介質(zhì)阻擋等離子體串聯(lián)諧振式電源

介質(zhì)阻擋等離子體串聯(lián)諧振式電源引言介質(zhì)阻擋放電（DBD）最早起源于對臭氧發(fā)生及其應(yīng)用技術(shù)的研究。近二十多年來，由于工業(yè)等離子體化學(xué)合成與分解、環(huán)境污染治理等方面的需求，同時又由于材料科學(xué)和電力電子技術(shù)等相關(guān)學(xué)科也取得了較大的發(fā)展，因此促進(jìn)了對介質(zhì)阻擋等離子體產(chǎn)生系統(tǒng)的研究，并很快成為低溫非平衡等離子體研究的熱點(diǎn)之一。介質(zhì)阻擋等離子體裝置作為一個由反應(yīng)器、電源、媒質(zhì)氣體等組成的系統(tǒng)，通常要在適當(dāng)?shù)臍怏w流量、氣體壓力、濕度和一定的電源電壓、頻率條件下工作，電源是給放電裝置提供能量的重要組成部分，亦是關(guān)鍵技術(shù)。本文研制和開發(fā)了大功率介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生電源系統(tǒng)，通過一系列實驗室和現(xiàn)場工程試驗，獲得了電源運(yùn)行特性和穩(wěn)定工作條件，進(jìn)行了長期運(yùn)行輸出功率20?30kW、最大輸出功率約80kW的工業(yè)試驗，實現(xiàn)適用介質(zhì)阻擋放電的百千瓦級電源的工業(yè)應(yīng)用，掌握了此類大功率電源的設(shè)計和制造核心技術(shù)。1電源工作原理與技術(shù)要點(diǎn)介質(zhì)阻擋等離子體發(fā)生器電源自上個世紀(jì)以來隨著電子技術(shù)、電力電子技術(shù)、控制技術(shù)和材料技術(shù)等相關(guān)學(xué)科和技術(shù)的發(fā)展，經(jīng)歷了工頻（50/60HZ）、中頻（幾百至幾千Hz）和高頻（＞i0kHz）三個階段，高頻高壓串聯(lián)負(fù)載諧振式電源是目前主要發(fā)展方向。本文研制大功率電源的主電回路亦采用高頻高壓串聯(lián)負(fù)載諧振式工作方式，其諧振式控制采用電流過零關(guān)斷形式。1）介質(zhì)阻擋等離子體串聯(lián)諧振式電源工作原理HideakiFujita和KazuyukiOhe分別設(shè)計了用于介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)的脈沖密度控制電源和用于臭氧生產(chǎn)的時控逆變電源。電源的電壓和頻率是兩個重要參數(shù)，研究電壓和頻率對放電性能的影響的報道也很多，但在激勵電源變壓器參數(shù)與反應(yīng)器結(jié)構(gòu)參數(shù)相匹配方面的研究還未見報道。由于介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)中存在具有感性的電源變壓器和具有容性的介質(zhì)阻擋等離子體反應(yīng)器，實際上構(gòu)成了一個R、L、C串聯(lián)電路系統(tǒng)，該系統(tǒng)必然存在一個固有諧振頻率，并會影響到介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)的頻率特性，進(jìn)而影響介質(zhì)阻擋等離子體的放電性能。因此，對介質(zhì)阻擋等離子體系統(tǒng)諧振問題的研究對于提高系統(tǒng)放電性能參量具有十分重要的意義。本文采用串聯(lián)諧振式電源，其主回路如圖1所示，線框I代表的是串聯(lián)逆變供電電源，其中整流二極管VDZ1?VDz6組成三相不可控整流，和濾波電感L和儲能電容C1、C2共同形成逆變電路輸入的直流電壓VD1;IGBT的VT1?VT2和快恢復(fù)二極管VD1?VD2構(gòu)成半橋逆變電路;線框II是電流過零關(guān)斷諧振控制電路，由霍爾電流傳感器TFI檢測信號，輸入諧振控制器CTRL，CTRL產(chǎn)生IGBT控制信號，輸入IGBT控制極;線框III為阻擋介質(zhì)反應(yīng)器等效電路，其中Cd和Cg分別為未放電時介質(zhì)和氣隙等效電容，VDZ為擊穿電壓為Uz的等效雙向穩(wěn)壓二極管。TF為高頻升壓變壓器。

