RU2663231C1 - Device of electric power supply of gas discharge systems - Google Patents
Device of electric power supply of gas discharge systems Download PDFInfo
- Publication number
- RU2663231C1 RU2663231C1 RU2017135555A RU2017135555A RU2663231C1 RU 2663231 C1 RU2663231 C1 RU 2663231C1 RU 2017135555 A RU2017135555 A RU 2017135555A RU 2017135555 A RU2017135555 A RU 2017135555A RU 2663231 C1 RU2663231 C1 RU 2663231C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- discharge
- gas
- pulse
- primary
- circuit
- Prior art date
Links
- 230000010355 oscillation Effects 0.000 claims abstract description 31
- 238000003860 storage Methods 0.000 claims abstract description 24
- 238000004804 winding Methods 0.000 claims abstract description 12
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims abstract description 6
- 238000012546 transfer Methods 0.000 claims abstract description 5
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims description 4
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 abstract description 25
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 8
- 239000003990 capacitor Substances 0.000 abstract description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 230000003534 oscillatory effect Effects 0.000 abstract description 4
- 238000009833 condensation Methods 0.000 abstract description 3
- 230000005494 condensation Effects 0.000 abstract description 3
- 238000006116 polymerization reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 238000004659 sterilization and disinfection Methods 0.000 abstract description 3
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 abstract description 3
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 238000004870 electrical engineering Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 16
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 7
- 230000008859 change Effects 0.000 description 5
- 230000000977 initiatory effect Effects 0.000 description 5
- 238000000034 method Methods 0.000 description 5
- 239000004020 conductor Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 4
- CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N Ozone Chemical compound [O-][O+]=O CBENFWSGALASAD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 3
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000008878 coupling Effects 0.000 description 2
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 description 2
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 2
- 230000009471 action Effects 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000033228 biological regulation Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002957 persistent organic pollutant Substances 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 230000003252 repetitive effect Effects 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
- H03K—PULSE TECHNIQUE
- H03K3/00—Circuits for generating electric pulses; Monostable, bistable or multistable circuits
- H03K3/02—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses
- H03K3/53—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback
- H03K3/537—Generators characterised by the type of circuit or by the means used for producing pulses by the use of an energy-accumulating element discharged through the load by a switching device controlled by an external signal and not incorporating positive feedback the switching device being a spark gap
Landscapes
- Oxygen, Ozone, And Oxides In General (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Техническое решение относится к устройствам электрического питания газоразрядных систем, использующих для генерации плазмы барьерный разряд, и может быть применено, в частности, для питания озонаторов, плазменных реакторов, предназначенных для реакций синтеза, конденсации, полимеризации, а так же медицинских приборов и устройств обеззараживания. Устройство может быть использовано в любых конфигурациях газоразрядных систем, использующих барьерный разряд для генерации плазмы.The technical solution relates to devices for electric power supply of gas-discharge systems, which use a barrier discharge to generate plasma, and can be used, in particular, to power ozonizers, plasma reactors designed for synthesis, condensation, polymerization reactions, as well as medical devices and disinfection devices. The device can be used in any configuration of gas-discharge systems using a barrier discharge to generate plasma.
Уровень техникиState of the art
Под барьерным разрядом в настоящее время понимают разряд, возникающий в газе под действием приложенного к электродам напряжения, при этом хотя бы один из электродов должен быть покрыт диэлектриком. Барьерный разряд представляет собой известный и широко распространенный тип разряда, используемый в промышленных масштабах. Наиболее часто этот тип разряда применяется в установках для получения озона из кислорода и воздуха, а так же в плазменных реакторах, для реакций синтеза, конденсации и полимеризации [Самойлович В.Г., Гибалов В.И., Козлов К.В. Физическая химия барьерного разряда. М.: Изд-во МГУ, 1989. - 176 с.]. Кроме того, этот тип разряда может быть использован в медицинских приборах и устройствах обеззараживания. A barrier discharge is now understood to mean a discharge arising in a gas under the action of a voltage applied to the electrodes, while at least one of the electrodes must be coated with a dielectric. Barrier discharge is a known and widespread type of discharge used on an industrial scale. Most often, this type of discharge is used in installations for producing ozone from oxygen and air, as well as in plasma reactors, for reactions of synthesis, condensation and polymerization [Samoilovich VG, Gibalov VI, Kozlov KV Physical chemistry of a barrier discharge. M .: Publishing house of Moscow State University, 1989. - 176 p.]. In addition, this type of discharge can be used in medical devices and disinfection devices.
