频率下DBD装置放电功率随电源输入电压的变化关系。3.1 DBD动态负载特性 图5 气隙电容随放电功率的变化曲线Fig.5 air gap capacitance vs. discharge power图4介质电容随放电功率的变化曲线Fig.4 dielectric capacitance vs. discharge power如图46所示，在3个电源工作频率下，DBD介质电容Cd均随着装置放电功率的增加而增大；气隙等效电容Cg则随装置放电功率的增加而下降。不同频率下测得Cd、Cg变化趋势一致，且放电功率相同时电容值非常接近，可认为电源的工作频率对DBD介质电容的影响很小。装置气隙未击穿前的总电容，即Cg与Cd的串联电容值，最大值为9.37pF，最小值为10.09pF，就电容绝对值而言，变化不大。3.2 电源频率对装置工作特性的影响 如图7所示，随着电源输入电压的提高，三个频率下DBD装置放电功率均上升，电源工作在气隙未击穿前回路的谐振频率15.8kHz时，装置放电最易启动；电源工作频率为低于气隙击穿前回路谐振频率的15.0kHz时，装置初始放电功率较其它两个频率大；电源工作频率为高于气隙击穿前回路谐振频率的16.7kHz时，装置初始放电功率较其它两个频率小。在可比较的范围内，当电源输入电压一定时，15.0kHz频率下装置放电功率较其它两个频率大，电源工作频率为高于气隙击穿前回路谐振频率的16.7kHz时，放电功率较其它两个频率小。图6气隙击穿前装置总电容随放电功率的变化曲线Fig.6 gross capacitance vs. discharge power3.3 试验结果讨论 图7 不同电源频率下DBD放电功率随电源输入电压的变化曲线Fig.7 discharge power vs. input voltage under different frequency 在图1所示的等效电路中，Cd正比于介质的介电常数，而陶瓷、石英等介质的介电常数随温度的增加而增大，DBD装置放电功率的增加引起放电区温度的不断上升，因而介质电容Cd表现为随功率的增加而不断增加。气隙电容Cg随放电功率的上升而下降可以解释为，放电功率的上升使气隙内带电粒子数目增多，气体温度上升，从而使放电空间内气体的介电常数有所降低。对于已制作完毕的升压变压器，其漏感L近似为一不变的常量。由文献6可知：对于几何参数一定的DBD负载，其放电功率正比于外加交流电压的峰值和频率，而DBD负载上峰值电压必定出现在气隙击穿之后，此时，图1所示负载所在的串联谐振回路的谐振频率由气隙击穿前的变为气隙击穿后的，其值变小，故小于气隙击穿前谐振频率的15.0kHz在气隙击穿后反而更加接近于如图2所示的负载电压峰值点，而频率15.8kHz及16.7kHz则向右偏离负载电压峰值点，导致在可比较的电源输入电压范围内，负载峰值电压随电源频率的增加而降低，而电源工作频率的提升不足以弥补峰值电压降低对放电功率的影响，从而在相同的电源输入电压下产生图7所示的DBD工作特性。4逆变电源与DBD负载的优化匹配 放电功率决定了DBD设备对污染物的处理效果和能力，对于特定的DBD设备，提高其放电功率是提升设备性能和设备利用效率的有效途径。由图7所示的实验结果可知，电源频率是影响DBD设备放电功率的重要因素，在许多电源输入电压为定值的应用场所（如采用车载蓄电池供电的情况下），对逆变电源的工作频率和DBD负载进行合理匹配以提高DBD装置的放电功率具有重要的意义。 设定逆变电源的输入电压分别为70V、80V、95V、110V、125V，在DBD装置可正常启动放电的频率范围内，调节逆变电源的工作频率，记录DBD放电功率随电源频率的变化规律，实验结果如图8所示。图8 不同电源输入电压下DBD放电功率随电源工作频率的变化曲线Fig.8 discharge power vs. frequency under different input voltage 由图可以看出，DBD装置可工作的频率范围随电源输入电压的增加而增加；在电源输入电压为较小的70V、80V时，DBD放电功率在装置可工作的频率范围内随电源频率的减小而单调增加；而在电源输入电压为较高的95V、110V、125V时，放电功率则呈现随电源频率的减小先增加后减小的变化规律，即放电功率在装置可工作的频率范围内存在极值，且放电功率极值所对应的电源频率随电源输入电压的增加而减小。 由3.3的分析可知， DBD装置的放电功率取决于外加交流电压的峰值和频率两个参数，当电源输入电压较小时，DBD装置可工作的频率范围较小，且均大于回路气隙击穿后的谐振频率，故负载输入电压的峰值随着电源频率的减小而不断增加，电压峰值的增加超过频率降低对DBD放电功率的影响，从而在电源输入电压为70V、80V时呈现如图所示的规律。当电源输入电压较大时，DBD装置可工作的频率范围变大，回路气隙击穿后的谐振频率将处于该频率范围内，且由介质电容Cd的动态负载特性可知，谐振频率将随放电功率的增加而减小，故在电源频率小于的范围内DBD放电功率将随电源频率的减小而减小，从而出现极值，且放电功率极值所对应的电源频率将随电源输入电压的增加而减小。由以上分析可知，当采用串联谐振逆变电源对DBD装置进行供电时，在装置能正常启动放电的情况下，使其工作频率尽可能接近为气隙击穿后的DBD负载回路谐振频率，有利于装置放电功率的提高，因DBD负载的动态负载特性，该谐振频率将随电源输入电压的不同而变动，在实际应用时可通过实验的方法确定。