介质阻挡放电参数诊断及负载特性研究

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介质阻挡放电(DBD)可以在常压下产生非平衡等离子体,它将常压操作的便捷性同低温等离子体的优良特性结合起来,已被广泛地用在臭氧发生器、污染物控制与脱除、材料表面改性、CO2激光器、准分子紫外光源以及大面积等离子体平板显示等工业应用中。此外,近年来大气压DBD在生物医学以及航天领域的快速发展引起了更多国内外学者的关注。但在多数情形下,大气压DBD以丝状放电模式存在,因此获取大面积均匀放电和提高放电发生器的效率成为工业应用面临的难点和关键性技术目标。DBD放电的形貌特征主要取决于放电各敏感参量之间的匹配关系,通过改变外界条件来调整这些敏感参量,可以使得放电特性发生改变,研究外界条件对放电发生器电学参数的影响规律对于理解放电现象具有重要意义。本文以大气压同轴介质阻挡放电发生器为平台,利用放电伏安特性曲线以及Lissajous图形对发生器进行电学诊断,探究了驱动电压和气流速率等外界条件对发生器放电电学参数——击穿电压、放电有效功率、功率因子、介质等效电容以及气隙等效电容随外界条件的变化规律。结果表明:1)起始击穿电压随气流速率的增大而增大,随驱动电压的增大而减小;2)驱动电压和起始击穿电压之差与放电有效功率之间符合幂次法则,对于不同的气流速率对应的幂次法则具有相同的幂指数和不同的系数;3)功率因数随气流速率的增大而减小,随驱动电压的增大而增大,其数值随外界条件的变化率与功率大小有关,本实验系统放电时的最大功率因数值约为0.46;4)介质等效电容和气隙等效电容均随驱动电压的增大而增大,随气流速率的增大而减小,放电区域面积和温度的变化是引起此现象的内在原因。为了提高DBD发生器的放电效率,实现电源与负载间的动态阻抗匹配,实验研究了放电电路系统的幅频特性,并采用DBD等效电路模型计算了发生器负载电阻、电抗与阻抗值随外界条件的动态变化规律。实验和计算结果一致表明,幅频特性曲线均表现出RLC回路谐振现象,且随着驱动电压及气流速率的变化,DBD负载的幅频特性表现出明显的动态特征:气流速率的增大导致发生器电路谐振频率右移,电源输出电压增大导致发生器电路谐振频率左移,这主要由介质等效电容这一电学参量的变化所致。根据介质等效电容随驱动电压及气流速率的变化规律,可借助等效电路模型的计算结果来分析DBD发生器的动态阻抗变化特征,进而找到实现发生器与电源之间匹配的技术条件。
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