Широкое применение данного типа разряда обусловили простота его реализации, как с точки зрения конструктивных особенностей, так и с точки зрения параметров его источников питания. Обычно для питания этого типа разряда используется знакопеременное напряжение в широком диапазоне частот, начиная с промышленной частоты и выше, достигающих десятков килогерц.The widespread use of this type of discharge determined the simplicity of its implementation, both in terms of design features and in terms of the parameters of its power sources. Typically, an alternating voltage is used to power this type of discharge in a wide frequency range, starting from industrial frequency and above, reaching tens of kilohertz.
Способ питания газоразрядных систем на основе барьерных разрядов в непрерывном режиме имеет ряд недостатков, одним из которых является невысокая активная мощность на низких частотах. Активная мощность в барьерном разряде прямо пропорциональна произведению частоты питающего напряжения на емкость диэлектрических барьеров. Таким образом, увеличение активной мощности обычно осуществляется путем повышения частоты питающего напряжения. Но создание мощных блоков питания с частотой коммутации в десятки и сотни килогерц является сложной технической задачей, так как рабочие частоты мощных полупроводниковых приборов (силовых транзисторов с изолированными затворами и тиристоров не превышают единиц-десятков килогерц). Следует отметить, что в высокочастотных источниках питания имеют место коммутационные потери при переключении силовых приборов, что снижает их эффективность. The method of supplying gas-discharge systems based on barrier discharges in continuous mode has several disadvantages, one of which is the low active power at low frequencies. The active power in the barrier discharge is directly proportional to the product of the frequency of the supply voltage and the capacitance of the dielectric barriers. Thus, an increase in active power is usually accomplished by increasing the frequency of the supply voltage. But the creation of powerful power supplies with a switching frequency of tens and hundreds of kilohertz is a difficult technical task, since the working frequencies of powerful semiconductor devices (power transistors with insulated gates and thyristors do not exceed several tens of kilohertz). It should be noted that in high-frequency power supplies there are switching losses when switching power devices, which reduces their efficiency.
Несмотря на то, что разработчики принимают меры по снижению коммутационных потерь в высокочастотных источниках питания, они не исчезают полностью при работе полупроводниковых приборов на высокой частоте. Так же недостатком подобных схем является отсутствие возможности возврата (рекуперации) неизрасходованной в нагрузке энергии.Despite the fact that developers are taking measures to reduce switching losses in high-frequency power supplies, they do not disappear completely when semiconductor devices operate at high frequencies. Also a drawback of such schemes is the lack of the possibility of returning (recovery) of energy unspent in the load.
Непрерывная работа устройства с высокой мощностью приводит к повышенной тепловой нагрузке на электроды разрядной системы. Это вызывает необходимость использования систем их охлаждения. Известно, что повышение температуры электродов отрицательно влияет на эффективность производства озона. Для снижения температуры электродов помимо охлаждения применяется чередование промежутков работы озонатора с промежутками его охлаждения в условиях, затрудняющих использование системы охлаждения во время его работы [Барьерный электрический озонатор с температурной динамикой RU 42 818 U1 от 25.08.2004].Continuous operation of the device with high power leads to increased heat load on the electrodes of the discharge system. This necessitates the use of cooling systems. It is known that increasing the temperature of the electrodes adversely affects the efficiency of ozone production. To reduce the temperature of the electrodes, in addition to cooling, alternation of the ozonizer operation intervals with its cooling intervals is used under conditions that impede the use of the cooling system during its operation [Barrier electric ozonizer with temperature dynamics RU 42 818 U1 dated 08/25/2004].