5 结论 （1）DBD负载的介质电容值随放电功率的上升而增加，气隙等效电容随着放电功率的上升而减小。 （2）采用串联谐振逆变电源对DBD装置进行供电时，电源工作频率为DBD气隙击穿前的谐振频率时，放电最易启动，而在装置能正常启动放电的情况下，使其工作频率尽可能接近气隙击穿后DBD负载回路的谐振频率，有利于装置放电功率的提高。参 考 文 献1 Gibalov Valentin，Pietsch Gerhard J. The development of dielectric barrier discharge in gas gaps and on surfaces J. J Phys D：Appl Phys，2000，33（20），26182636.2 Gherardi N，Massines. Mechanisms controlling the transition from glow silent discharge to streamer discharge in nitrogenJ. IEEE Trans on Plasma Science，2001，29（3）：536544.3 蔡忆昔，刘志楠，赵卫东，李小华. 介质阻挡放电特性及其影响因素J.江苏大学学报(自然科学版) ，2005，26（6）：476479. CAI Yixi; LIU Zhinan; ZHAO Weidong; LI Xiaohua. Characteristics and related factors of dielectric barrier discharge J. Journal of Jiangsu University (National Science Edition), 2005, 26(6)：476479.4 Koudriavtsev,ShengPei wang,Konlshi,et al. A novel Pulse density modulated high-frequency inverter for silent-discharge-type ozonizer J .IEEE Transactions on Industry Applications,2002,38(2):369378.5 刘勇,何湘宁,张仲超.脉冲密度调制串联谐振型塑料薄膜表面处理电源的研制J.中国电机工程学报,2005,25(16):158162.LIU Yong,HE Xiang-ning,ZHANG Zhong-chao.Design of Pulse Density Modulated Series Resonant Inverter for Plastec Film Suface TreaterJ. Proceedings of the Csee, 2005,25(16):158162.6 徐学基，诸定昌. 气体放电物理M. 上海：复旦大学出版社， 1996年8月第一版.7 刘钟阳,吴彦,王宁会.DBD 等离子体反应器放电功率测量的研究 J. 仪器仪表学报2001, 22(3): 7879.LIU Zhongyang, WU Yan, WANG Ninghui. Researches on Measurement of Discharge Power in DBD Plasma Reactor J. Chinese Journal of Scientific Instrument, 2001, 22(3supplement)：7880.8 黄玉水，胡凌燕. 一种实用的测量臭氧发生器负载的方法J. 南昌水专学报，2003，22(4)，2425. HUANG Yushui, HU Linyan. A Novel Method to Measuring the Load Parameters of the OzonizerJ. Journal of Nanchang College of Water Conservancy and Hydroelectric Power, 2003, 22(4), 2425.9 杨波，王 燕，白希尧,等.测量介质阻挡放电功率的一种新方法J.大连海事大学学报，2002,28(1):92-96. YANG Bo,WANG Yan,BAI Xi-yao,et al.New method for power measurement in the dielectric barrier dischargesJ.Journal of Dalian Maritime University,2002,28(1):92-96.(in Chinese)Study on Dynamic Load and Working Characteristic of DBD Powered by Series Resonance Inverter PowerZHAO Wei-dong，CAI Yi-xi，WANG Jun，ZHUANG Feng-zhi，RAN Dong-li(School of Automobile and Traffic Engineering, Jiangsu University, Zhenjiang, Jiangsu 212013)（TelephoneE-mail:）Abstract: Experimental and theoretical rese