一低温等离子处理技术及装置研究

杨 扬, 燕 杰

(1.中国石油大学胜利学院 机械与控制工程学院,山东 东营 257000; 2.山东电力集团 东营区供电公司,山东 东营 257000)

一低温等离子处理技术及装置研究

杨 扬1, 燕 杰2

(1.中国石油大学胜利学院 机械与控制工程学院,山东 东营 257000; 2.山东电力集团 东营区供电公司,山东 东营 257000)

考虑到低温等离子体处理技术在工业中应用广泛,设计了一种基于交直流叠加供电的低温等离子体装置。完成了主电路的交流电源、直流电源及交直流叠加电路的参数设计,建立了SIMULINK仿真模型,实现了电源主电路、低温等离子体放电过程及交直流叠加供电的低温等离子装置的仿真,并通过对结果的分析证实了系统方案的可行性。

低温等离子体;交直流叠加供电

低温等离子体放电模式根据放电特性、放电区域的介质形态及放电强弱分为四种:辉光放电、电晕放电、火花放电、流光放电[1-2]。辉光放电[3]相比流光放电产生的低温等离子体的化学效应更加明显,并且想要在工业用的大容量反应器上产生更有效的流光放电不能只使用AC高压电源供电。为了解决上述技术问题,Yan等在一定频率(10～60 kHz)的交流电压上使用交直流叠加电源。与交流供电电源相比,交直流叠加供电的低温等离子体产生的低温等离子体的效率较高。本文的电源就是基于该技术进行设计,即采用交直流叠加供电电源。

1 主电路仿真

1.1 参数设计

图1为低温等离子体电源的主电路图,主电路主要实现了交流侧和直流侧的谐振升压和高压直流电压、高频高压交流电压的叠加。电路设计器件参数如下:

直流侧,LDCR取1 μH,CA取60 μF,变压器TDC变比为1∶2。交流侧,LACR取37.5 μH,变压器TAC变比为1∶10。在叠加电路上,隔交滤波电感LAP取100 mH,隔直耦合电容CCP取40 nF,抗短路电感Ls取1 mH,放电发生器等效电容CL取20 nF。

图1 主电路结构图

1.2 仿真结果及波形分析

图2为实验电路的仿真结果图。图2(a)为直流侧输入经过谐振升压后的高频交流电压的波形,图2(b)为放电发生器的直流电压经过变压器升压及整流后得到的波形,图2(c)为交流侧输入高频交流电压后经过谐振升压和变压器升压后的波形,即输入放电发生器的交流电压。图2(d)为放电发生器的输入电压,即交直流电压叠加后的波形。从图2(a)、(b)、(c)中的电压幅值看出:谐振升压效果明显。对比图2(b)和图2(c)的波形可以看出,成功实现放电发生器的交直流叠加供电。

图2 仿真结果图

2 放电发生器仿真

对低温等离子体放电发生器的仿真采用MATLAB平台的SIMULINK系统建模。本设计的放电发生器可以很好的体现放电的衰减及放电的开始与熄灭的条件,电压控制电流源反应放电时的瞬态过程。其中增益与移相反映了放电过程的衰减,放电脉冲由正弦信号来形成。仿真结果见图3。

图3 仿真结果图

由图3可知,电源电压到36 kV时,电流波形出现放电电流,幅值为200 mA的脉冲细丝。脉冲直到电源电压到正半周峰值时消失。脉冲在一个周期出现两次,每次时间大概6 μs。相同时刻,电源电压为气隙电压和介质电压之和。

3 基于交直流叠加供电的低温等离子放电装置的仿真

图4为基于交直流叠加供电的低温等离子体放电装置的仿真波形图。图4(a)为在50 kV交流电压上叠加20 kV直流电压后的装置输入电压波形。图4(b)为放电电流仅仅发生在电压正半周期的放电电流波形。图4(c)和图4(d)为介质电压与气隙电压的波形。

图4 仿真结果图

4 结 论

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,并利用SIMULINK实现了对其放电过程的仿真。在这个仿真的基础上,实现了对基于交直流叠加供电的低温等离子体放电装置的仿真。

[1] 任兆杏.低温等离子体技术[J].自然杂志,1996,18(4):201- 208.

[2] 詹花茂,李明,李成荣.介质阻挡放电中的紫外线预电离[J]. 高电压技术,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.

[责任编辑] 李冬梅

2014-12-30

杨 扬(1986—),女,山东东营人,中国石油大学胜利学院机械与控制工程学院助教,硕士,主要从事电气工程及自动化研究。

10.3969/j.issn.1673-5935.2015.01.014

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1673-5935(2015)01- 0045- 02