Так как барьерный разряд представляет собой емкостную нагрузку, то в непрерывном режиме в его цепи постоянно протекают емкостные токи, не участвующие в плазмообразовании, дополнительно нагружающие блоки питания и приводящие к джоулевым потерям от нагрева проводников. При использовании газоразрядных систем, с большой площадью электродов, их емкость становится существенной, приводя к большим значениям емкостных токов и потерям соответственно.Since the barrier discharge is a capacitive load, capacitive currents that do not participate in plasma formation constantly flow in its circuit in a continuous mode, additionally loading power supplies and resulting in Joule losses from heating of the conductors. When using gas-discharge systems with a large area of electrodes, their capacitance becomes significant, leading to large values of capacitive currents and losses, respectively.
Также в качестве недостатка можно отметить то, что пиковая мощность в разряде в непрерывном режиме не может существенно превысить среднюю мощность. Also, as a disadvantage, the peak power in the discharge in the continuous mode cannot significantly exceed the average power.
Следует отметить сложность регулировки мощности в непрерывном режиме. Изменение уровня питающего напряжения приведет к изменению режима горения разряда, что может быть нежелательно в ряде случаев.It should be noted the difficulty of power adjustment in continuous mode. A change in the supply voltage level will lead to a change in the discharge burning mode, which may be undesirable in some cases.
Другим классом устройств для питания газоразрядных систем на основе барьерного разряда являются импульсные системы с длительностями однократных импульсов от единиц наносекунд. Обладая высокой мощностью в импульсе, недостатком этих устройств является большая скважность, то есть отношении длительности промежутка между импульсами к длительности самого импульса. Из-за этого снижается эффективность обработки газа в разрядном промежутке, так как он подвергается обработке незначительное от общего время. Кроме того, существуют сложности построения на этом принципе устройства с высокой выходной мощностью, так как, не смотря на высокую импульсную мощность, энергия, а значит и выходная мощность, не велики в силу малой длительности импульса. Помимо этого, формирование импульсов наносекундных длительностей требует применения в качестве коммутаторов газовых разрядников, специфических твердотельных коммутаторов, или же магнитных компрессоров. [Устройство для генерации коротких импульсов высокого напряжения. RU 2 144 257 C1 от 18.02.1998]. Применение разрядников приводит к ограничению ресурса устройства в силу специфики их работы, а применение высокоскоростных коммутаторов приводит к увеличению сложности всего устройства и снижению его эффективности в силу конечного кпд самого коммутатора [С.В. Коротков и др. Устройство плазменной очистки воздуха от органических загрязнителей с использованием барьерного разряда наносекундной длительности. Приборы и техника эксперимента, 2012, № 5, с. 99-102]. Использование магнитных компрессоров для целей снижения длительности формируемых импульсов также снижает эффективность устройства из-за потерь энергии в магнитных ключах, особенно в наносекундном диапазоне. Так, в мегавольтном частотном SOS генераторе [Rukin S.N. at al. Megavolt repetitive SOS-based generator. Proc. of 13th IEEE Int. PulsedPower Conf, 2001, V. 2, p. 1272-1275.] потери энергии в магнитном компрессоре устройства достигали 50% от величины всех потерь. Частота следования импульсов в подобных устройствах не превышает единиц килогерц.Another class of devices for supplying gas-discharge systems based on a barrier discharge are pulsed systems with durations of single pulses of a few nanoseconds. Having a high power in the pulse, the disadvantage of these devices is the large duty cycle, that is, the ratio of the duration of the interval between pulses to the duration of the pulse itself. Because of this, the efficiency of gas treatment in the discharge gap is reduced, since it is subjected to processing insignificant of the total time. In addition, there are difficulties in constructing devices with a high output power on this principle, since, despite the high pulsed power, the energy, and hence the output power, is not large due to the short pulse duration. In addition, the formation of nanosecond pulses requires the use of gas