串联谐振模式下介质阻挡放电动态负载及工作特性研究

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1、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：13951404629E-mail:zhaowd@ujs.edu.cn）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

2、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-thermalplasma）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,Dielectricbarrierdischarge）作为产生NTP的一种方式，具有能在常压

3、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[1～5]，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，InsulatedGateBipolarTransistor）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

4、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[4～5]，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VT1～VT4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

5、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.1schematiccircuitdiagramofDBDdeviceusingIGBTfullbridgeinverterpowersupplyDBD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

6、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；ω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。2DBD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DB

7、D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，ω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.2frequencycharacteristicofDBDloadvoltageusingSeriesresonanceinverterpowersupply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