文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
文章編號(hào): 0258-7998(2014)11-0057-03
0 引言
介質(zhì)阻擋放電(DBD)技術(shù)在材料、微電子、化工、環(huán)境保護(hù)、醫(yī)療衛(wèi)生、自來(lái)水深度處理等眾多學(xué)科領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。目前研究中介質(zhì)阻擋放電的特征參數(shù)(介質(zhì)阻擋電容、氣隙放電電容和放電維持電壓)與供電電源的主回路參數(shù)設(shè)計(jì)、負(fù)載特性以及等效模型方面有著密切聯(lián)系[3-4],因此需要準(zhǔn)確地測(cè)量介質(zhì)阻擋放電電路的特征參數(shù)顯得比較困難。許多學(xué)者對(duì)介質(zhì)阻擋放電的特征參數(shù)的獲得大多采用幾何計(jì)算法,但這種方法自身存在難以克服的缺點(diǎn),已很少采用?,F(xiàn)階段,李薩如圖形法是在生產(chǎn)實(shí)踐中被廣泛采用的一種測(cè)量介質(zhì)阻擋放電電路參數(shù)的方法。這種方法可以同時(shí)獲得三個(gè)DBD電路放電特征參數(shù),比幾何計(jì)算法更精確,且不需要獲得DBD電路設(shè)計(jì)參數(shù)[5-6]。但傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法存在操作復(fù)雜、效率低、誤差大和難以在線測(cè)量等不足,本文正是基于李薩如圖形測(cè)量原理設(shè)計(jì)了一種在線測(cè)量電路,該方法具有實(shí)時(shí)操作性強(qiáng),效率高,誤差小等諸多優(yōu)點(diǎn)。
1 傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法
李薩如圖形測(cè)量法能夠測(cè)量DBD三個(gè)放電參數(shù),即能根據(jù)測(cè)量結(jié)果同時(shí)計(jì)算出放電維持電壓、放電氣隙電容、介質(zhì)阻擋電容這三個(gè)重要的放電特征參數(shù)。
1.1 李薩如圖形原理
傳統(tǒng)李薩如原理圖如圖1所示,從圖中可以得到:點(diǎn)B、D對(duì)應(yīng)著電流變化的時(shí)刻點(diǎn),點(diǎn)M、N對(duì)應(yīng)著電壓變換的時(shí)刻點(diǎn),本文稱之為關(guān)鍵點(diǎn)。獲得B、D、M、N關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo),為敘述方便,這里設(shè)其坐標(biāo)為B(Bx,By)、D(Dx,Dy)、M(0,My)、N(Nx,0)。
求取A、B、C、D點(diǎn)坐標(biāo):
計(jì)算直線BA和直線DA在坐標(biāo)系中交點(diǎn)A的坐標(biāo)(Ax,Ay):
不難獲得,直線AB的方程為:
y=kBMx+My(1)
直線AD的方程為:
y=kDN(x-Nx)(2)
聯(lián)立(1)(2)式可得:
同樣可以求得C點(diǎn)坐標(biāo):
依據(jù)以上原理可求取B和D點(diǎn)坐標(biāo),至此可以重構(gòu)李薩如圖形,這里不再贅述。
1.2 DBD負(fù)載放電參數(shù)的計(jì)算
(1)放電功率的計(jì)算式
依據(jù)李薩如圖形獲得放電功率一般分為兩步:
?、儆?jì)算圖形面積:
式中,S駐BCD為圖1中由B、C、D 3點(diǎn)構(gòu)成的三角形面積。
?、诮Y(jié)合測(cè)量?jī)x器的變比,計(jì)算放電功率P:
P=SfCm kx ky kN(6)
式中:S為平行四邊形的面積、f為DBD電路工作頻率、Cm為“積分電容”數(shù)值、 kx為示波器橫軸(X軸)靈敏度、 ky為示波器縱軸(Y軸)靈敏度、 k為高壓探頭分壓比、 N為電流互感器TA的變比。
(2)電路氣隙電容與介質(zhì)阻擋電容計(jì)算式
從DBD型負(fù)載放電的實(shí)際電路可以得到此時(shí)放電氣隙電容為:
(3)電路放電維持電壓Uz計(jì)算式
y=KDN(x-Bx)+By(10)
式(10)為直線BC在直角坐標(biāo)系中的方程。
令y=0,可得J的橫坐標(biāo)為:
由此可得,放電維持電壓的數(shù)值為:
1.3 傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量不足
DBD放電是在數(shù)千伏高壓下發(fā)生的,故對(duì)DBD型負(fù)載放電參數(shù)的測(cè)量比較困難,但可以采用電容分壓電路、電阻分壓電路或者高壓探頭的方法來(lái)進(jìn)行測(cè)量。
如圖2給出了電阻分壓電路測(cè)量DBD負(fù)載兩端電壓的示意圖。
不論采用高壓探頭還是分壓電路來(lái)獲得DBD負(fù)載兩端的電壓,都存在著明顯的不足,亟待解決:
(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備復(fù)雜,投資大。在實(shí)驗(yàn)中需要示波器、高壓探頭、電流探頭、隔離變壓器等,這些設(shè)備的投入,使得實(shí)驗(yàn)復(fù)雜且投資較大。
(2)電阻分壓電路要求電阻具有阻值精密、耐壓高等特性,且未能實(shí)現(xiàn)隔離,因此有安全隱患。
(3)對(duì)于獲得的李薩如圖形需要人工處理數(shù)據(jù),費(fèi)時(shí)費(fèi)力,效率低下,實(shí)時(shí)性差。
(4)誤差大,人為讀取數(shù)據(jù)會(huì)引進(jìn)人為誤差,是誤差的主要部分。
2 李薩如圖形在線測(cè)量系統(tǒng)
基于以上介紹的傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量方法存在的不足,迫切需要設(shè)計(jì)出一種新的測(cè)量系統(tǒng),使得對(duì)該電路參數(shù)測(cè)量更加方便。
2.1 在線測(cè)量系統(tǒng)分析設(shè)計(jì)
以正半周期電流電壓為參考方向,不難得到李薩如圖形中點(diǎn)B對(duì)應(yīng)DBD電路負(fù)半周期內(nèi)電流從負(fù)到正的變換時(shí)刻;點(diǎn)M對(duì)應(yīng)積分電容端電壓從負(fù)到正的變換時(shí)刻;D對(duì)應(yīng)正半周期電流從正到負(fù)的變換時(shí)刻;N對(duì)應(yīng)發(fā)生器兩端電壓從負(fù)到正的變換時(shí)刻。