arresters, specific solid-state switches, or magnetic compressors as switches. [Device for generating short high voltage pulses. RU 2 144 257 C1 dated February 18, 1998]. The use of arresters leads to a limited resource of the device due to the specifics of their operation, and the use of high-speed switches leads to an increase in the complexity of the entire device and a decrease in its efficiency due to the final efficiency of the switch itself [S.V. Korotkov et al. A device for plasma purification of air from organic pollutants using a nanosecond barrier discharge. Instruments and experimental equipment, 2012, No. 5, p. 99-102]. The use of magnetic compressors to reduce the duration of the generated pulses also reduces the efficiency of the device due to energy losses in the magnetic keys, especially in the nanosecond range. So, in a megavolt frequency SOS generator [Rukin S.N. at al. Megavolt repetitive SOS-based generator. Proc. of 13th IEEE Int. PulsedPower Conf, 2001, V. 2, p. 1272-1275.] The energy loss in the magnetic compressor of the device reached 50% of all losses. The pulse repetition rate in such devices does not exceed units of kilohertz.
Существуют устройства, использующие для питания газоразрядных систем с барьерным разрядом импульсы затухающих гармонических колебаний. Эти устройства способны неоднократно инициировать разряд в промежутке, до тех пор, пока амплитуда питающего напряжения не окажется слишком мала для его зажигания в силу ее затухания. Одно из подобных устройств представлено в описании к полезной модели [Генератор озона RU 91 064 U1 от 22.10.2009], выбранной в качестве прототипа. Схема обладает низкой энергетической эффективностью, так как в ней полезно используется только половина энергии емкостного накопителя – конденсатора С1. Только в процессе зарядки конденсатора часть энергии колебаний поступает в нагрузку. Разряд же емкостного накопителя, заряженного до напряжения источника питания, происходит через ключ, и эта энергия не поступает в нагрузку, а диссипирует (рассеивается в виде тепловой энергии) в ключе и проводниках. В схеме прототипа также отсутствуют элементы, ограничивающие величину тока при разрядке конденсатора через ключ, что может привести к выходу последнего из строя. Дополнительно ухудшает энергетическую эффективность данного решения отсутствие возможности возврата неизрасходованной в разряде энергии в первичную цепь. Процесс формирования импульса затухающих колебаний начинается с запирания ключа, при этом энергия, накопленная в индуктивности трансформатора, вызовет практически двукратное превышение напряжения источника питания на емкости и ключе в результате резонансного характера заряда. Это перенапряжение накладывает на ключ дополнительные требования по его максимально допустимому рабочему напряжению.There are devices that use pulses of damped harmonic oscillations to power gas-discharge systems with a barrier discharge. These devices are capable of repeatedly initiating a discharge in the gap, until the amplitude of the supply voltage is too small for its ignition due to its attenuation. One of such devices is presented in the description of the utility model [Ozone Generator RU 91 064 U1 of 10.22.2009], selected as a prototype. The circuit has low energy efficiency, since it uses only half of the energy of a capacitive storage device - capacitor C1. Only in the process of charging the capacitor does a part of the vibration energy enter the load. The discharge of a capacitive storage device charged to the voltage of the power source occurs through the key, and this energy does not enter the load, but dissipates (dissipates as thermal energy) in the key and conductors. The prototype circuit also lacks elements that limit the amount of current when the capacitor is discharged through the key, which can lead to the failure of the latter. Additionally, the energy efficiency of this solution is deteriorated by the inability to return the energy unexpended in the discharge to the primary circuit. The process of forming a pulse of damped oscillations begins with locking the key, while the energy accumulated in the inductance of the transformer will cause almost twice the voltage of the power source across the capacitance and key as a result of the resonant nature of the charge. This overvoltage imposes additional requirements on the key with respect to its maximum permissible operating voltage.
