《電子技術(shù)應(yīng)用》
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DBD電路參數(shù)的在線測量的實現(xiàn)和研究
2014年電子技術(shù)應(yīng)用第11期
趙華軍1,李 杰2,余亞東2
1.廣州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 廣州510430; 2.廣東工業(yè)大學(xué) 自動化學(xué)院,廣東 廣州510006
摘要: 準(zhǔn)確而簡單地測量DBD型負(fù)載電氣參數(shù)一直以來都是研究重點,傳統(tǒng)的測量方法是通過重構(gòu)李薩茹圖形讀取坐標(biāo)點進(jìn)行人工計算,費時費力,效率低下且操作復(fù)雜?;诶钏_如圖形測量原理,設(shè)計了DBD型負(fù)載電氣參數(shù)在線測量控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過采集DBD負(fù)載上的關(guān)鍵點數(shù)據(jù),重新構(gòu)建李薩如圖形,通過軟件計算介質(zhì)阻擋電容、氣隙電容、放電維持電壓以及放電功率。該控制系統(tǒng)具有操作簡單、安全、效率高、誤差小和實時在線測量的優(yōu)點,并通過實驗驗證了所提出在線測量系統(tǒng)的正確性。
關(guān)鍵詞: 李薩如 DBD 軟件計算 在線測量
中圖分類號: TM131.2
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2014)11-0057-03
Research on the method of on-line measurement based on the DBD circuit parameters
Zhao Huajun1,Li Jie2,Yu Yadong2
1.Guangzhou Institude of Railway Technology,Guangzhou 510430,China;2.School of Automation,Guangdong University of Technology,Guangzhou 510006,China
Abstract: Accuracy and simpleness measurement of load electrical parameters of DBD type is always study focus. The traditional measuring method uses refactoring Lssajous to read the coordinate point and do manual calculation. It′s laborious, inefficient and needs complicated operation. Based on the measuring principle of Lssajous graphic ,the on-line measurement control system of load electrical parameters is designed.In this control sysem,the key data is collectted,the Lssajous is rebuided. The dielectric barrier capacitance,the air gap capacitance, the discharge voltage and the discharge power are obtained by the software accuracy. The control system has advantages of simple operation, safety, high efficiency, low error and the real-time online measurement. And the correctness of the online measuring system is verified by the experiment.
Key words : Lssajous;DBD;software accuracy;online measurement

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、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)者對介質(zhì)阻擋放電的特征參數(shù)的獲得大多采用幾何計算法,但這種方法自身存在難以克服的缺點,已很少采用。現(xiàn)階段,李薩如圖形法是在生產(chǎn)實踐中被廣泛采用的一種測量介質(zhì)阻擋放電電路參數(shù)的方法。這種方法可以同時獲得三個DBD電路放電特征參數(shù),比幾何計算法更精確,且不需要獲得DBD電路設(shè)計參數(shù)[5-6]。但傳統(tǒng)李薩如圖形測量法存在操作復(fù)雜、效率低、誤差大和難以在線測量等不足,本文正是基于李薩如圖形測量原理設(shè)計了一種在線測量電路,該方法具有實時操作性強(qiáng),效率高,誤差小等諸多優(yōu)點。

1 傳統(tǒng)李薩如圖形測量法

  李薩如圖形測量法能夠測量DBD三個放電參數(shù),即能根據(jù)測量結(jié)果同時計算出放電維持電壓、放電氣隙電容、介質(zhì)阻擋電容這三個重要的放電特征參數(shù)。

  1.1 李薩如圖形原理


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  傳統(tǒng)李薩如原理圖如圖1所示,從圖中可以得到:點B、D對應(yīng)著電流變化的時刻點,點M、N對應(yīng)著電壓變換的時刻點,本文稱之為關(guān)鍵點。獲得B、D、M、N關(guān)鍵點坐標(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點坐標(biāo):

  計算直線BA和直線DA在坐標(biāo)系中交點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:

  3.png

  同樣可以求得C點坐標(biāo):

  4.png

  依據(jù)以上原理可求取B和D點坐標(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)的計算

  (1)放電功率的計算式

  依據(jù)李薩如圖形獲得放電功率一般分為兩步:

  ①計算圖形面積:

  5.png

  式中,S駐BCD為圖1中由B、C、D 3點構(gòu)成的三角形面積。

  ②結(jié)合測量儀器的變比,計算放電功率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)阻擋電容計算式

  78.png

  從DBD型負(fù)載放電的實際電路可以得到此時放電氣隙電容為:

  9.png

  (3)電路放電維持電壓Uz計算式

  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:

  11.png

  由此可得,放電維持電壓的數(shù)值為:

  12.png

  1.3 傳統(tǒng)李薩如圖形測量不足

  DBD放電是在數(shù)千伏高壓下發(fā)生的,故對DBD型負(fù)載放電參數(shù)的測量比較困難,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進(jìn)行測量。