在線測(cè)量系統(tǒng)需完成:
(1)捕捉電壓電流過零信號(hào);
(2)測(cè)量電壓電流過零時(shí)的電氣參數(shù);
(3)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,完成放電參數(shù)求解。
由以上分析,在線測(cè)量系統(tǒng)主要包括信號(hào)檢測(cè)回路、采樣電路、數(shù)據(jù)處理單元和結(jié)果輸出,有軟件系統(tǒng)和硬件電路兩部分,其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。
2.2 信號(hào)檢測(cè)與采樣電路
在所述的信號(hào)檢測(cè)回路中,包含有電容分壓電路、“電荷積分”電路、逆變電路、電流過零檢測(cè)電路、電壓檢測(cè)回路及電壓過零檢測(cè)電路。參數(shù)檢測(cè)裝置利用串聯(lián)諧振逆變電路主電流過零、“電荷積分”回路電壓、電容分壓回路電壓、過零檢測(cè)電路形成采樣電路的采樣控制信號(hào)。
電容分壓電路是由兩個(gè)無(wú)極性電容串聯(lián)構(gòu)成,這兩個(gè)電容上電壓與介質(zhì)阻擋放電電路承受的電壓存在比例關(guān)系,通過合理配置這兩個(gè)電容的電容值,實(shí)現(xiàn)介質(zhì)阻擋電路上電壓的降壓檢測(cè);“電荷積分”電路由一個(gè)電流互感器和與其相連的無(wú)極性電容構(gòu)成,該電路對(duì)通過流過介質(zhì)阻擋放電電路的電流進(jìn)行積分運(yùn)算。通過電容分壓和“電荷積分”回路上的電壓形成重構(gòu)李薩如圖形所需的原始數(shù)據(jù)。采用單片機(jī)與AD采樣模塊即可完成對(duì)關(guān)鍵點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集。
2.3 數(shù)據(jù)處理單元與結(jié)果輸出
數(shù)據(jù)處理單元包括硬件單片機(jī)和軟件程序,對(duì)數(shù)據(jù)的處理包括根據(jù)采樣數(shù)據(jù)完成李薩如圖形的重構(gòu),完成參數(shù)計(jì)算,求得放電功率、介質(zhì)阻擋電容、氣隙電容和放電維持電壓。結(jié)果在液晶模塊中顯示出來(lái),形成可視化結(jié)果。按照本文DBD參數(shù)求解思路,用C語(yǔ)言編程即可實(shí)現(xiàn)。
3 在線測(cè)量系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)
本文在理論分析的基礎(chǔ)上,通過對(duì)相關(guān)理論知識(shí)的分析之后搭建了DBD在線測(cè)量系統(tǒng)實(shí)物平臺(tái)。
3.1 試驗(yàn)系統(tǒng)
該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)由DBD系統(tǒng)和DBD放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)組成。在試驗(yàn)中的DBD系統(tǒng)包括臭氧產(chǎn)量為10 g/h的DBD型臭氧發(fā)生器一臺(tái),可調(diào)變壓器一臺(tái),賽米控公司skyper32全橋逆變控制器一臺(tái)。在試驗(yàn)中的DBD在線測(cè)量系統(tǒng)包括電壓電流采樣電路、電容積分電路與電容分壓電路、單片機(jī)板。
3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果
本文在相同的實(shí)驗(yàn)條件下,分別采用傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法和在線測(cè)量系統(tǒng)獲取DBD放電參數(shù)。圖4為傳統(tǒng)李薩如圖形法獲得的李薩如圖形,在該李薩茹圖形中設(shè)置相應(yīng)的坐標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行手工計(jì)算。表1給出了采用傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法和本文提出的在線測(cè)量法獲得的DBD放電參數(shù)的結(jié)果。
兩種方式都能求取DBD負(fù)載放電參數(shù)。從表1的結(jié)果對(duì)比中,能夠得出傳統(tǒng)李薩如圖形獲得地實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)浮動(dòng)比較大;而在線測(cè)量系統(tǒng)在相同實(shí)驗(yàn)條件下獲得數(shù)據(jù)基本相同。因此可以得出:(1)本文提出設(shè)計(jì)的DBD放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)正確;(2)采用本文提出的在線測(cè)量系統(tǒng)獲得的結(jié)果更加可靠準(zhǔn)確。
4 結(jié)論
本文從對(duì)DBD負(fù)載放電參數(shù)測(cè)量的傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法原理出發(fā),分析設(shè)計(jì)了DBD負(fù)載放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng),并對(duì)其進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,簡(jiǎn)單歸納如下:
(1)本文提出的DBD放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)正確,結(jié)果更加可靠準(zhǔn)確;
(2)DBD放電參數(shù)在線測(cè)量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)李薩如圖形測(cè)量法的諸多不足,具有高效、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確和操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。
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