Отсутствуют элементы позволяющие формировать форму (огибающую) выходного импульса. Форма импульса будет иметь ярко выраженный затухающий характер с возможностью инициирования разряда только в течение первых периодов выходного напряжения.There are no elements allowing to form the shape (envelope) of the output pulse. The pulse shape will have a pronounced decaying character with the possibility of initiating a discharge only during the first periods of the output voltage.
Техническая задачаTechnical challenge
Технической задачей является эффективная генерация низкотемпературной плазмы в газоразрядных системах на основе барьерного разряда.The technical problem is the efficient generation of low-temperature plasma in gas-discharge systems based on a barrier discharge.
Технический результат заключается в следующем:The technical result is as follows:
• снижение энергопотребления устройства в целом и повышение его эффективности;• reducing the power consumption of the device as a whole and increasing its efficiency;
• за счет неоднократного зажигания разряда за один импульс повышение частоты следования импульсов горения разряда;• due to the repeated ignition of the discharge in one pulse, an increase in the repetition rate of the discharge burning pulses;
• снижение тепловых нагрузок на электроды разрядной системы, что позволяет отказаться в ряде случаев от систем их охлаждения;• reduction of thermal loads on the electrodes of the discharge system, which allows us to refuse in some cases their cooling systems;
• обеспечение широкого диапазона регулировки выходной мощности;• providing a wide range of output power adjustment;
• обеспечение недостижимого при работе в непрерывном режиме уровня пиковой мощности при существенно меньшей средней мощности, что может быть актуально для протекания различных плазмохимических реакций (при этом схемотехнические особенности устройства не ограничивают максимальное значение пиковой мощности);• ensuring the peak power level that is unattainable during continuous operation at a significantly lower average power, which may be relevant for various plasma-chemical reactions (while the circuit design features of the device do not limit the maximum value of peak power);
• высокая пиковая мощность позволяет работать с разрядными системами большой площади, эффективно заряжая значительные по величине межэлектродные емкости;• high peak power allows you to work with discharge systems of a large area, efficiently charging significant interelectrode capacitances;
• увеличение в отличие от импульсных наносекундных систем времени взаимодействия плазмы газового разряда с газом в разрядном промежутке;• increase, in contrast to pulsed nanosecond systems, the time of interaction between the plasma of a gas discharge and gas in the discharge gap;
• обеспечение длительного срока службы устройства, так как оно выполнено на твердотельных элементах и не имеет частей с заведомо заложенным расходом либо износом (искровые разрядники);• ensuring a long service life of the device, since it is made on solid-state elements and does not have parts with a known expense or wear (spark gap);
• снижение массогабаритных характеристик источника питания ввиду преобразования энергии на повышенной частоте.• reduction in the weight and size characteristics of the power source due to energy conversion at an increased frequency.
РешениеDecision
Для решения поставленной задачи предлагается устройство электрического питания газоразрядных систем, включающее To solve this problem, a device for electric power supply of gas-discharge systems, including
a. первичный колебательный контур, состоящий из последовательно включенных полупроводникового коммутатора с антипараллельным диодом, накопительной емкости и первичной обмотки трансформатора, a. primary oscillating circuit, consisting of a series-connected semiconductor switch with an antiparallel diode, storage capacitance and the primary winding of the transformer,
b. вторичный колебательный контур, состоящий из вторичной обмотки трансформатора, с последовательно включенными во вторичную цепь индуктивностью, нагрузкой в виде газоразрядной системы и межэлектродной емкостью газоразрядного промежутка, при этом величину указанной индуктивности подбирают таким образом, что в течение одного входного импульса, формирующего преимущественно затухающие колебания в первичном контуре, во вторичном контуре формируются колебания преимущественно одинаковой амплитуды, что обеспечивает многократное зажигание разряда в течение времени указанного входного импульса и эффективную передачу энергии из первичного накопителя в газоразрядную систему.b. a secondary oscillatory circuit, consisting of a secondary winding of a transformer, with an inductance, a load in the form of a gas discharge system and an interelectrode capacitance of a gas discharge gap, sequentially connected to the secondary circuit, while the value of the indicated inductance is selected so that during one input pulse, which forms mainly damped oscillations in primary circuit, in the secondary circuit oscillations are formed predominantly of the same amplitude, which provides multiple ignition discharge time for said input pulse and efficient energy transfer from the primary storage device to a discharge system.
