基于PAM控制的DBD等离子体反应器的负载特性

介质阻挡放电(DBD)等离子体反应器的负载特性与供电电源的控制方式紧密相关。笔者研究了基于直流调功(PAM)控制的DBD等离子体反应器的负载特性,考虑了高频高压放电电源的电路中的分布参数对负载特性的影响,建立了相应的等效电路模型,对负载特性进行了定量的分析,并进行了同轴介质阻挡放电的实验研究。研究结果表明,随着电源电压的逐渐升高,放电开始时刻逐渐超前于外加电源电压的过零点时刻,但该时刻始终发生于外加电源电压的上升阶段上;放电终止时刻始终发生在外加电源电压的上升率等于零的时刻;负载的等效平均电容逐渐增大,等效阻抗和谐振频率逐渐减小;放电电流和放电功率逐渐增大;放电区域逐渐增大,放电的均匀性也逐渐增加。     

多脉冲均匀介质阻挡放电特性的仿真及实验研究

为了简化实验,优化反应器设计,扩大均匀介质阻挡放电的应用范围,基于用电压控制电流源(VCCS)模拟均匀放电过程的介质阻挡放电(DBD)等效电路模型,利用Simulink建立了大气压多脉冲均匀DBD的动态仿真模型。模型中采用适于表征均匀DBD的VCCS激励信号,建立了开关控制模块再来对VCCS进行控制,从而实现对放电电流脉冲个数的调节。利用所建模型对大气压氖气中平板电极结构DBD的电气特性进行了仿真,得到了不同条件下多脉冲均匀DBD的电压电流波形以及Lissajous图形。同时,建立了大气压氖气中DBD实验装置并对不同电压幅值下的放电特性进行了实验研究,还将仿真与实验所得到的结果进行了比较。结果表明,利用所建模型仿真得到的电压电流图形和Lissajous图均与实验测量结果相符合,验证了仿真模型的正确性。利用仿真模型进一步计算得到了实际实验过程中无法直接测量获得的放电参量,如气隙电压、介质电压、放电电流、放电功率、传输电荷等。由仿真得到的伏安特性曲线可知,氖气中多脉冲放电除第1次脉冲放电为Townsend放电转化为辉光放电,其余脉冲放电皆为辉光放电。     

双极性脉冲电压下介质阻挡放电及其涤纶表面改性

大气压下空气中介质阻挡放电(ADBD)在工业材料表面改性处理上具有广泛的应用前景。为研究陡前沿双极性脉冲电源在介质阻挡放电(DBD)均匀性及涤纶表面改性上的应用,在相同条件下采用脉冲电源放电与工频电源、高频电源DBD进行对比,分析了放电特性并测试了涤纶改性后的不同效果。用高速摄影仪拍摄了放电的快速曝光照片并记录了电压、电流波形;用扫描电镜、能谱仪等测量手段观察了涤纶纤维改性前后的表面形貌以及含氧量的变化;并比较了改性后芯吸性的改善情况。研究结果表明,采用双极性陡前沿的窄脉冲电源有利于在空气中实现较均匀、稳定的介质阻挡放电。     

介质阻挡放电的放电过程仿真研究

为深入地理解介质阻挡放电(DBD)的放电机理和实现DBD等离子体的大规模工业应用,采用基于连续性方程和泊松方程的DBD模型仿真研究了大气压空气中DBD的放电过程,计算得到放电空间的电子密度、电场强度和电压电流随时间变化的规律,讨论了阻挡介质在DBD放电不同阶段的作用。仿真结果表明,DBD的微放电过程可分为电子崩、流注和放电熄灭3个连续的阶段。在电子崩和流注阶段间,阻挡介质主要起到加速流注形成的作用;而在放电熄灭阶段,阻挡介质主要起到限制放电电流的自由增长,从而阻止放电发展到电弧的作用。     

常压介质阻挡放电平均放电电流的实验研究

为了优化介质阻挡放电(DBD)发生器设计,提高放电效率,实验研究了介质阻挡放电装置的平均放电电流特性,包括用Q-U李萨如图形测量法研究了激励电源特性和发生器结构参数对平均放电电流的影响。实验结果表明:采用高频电源、薄介质和小放电间隙可得到均匀放电;在DBD发生器结构和工作气体属性固定的情况下,提高激励电压幅值和激励频率可增大平均放电电流、提高放电强度;采用薄介质和减小放电气隙宽度都可提高放电强度,得到较大的平均放电电流。因此可以通过改变激励电源参数和放电装置结构有效地调节放电电流。     

大气压空气中纳秒脉冲介质阻挡放电均匀性的研究

为了实现大气压空气中纳秒脉冲均匀介质阻挡放电(DBD),利用上升沿15ns,半高宽30～40ns的正极性纳秒脉冲激发DBD,并由电压电流和放电图像研究DBD的特性,分析均匀放电实现的条件和特征。实验结果表明放电电流呈双极性,且电气参数要比交流及微秒脉冲DBD的高,在一定条件下可获得均匀模式放电。通过重复频率和气隙距离对放电均匀性的影响研究发现,2mm空气间隙中,双层介质阻挡时重复频率对放电均匀性影响不明显,但当间隙距离从2～8mm延长时,放电明显由均匀模式向丝状模式过渡。此外,对纳秒脉冲DBD放电均匀性与施加脉冲上升沿的关系进行了探讨。     