圖1適用介質(zhì)阻擋等離子體串瑕諧振式電源的主回路2)串聯(lián)諧振式控制與電流過零關(guān)斷高頻高壓串聯(lián)負(fù)載諧振式電源的主要控制方式有：率因數(shù)調(diào)節(jié)PFR(PowerFactorRegulaTIon),PFR控制靠改變驅(qū)動信號與反饋電流Ui的相位來調(diào)節(jié)輸出功率;脈沖密度調(diào)制PDM(ulseDensityModulation)，PDM控制通過對逆變器的開關(guān)脈沖進(jìn)行間斷控制，調(diào)節(jié)輸出脈沖密度的大小，以達(dá)到功率調(diào)節(jié)的目的;移相控制一脈沖寬度調(diào)制PSCPWM(haseShiftingContr0l-PWM)，PSC-PWM控制將基本橋臂的驅(qū)動信號與反饋電流Ui同相位，再使移動橋臂驅(qū)動信號超前或滯后基本橋臂驅(qū)動信號一個相角。但是，上述串聯(lián)負(fù)載諧振式電源控制方式都存在電子開關(guān)損耗大，影響電子開關(guān)安全使用的問題，電子開關(guān)的損耗隨著頻率增大成比例增加，限制了功率提高。為提高開關(guān)功率，降低開關(guān)損耗，減小電源體積，本文采用準(zhǔn)諧振電流過零的軟關(guān)斷技術(shù)，有效地降低伴隨著高頻化帶來的損耗，突破大功率IGBT模塊的長期工業(yè)化安全使用難題。本文采用的準(zhǔn)諧振電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷方法，工作原理如下：圖2是研制電源TFI測量主電流IL曲線，一個諧振工作周期分為t0?t2：兩個工作區(qū)間。區(qū)間l(tot圖圖2電流過零諧揖式電源主回路工作電流4波形圖2等離子體發(fā)生電源工業(yè)運(yùn)行特性本文研制電源是為大型介質(zhì)阻擋放電負(fù)載配套，運(yùn)用于等離子體煙氣脫硫脫硝工業(yè)裝置。在一系列工業(yè)試驗和運(yùn)行中，本電源系統(tǒng)表現(xiàn)穩(wěn)定、可靠，達(dá)到了工程研制目標(biāo)，表現(xiàn)出優(yōu)秀特性。如圖3所示，整個大功率電源實際工業(yè)系統(tǒng)的組成如下：三相380V工頻交流電源，先經(jīng)過隔離變壓器，再經(jīng)三相調(diào)壓變壓器降壓至工作電壓，輸入高壓高頻發(fā)生電源，產(chǎn)生的高壓高頻電流加載在由板一板電極結(jié)構(gòu)組成的介質(zhì)阻擋放電負(fù)載上。圖3大功率電源實陸工業(yè)系統(tǒng)組成同圖隔離變壓器輸入和輸出均為380V隔離變壓器的主要作用是：保證后續(xù)電路與供電主回路的隔離以免受到主回路中比較大的電壓、電流特性變動的影響，達(dá)到后續(xù)電路的穩(wěn)定性，同時防止高壓脈沖電源對主回路的影響，防止造成電源污染，提高整個一二次電路的安全性和可靠性。三相調(diào)壓變壓器通過輸出電壓調(diào)節(jié)，控制電源系統(tǒng)的功率輸出，本電源系統(tǒng)使用的機(jī)械式調(diào)壓變壓器，也可很方便的采用電子調(diào)壓方法。阻擋介質(zhì)放電負(fù)載為多個板一板電極結(jié)構(gòu)負(fù)載的并聯(lián)，為一般大功率阻擋介質(zhì)放電負(fù)載形式。1）電源過零開關(guān)軟關(guān)斷運(yùn)行特性是否真正實現(xiàn)電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷，是串聯(lián)負(fù)載諧振式電源能否長時間可靠工作的關(guān)鍵，特別在電源大功率工作狀態(tài)，實現(xiàn)電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷尤為困難和重要。本文對電源在現(xiàn)場實際運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了主電流IL的測量，獲得了大功率下電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷特性。電源高壓高頻電源產(chǎn)生并輸出幾萬伏的高頻電壓，輸出端為一個高電壓電極接反應(yīng)器負(fù)載正極，另一端負(fù)極接反應(yīng)器負(fù)載負(fù)極，負(fù)極必須可靠接地。負(fù)極上串有互感器（見圖3），互感器的輸出信號由數(shù)字示波器觀察并記錄如圖4,這樣可由示波器觀察到放電回路中波形變化。

圖3大功率電源實陸工業(yè)系統(tǒng)組成同圖口.感器 板…板電極介質(zhì)陰撥放電寬救圖3大功率電源實陸工業(yè)系統(tǒng)組成同圖口.感器 板…板電極介質(zhì)陰撥放電寬救而頗高抑卜vR1G0L你2ammM 卻O.Dtn R1G0L你2ammM 卻O.Dtn 口蜘1國EKM?RIGOLCH?5D(hiVI.OOttmt 自曲MCOO曲圖7大功率運(yùn)行狀態(tài)時電源諧振輸出電流/口波形（工作功率P=36kW）針對本文研制電源，進(jìn)行了不同功率運(yùn)行的現(xiàn)場工業(yè)試驗，結(jié)果見表1。如前面所述，電源系統(tǒng)功率調(diào)節(jié)是通過控制三相調(diào)壓變壓器實現(xiàn)，在配套介質(zhì)阻擋放電DBD負(fù)載上，運(yùn)行功率從18kW至最大約80kW。由于本文板一板電極結(jié)構(gòu)介質(zhì)阻擋放電負(fù)載所能承受過載電流能力的限制，60kW以上的工作功率試驗均只進(jìn)行了短時運(yùn)行，以防負(fù)載的阻擋介質(zhì)擊穿燒毀，基于同樣的原因，80kw以上的試驗未進(jìn)行。在表l的全部電源不同功率運(yùn)行情況中，本文研制電源系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、安全，電源系統(tǒng)無任何故障或異?，F(xiàn)象，說明本文研制電源的功率設(shè)計有很大的冗容，完全可能達(dá)到lOOkW甚至更大的工作功率。表1不同功率電源運(yùn)行參數(shù)工況123456調(diào)壓器輸出電壓4/V16019122013616S296運(yùn)行功率F/kW18,4628.2036,9241.666L5479.80T佐崎亶F/kH天7.7.172.732L74121.7421.743結(jié)束語研制了大功率介質(zhì)阻擋放電串聯(lián)諧振式電源系統(tǒng)，成功配套和應(yīng)用在大功率板一板電極阻擋介質(zhì)等離子體煙氣處理裝置，進(jìn)行了長時間現(xiàn)場工業(yè)運(yùn)行，研制電源系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、啟動安全，有很高的工程可靠性，掌握了此類大功率電源的設(shè)計和制造核心技術(shù)。諧振電流過零電子開關(guān)軟關(guān)斷是實現(xiàn)此類阻擋介質(zhì)放電諧振電源大功率化的最佳方法之一，本文研究表明：該方法和技術(shù)非常有