Величину указанной индуктивности L1 во вторичной цепи подбирают эмпирически из интервала 0.9Lрасч до 1.1Lрасч, где Lрасч рассчитывают по формулеThe value of the indicated inductance L1 in the secondary circuit is selected empirically from the interval 0.9Lcalc to 1.1Lcalc, where Lcalc is calculated by the formula
, ,
где Lперв – индуктивность первичного контура; Срс – суммарная емкость разрядной системы; Lвтор – индуктивность вторичного контура, С1 – емкость первичного контура (первичный накопитель).where Lperv is the inductance of the primary circuit; Srs - the total capacity of the discharge system; L second is the inductance of the secondary circuit, C1 is the capacity of the primary circuit (primary storage).
При этом в испытанном устройстве L1 лежит в пределах от 4.8Lвтор до 5.6Lвтор.Moreover, in the tested device L1 lies in the range from 4.8L second to 5.6L second.
Выходной импульс включает в себя несколько периодов гармонических колебаний, например, четыре как в эксперименте. При этом в течение одного входного импульса происходит многократное зажигание разряда в газоразрядной системе (не менее семи раз в использованной конфигурации).The output pulse includes several periods of harmonic oscillations, for example, four as in the experiment. At the same time, during one input pulse, a multiple ignition of a discharge occurs in a gas discharge system (at least seven times in the configuration used).
В результате многократного зажигания разряда за один импульс происходит увеличение времени взаимодействия плазмы газового разряда и газа в разрядном промежутке до 10 мкс и более за один импульс.As a result of repeated ignition of the discharge in one pulse, the interaction time of the plasma of the gas discharge and gas in the discharge gap increases to 10 μs or more in one pulse.
В реализованном устройстве пиковая мощность в импульсе систему составляет величину порядка 30 кВт и более, что позволяет эффективно заряжать межэлектродные емкости, при этом частота гармонических колебаний составляет сотни килогерц (более 100 кГц).In the implemented device, the peak power in the pulse of the system is of the order of 30 kW or more, which allows efficient charging of interelectrode capacitances, while the frequency of harmonic oscillations is hundreds of kilohertz (over 100 kHz).
Описание чертежейDescription of drawings
На фиг. 1 изображена электрическая схема предлагаемого устройства. Введены следующие обозначения, 1 – источник питания и схема управления генератором импульсов затухающих колебаний, 2 – коммутатор, 3 – диод D1, 4 – первичный накопитель С1, 5 – трансформатор, 6 – дополнительная индуктивность L1, 7 – нагрузка (газоразрядный промежуток), 8, 9 – датчики токов нагрузки и первичного контура соответственно.In FIG. 1 shows an electrical diagram of the proposed device. The following notation is introduced: 1 - power supply and a control circuit for a pulse generator of damped oscillations, 2 - commutator, 3 - diode D1, 4 - primary drive C1, 5 - transformer, 6 - additional inductance L1, 7 - load (gas discharge gap), 8 , 9 - sensors of load currents and primary circuit, respectively.