介质阻挡放电中反向放电的实验研究

利用介质阻挡放电(DBD)实验装置和测量系统研究了不同的介质板厚度、驱动电压幅值以及气体间隙距离的DBD特性,并运用气体放电理论对试验结果进行了分析。结果表明,随着介质板厚度、气体间隙距离的减小以及驱动电压幅值的增加,DBD放电电流脉冲增多,由于壁电荷的作用,发生放电所需的电压减小;当壁电荷电场足够大时,将在驱动电压下降沿发生反向放电。     

介质阻挡放电负载调功原理分析

利用电路谐振产生高频高幅值的正弦波电压的介质阻挡放电电源,通过调整电源的逆变电路的直流输入电压,同时逆变电路开关频率跟踪电路谐振频率,可以实现介质阻挡放电负载功率的近似线性调整。研究表明,随着逆变器直流输入电压的增加,负载放电电流逐渐增大,负载功率逐渐接近于给定直流电压下的电源输出的最大功率,负载功率因数逐渐增大,逆变器输出因数逐渐接近于1,电源效率逐渐增加。     

纳秒脉冲介质阻挡放电特性及其聚合物材料表面改性

介绍了大气压空气下纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)的特性及其对聚酰亚胺(PI)材料表面进行的亲水性改善。利用单极性纳秒脉冲激发大气压空气中DBD,通过电气特性测量和发光图像拍摄研究了纳秒脉冲DBD的特性,获得了均匀模式的放电,并分析了气隙距离对放电特性和均匀性的影响。利用大气压下均匀放电改性PI薄膜表面,对改性前后的薄膜表面进行水接触角、表面形态和表面成分分析,并与丝状放电的改性效果进行了比较。结果表明单极性纳秒脉冲DBD电流呈双极性,放电电流、介质电压和瞬时功率等随气隙距离的增大而减小,窄间隙条件下易获得均匀放电。经DBD处理后PI表面粗糙度明显增加,静态水接触角明显减小,亲水性含氧基团被引入,从而改善了薄膜表面亲水性,且均匀放电比丝状放电处理效果更为显著。     

微间隙大气压空气介质阻挡放电模式的转化

大气压空气中介质阻挡均匀放电产生的等离子体在工业领域具有广阔的应用前景。为研究这种放电的产生条件及机理,利用微间隙介质阻挡放电装置,通过测量放电参数和发射光谱,研究了放电模式的转化过程。结果表明:低电压时电流波形每半个周期存在若干个脉冲宽度很小的脉冲,为微放电丝模式;随着电压增加,电流每半个周期出现了一个宽度较大(约5.5μs)强度较强的脉冲,该较宽电流脉冲上随机叠加了宽度小(约100 ns)强度弱的小脉冲;外加电压峰值达到9.2 kV时,电流波形只存在该较宽放电脉冲,为均匀放电模式。放电发射光谱的研究表明:外加电压增加时谱线强度比降低,即高能电子比例减小。这说明随外加电压增加,微气隙中的放电电场强度是降低的。     

常压单极性纳秒脉冲DBD模式的实验研究

介质阻挡放电(DBD)是产生低温等离子体的重要方法。实验研究的DBD由上升沿15 ns,半高宽约30ns最高重复频率1 kHz的正极性纳秒脉冲产生,测量了DBD电压、电流以及放电图像。结果表明,空气间隙上发生两次放电,分别发生在施加电压的上升沿和下降沿末端,电流峰值可达百安培量级,峰值功率可以达到MW级。放电图像显示放电分为均匀放电和丝状放电两种模式,且阻挡方式和重复频率都是影响这两种放电模式相互转化的重要因素。     

Experimental Study of DBD Plasma Actuator with Combination of AC and Nanosecond Pulse Voltage

In the last decade, dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators using a combination voltage of AC and a nanosecond pulse have been studied. The combined‐voltage‐driven plasma actuator increases the body force effect, including wall jet and flow suction, by overlapping the nanosecond pulse voltage, while the DBD plasma actuator driven by nanosecond pulses is a flow control actuator generating compression waves due to pulse heating, which makes it possible to supply an active flow control at a high‐speed flow, reported as up to Mach 0.7. In this study, a DBD plasma actuator driven by a combination voltage of sinusoidal AC and nanosecond pulse was experimentally investigated. The time‐averaged net thrust and cycle‐averaged power consumption of the actuator were characterized by using an electrical weight balance and the charge‐voltage cycle of a DBD plasma actuator, respectively. The plasma actuator thrust driven with the combination voltage showed increased thrust with increasing pulse repetition rate. The energy consumption of the actuator was controlled by varying the AC phase when the nanosecond pulse was applied. Therefore, the thrust and power consumption in the actuator were almost independently controlled by the pulse repetition rate and the pulse imposed phase.     

