一低溫等離子處理技術(shù)及裝置研究

楊 揚(yáng), 燕 杰

(1.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257000; 2.山東電力集團(tuán) 東營(yíng)區(qū)供電公司,山東 東營(yíng) 257000)

一低溫等離子處理技術(shù)及裝置研究

楊 揚(yáng)1, 燕 杰2

(1.中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院 機(jī)械與控制工程學(xué)院,山東 東營(yíng) 257000; 2.山東電力集團(tuán) 東營(yíng)區(qū)供電公司,山東 東營(yíng) 257000)

考慮到低溫等離子體處理技術(shù)在工業(yè)中應(yīng)用廣泛,設(shè)計(jì)了一種基于交直流疊加供電的低溫等離子體裝置。完成了主電路的交流電源、直流電源及交直流疊加電路的參數(shù)設(shè)計(jì),建立了SIMULINK仿真模型,實(shí)現(xiàn)了電源主電路、低溫等離子體放電過程及交直流疊加供電的低溫等離子裝置的仿真,并通過對(duì)結(jié)果的分析證實(shí)了系統(tǒng)方案的可行性。

低溫等離子體;交直流疊加供電

低溫等離子體放電模式根據(jù)放電特性、放電區(qū)域的介質(zhì)形態(tài)及放電強(qiáng)弱分為四種:輝光放電、電暈放電、火花放電、流光放電[1-2]。輝光放電[3]相比流光放電產(chǎn)生的低溫等離子體的化學(xué)效應(yīng)更加明顯,并且想要在工業(yè)用的大容量反應(yīng)器上產(chǎn)生更有效的流光放電不能只使用AC高壓電源供電。為了解決上述技術(shù)問題,Yan等在一定頻率(10～60 kHz)的交流電壓上使用交直流疊加電源。與交流供電電源相比,交直流疊加供電的低溫等離子體產(chǎn)生的低溫等離子體的效率較高。本文的電源就是基于該技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì),即采用交直流疊加供電電源。

1 主電路仿真

1.1 參數(shù)設(shè)計(jì)

圖1為低溫等離子體電源的主電路圖,主電路主要實(shí)現(xiàn)了交流側(cè)和直流側(cè)的諧振升壓和高壓直流電壓、高頻高壓交流電壓的疊加。電路設(shè)計(jì)器件參數(shù)如下:

直流側(cè),LDCR取1 μH,CA取60 μF,變壓器TDC變比為1∶2。交流側(cè),LACR取37.5 μH,變壓器TAC變比為1∶10。在疊加電路上,隔交濾波電感LAP取100 mH,隔直耦合電容CCP取40 nF,抗短路電感Ls取1 mH,放電發(fā)生器等效電容CL取20 nF。

圖1 主電路結(jié)構(gòu)圖

1.2 仿真結(jié)果及波形分析

圖2為實(shí)驗(yàn)電路的仿真結(jié)果圖。圖2(a)為直流側(cè)輸入經(jīng)過諧振升壓后的高頻交流電壓的波形,圖2(b)為放電發(fā)生器的直流電壓經(jīng)過變壓器升壓及整流后得到的波形,圖2(c)為交流側(cè)輸入高頻交流電壓后經(jīng)過諧振升壓和變壓器升壓后的波形,即輸入放電發(fā)生器的交流電壓。圖2(d)為放電發(fā)生器的輸入電壓,即交直流電壓疊加后的波形。從圖2(a)、(b)、(c)中的電壓幅值看出:諧振升壓效果明顯。對(duì)比圖2(b)和圖2(c)的波形可以看出,成功實(shí)現(xiàn)放電發(fā)生器的交直流疊加供電。

圖2 仿真結(jié)果圖

2 放電發(fā)生器仿真

對(duì)低溫等離子體放電發(fā)生器的仿真采用MATLAB平臺(tái)的SIMULINK系統(tǒng)建模。本設(shè)計(jì)的放電發(fā)生器可以很好的體現(xiàn)放電的衰減及放電的開始與熄滅的條件,電壓控制電流源反應(yīng)放電時(shí)的瞬態(tài)過程。其中增益與移相反映了放電過程的衰減,放電脈沖由正弦信號(hào)來形成。仿真結(jié)果見圖3。

圖3 仿真結(jié)果圖

由圖3可知,電源電壓到36 kV時(shí),電流波形出現(xiàn)放電電流,幅值為200 mA的脈沖細(xì)絲。脈沖直到電源電壓到正半周峰值時(shí)消失。脈沖在一個(gè)周期出現(xiàn)兩次,每次時(shí)間大概6 μs。相同時(shí)刻,電源電壓為氣隙電壓和介質(zhì)電壓之和。

3 基于交直流疊加供電的低溫等離子放電裝置的仿真

圖4為基于交直流疊加供電的低溫等離子體放電裝置的仿真波形圖。圖4(a)為在50 kV交流電壓上疊加20 kV直流電壓后的裝置輸入電壓波形。圖4(b)為放電電流僅僅發(fā)生在電壓正半周期的放電電流波形。圖4(c)和圖4(d)為介質(zhì)電壓與氣隙電壓的波形。

圖4 仿真結(jié)果圖

4 結(jié) 論

通過對(duì)低溫等離子體放電過程的分析,建立起了低溫等離子體放電發(fā)生器的仿真模型,并利用SIMULINK實(shí)現(xiàn)了對(duì)其放電過程的仿真。在這個(gè)仿真的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)了對(duì)基于交直流疊加供電的低溫等離子體放電裝置的仿真。

[1] 任兆杏.低溫等離子體技術(shù)[J].自然雜志,1996,18(4):201- 208.

[2] 詹花茂,李明,李成榮.介質(zhì)阻擋放電中的紫外線預(yù)電離[J]. 高電壓技術(shù),2005,31(2):62- 66.

[3] YAN K, KANAZAWA S, OHKUBO T, et al. Oxidation and reduction processes during NOx removal with corona induced non-thermal plasma[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing, 1996(19):421- 443.

[責(zé)任編輯] 李冬梅

2014-12-30

楊 揚(yáng)(1986—),女,山東東營(yíng)人,中國(guó)石油大學(xué)勝利學(xué)院機(jī)械與控制工程學(xué)院助教,碩士,主要從事電氣工程及自動(dòng)化研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.01.014

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