  如圖2給出了電阻分壓電路測量DBD負(fù)載兩端電壓的示意圖。

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  不論采用高壓探頭還是分壓電路來獲得DBD負(fù)載兩端的電壓,都存在著明顯的不足,亟待解決:

  (1)實驗設(shè)備復(fù)雜,投資大。在實驗中需要示波器、高壓探頭、電流探頭、隔離變壓器等,這些設(shè)備的投入,使得實驗復(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,且未能實現(xiàn)隔離,因此有安全隱患。

  (3)對于獲得的李薩如圖形需要人工處理數(shù)據(jù),費時費力,效率低下,實時性差。

  (4)誤差大,人為讀取數(shù)據(jù)會引進(jìn)人為誤差,是誤差的主要部分。

2 李薩如圖形在線測量系統(tǒng)

  基于以上介紹的傳統(tǒng)李薩如圖形測量方法存在的不足,迫切需要設(shè)計出一種新的測量系統(tǒng),使得對該電路參數(shù)測量更加方便。

  2.1 在線測量系統(tǒng)分析設(shè)計

  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B對應(yīng)DBD電路負(fù)半周期內(nèi)電流從負(fù)到正的變換時刻;點M對應(yīng)積分電容端電壓從負(fù)到正的變換時刻;D對應(yīng)正半周期電流從正到負(fù)的變換時刻;N對應(yīng)發(fā)生器兩端電壓從負(fù)到正的變換時刻。

  在線測量系統(tǒng)需完成:

  (1)捕捉電壓電流過零信號;

  (2)測量電壓電流過零時的電氣參數(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,在線測量系統(tǒng)主要包括信號檢測回路、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。

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  2.2 信號檢測與采樣電路

  在所述的信號檢測回路中,包含有電容分壓電路、“電荷積分”電路、逆變電路、電流過零檢測電路、電壓檢測回路及電壓過零檢測電路。參數(shù)檢測裝置利用串聯(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、過零檢測電路形成采樣電路的采樣控制信號。

  電容分壓電路是由兩個無極性電容串聯(lián)構(gòu)成,這兩個電容上電壓與介質(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電容的電容值,實現(xiàn)介質(zhì)阻擋電路上電壓的降壓檢測;“電荷積分”電路由一個電流互感器和與其相連的無極性電容構(gòu)成,該電路對通過流過介質(zhì)阻擋放電電路的電流進(jìn)行積分運算。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關(guān)鍵點數(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,形成可視化結(jié)果。按照本文DBD參數(shù)求解思路,用C語言編程即可實現(xiàn)。

3 在線測量系統(tǒng)實驗

  本文在理論分析的基礎(chǔ)上,通過對相關(guān)理論知識的分析之后搭建了DBD在線測量系統(tǒng)實物平臺。

  3.1 試驗系統(tǒng)

  該實驗平臺由DBD系統(tǒng)和DBD放電參數(shù)在線測量系統(tǒng)組成。在試驗中的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,可調(diào)變壓器一臺,賽米控公司skyper32全橋逆變控制器一臺。在試驗中的DBD在線測量系統(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 實驗結(jié)果


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  本文在相同的實驗條件下,分別采用傳統(tǒng)李薩如圖形測量法和在線測量系統(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)點進(jìn)行手工計算。表1給出了采用傳統(tǒng)李薩如圖形測量法和本文提出的在線測量法獲得的DBD放電參數(shù)的結(jié)果。

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  兩種方式都能求取DBD負(fù)載放電參數(shù)。從表1的結(jié)果對比中,能夠得出傳統(tǒng)李薩如圖形獲得地實驗數(shù)據(jù)浮動比較大;而在線測量系統(tǒng)在相同實驗條件下獲得數(shù)據(jù)基本相同。因此可以得出:(1)本文提出設(shè)計的DBD放電參數(shù)在線測量系統(tǒng)正確;(2)采用本文提出的在線測量系統(tǒng)獲得的結(jié)果更加可靠準(zhǔn)確。

4 結(jié)論

  本文從對DBD負(fù)載放電參數(shù)測量的傳統(tǒng)李薩如圖形測量法原理出發(fā),分析設(shè)計了DBD負(fù)載放電參數(shù)在線測量系統(tǒng),并對其進(jìn)行了實驗驗證,簡單歸納如下:

  (1)本文提出的DBD放電參數(shù)在線測量系統(tǒng)正確,結(jié)果更加可靠準(zhǔn)確;

  (2)DBD放電參數(shù)在線測量系統(tǒng)克服了傳統(tǒng)李薩如圖形測量法的諸多不足,具有高效、經(jīng)濟(jì)、準(zhǔn)確和操作簡單等優(yōu)點。

參考文獻(xiàn)

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