基于磁脉冲压缩的DBD高频双极性纳秒脉冲发生器的设计及其放电特性

作为高压高重复频率脉冲电压发生器的开关器件,磁开关的耐压、通流能力以及寿命远高于半导体开关,因而适用作为介质阻挡放电(DBD)激励电源的开关。为研究双极性高频下DBD等离子体放电特性,提出高频双极性磁脉冲压缩系统。首先,阐释通过全桥逆变电路、脉冲变压器和磁开关产生双极性脉冲的原理,并叙述该系统关键器件的设计;其次,利用PSpice仿真软件研究电路关键参数对输出波形的影响规律,测试电阻性负载电压波形,并与仿真结果进行对比分析。测试结果表明,通过双极性磁脉冲压缩系统,能够在负载两端输出的纳秒脉冲电压具有以下参数:幅值在5~13k V可调,上升沿100ns左右,重复频率可高至几千Hz。最后,针对高频双极性下的放电现象进行研究,结合DBD放电模型和放电图片探索高频双极性脉冲电压下放电特性与频率的关系,充实了高频放电理论研究。     

脉冲电源驱动多针—平板电极介质阻挡放电影响因素研究

笔者采用μs振荡脉冲电源驱动多针—平板电极,产生空气中介质阻挡放电(DBD),测量了不同条件下放电的电压电流波形,拍摄了放电发光图像,并进一步计算得到放电功率和传输电荷量等主要放电参量,研究了多针电极密度、外加电压幅值和气隙距离对多针—平板电极DBD放电特性和放电参量的影响,并结合放电机理对所得到的实验结果进行了分析....     

大气压介质阻挡高频放电三种模式的Lissajous图形

大气压介质阻挡放电存在多种放电模式。本文利用高频高压电源,分别进行了大气压氦气均匀的介质阻挡放电和大气压空气丝状介质阻挡放电的试验,通过测量外施电压、回路电流和拍摄ICCD短时曝光的放电图像,研究了氦气单脉冲辉光放电、多脉冲辉光放电和空气丝状放电的Lissajous图形特征。结果表明:两种辉光放电均起始于汤森放电,放电电流最大时为辉光放电;而丝状放电为流注放电。高频下辉光放电的Lissajous图形不同于工频的两条平行线,而是左右两边有一次曲线性阶跃的平行四边形;伪辉光放电的电流波形每半个周期内有几个电流脉冲,Lissajous图形中放电阶段对应的两条边就有几次曲线性阶跃;丝状放电的Lissajous图形近似为平行四边形。     

纳秒脉冲表面放电等离子体影响因素的实验研究

在大气环境条件下,以环氧为介质阻挡材料,基于单极性ns脉冲电源进行了表面介质阻挡放电实验,研究了电压幅值、电极宽度、电极间距和重复频率对放电等离子体的影响。结果表明ns脉冲表面介质阻挡放电是丝状放电,放电发生在电压脉冲的上升沿阶段;放电电流主要包括两部分脉冲,与放电丝分布的均匀性有着一定的内在关系,外加电压对放电的均匀性以及产生等离子体的长度起作用;电极宽度和间距对放电电流和产生等离子体的发光强度影响不大,电极宽度和间距越小,放电丝分布越均匀,电极宽度存在一个最优值,使得激励器的放电稳定且产生等离子体相对均匀;脉冲重复频率仅对等离子体强度起作用,对放电特性的影响较复杂,不同电极参数下这些影响与放电丝的分布状态有关。     

供电方式对介质阻挡放电-催化降解苯的影响

为研究能量注入方式对等离子体降解有机污染物的影响,分别将交流高压和双极性脉冲高压引入介质阻挡放电反应器,结合Mn催化剂对苯进行降解,研究供电方式对放电特性、苯去除率和产物选择性的影响。结果发现,与交流电源相比,脉冲电源供电下能量在极短的时间里注入到反应器内,产生瞬间大功率放电和高能活性粒子,可以实现对苯的高效降解和较高的CO2选择性。此外,相同功率下脉冲介质阻挡放电(DBD)的臭氧质量浓度更多,更有利于与Mn催化剂结合对苯进行降解。在电压为18.8kV的条件下,对苯的去除率最高可达98%,CO2转化率可达77%。     

高压纳秒脉冲下介质阻挡放电的仿真研究

为研究ns脉冲高电压条件下介质阻挡放电的特性,在实验测量正极性ns脉冲介质阻挡放电电压、放电电流的基础上,根据脉冲介质阻挡放电等效电路对空气间隙上的气隙电压、放电电流及功率等参数进行了计算。计算结果表明,气隙电压、电流均为双极性脉冲且放电瞬时功率呈现双峰,分析认为此双极性脉冲是由介质层累积电荷所致;阻挡介质材料、厚度和施加电压频率不同,正极性ns脉冲介质阻挡放电结果也不同;施加电压类型对介质阻挡放电影响很大,相比交流、单极性μs脉冲和单极性亚μs脉冲的介质阻挡放电,正极性ns脉冲介质阻挡放电的放电电流大很多。