На фиг. 2 изображена структура барьерного разряда и его эквивалентная схема при отсутствии (Фиг. 2а) и наличии разряда (Фиг. 2б) в разрядном промежутке. Введены следующие обозначения, 10 – емкость диэлектрического барьера Сб, 11 – емкость разрядного промежутка Срп, 12 – эквивалент, соответствующий напряжению горению разряда Uр, 13 – эквивалент, соответствующий потерям энергии в разряде Rр.In FIG. 2 shows the structure of the barrier discharge and its equivalent circuit in the absence (Fig. 2a) and the presence of a discharge (Fig. 2b) in the discharge gap. The following notation is introduced: 10 is the capacitance of the dielectric barrier Sb, 11 is the capacitance of the discharge gap Срп, 12 is the equivalent corresponding to the burning voltage of the discharge Uр, 13 is the equivalent corresponding to the energy loss in the discharge Rр.
На фиг. 3 изображены кривые напряжения Uc на первичном накопителе С1, тока в первичном контуре Iперв и выходных напряжения и тока Uвых и Iвых соответственно.In FIG. 3 shows the voltage curves Uc on the primary storage device C1, the current in the primary circuit Iperv and the output voltage and current Uoutput and Iout, respectively.
Детальное описаниеDetailed description
Предлагается устройство, которое было бы свободно от недостатков как импульсных, так и работающих в непрерывном режиме устройств питания газоразрядных систем на основе барьерного разряда и обладало бы их преимуществами. Для питания подобных устройств предлагается использовать источники питания с выходным напряжением в виде импульсов гармонических колебаний. Обладая высокой мощностью, как и в случае моноимпульсных систем, данная форма питающего напряжения позволяет неоднократно инициировать разряд в промежутке за один импульс. Это приводит к повышению эффективной частоты работы устройства, которая будет равна произведению частоты следования импульсов на количество актов инициирования разряда за один импульс. A device is proposed that would be free from the disadvantages of both pulsed and continuously operating devices for supplying gas-discharge systems based on a barrier discharge and would have their advantages. It is proposed to use power sources with an output voltage in the form of harmonic oscillation pulses to power such devices. Having high power, as in the case of monopulse systems, this form of supply voltage allows you to repeatedly initiate a discharge in the gap in one pulse. This leads to an increase in the effective frequency of the device, which will be equal to the product of the pulse repetition rate by the number of discharge initiation events per pulse.
Время горения разряда в этом случае существенно выше, чем в короткоимпульсных системах, что приводит к увеличению времени взаимодействия плазмы газового разряда и газа в разрядном промежутке. The discharge burning time in this case is significantly higher than in short-pulse systems, which leads to an increase in the interaction time of the gas-discharge plasma and gas in the discharge gap.
За счет возможности регулирования в широких пределах периода следования импульсов, появляется возможность изменять среднюю мощность в разряде также в широких пределах. Это позволяет снизить тепловую нагрузку на электроды разрядной системы при сохранении высокой импульсной мощности. Снижение тепловой нагрузки на электроды позволяет отказаться от систем охлаждения, обязательных для мощных установок непрерывного действия. Due to the possibility of regulation over a wide range of the pulse repetition period, it becomes possible to change the average power in the discharge also over a wide range. This allows you to reduce the thermal load on the electrodes of the discharge system while maintaining high pulse power. Reducing the thermal load on the electrodes allows you to abandon the cooling systems that are required for powerful continuous installations.
Поскольку барьерный разряд представляет собой емкостную нагрузку, ток перезарядки емкости диэлектрика и разрядного промежутка присутствует в системах непрерывного действия постоянно. Протекание емкостных токов приводит к дополнительному разогреву проводников, снижая эффективность системы. В импульсном же устройстве емкостной ток протекает только во время импульса, что снижает потери от емкостных токов в проводниках. Since the barrier discharge is a capacitive load, the recharge current of the dielectric capacitance and the discharge gap is constantly present in continuous systems. The flow of capacitive currents leads to additional heating of the conductors, reducing the efficiency of the system. In a pulsed device, capacitive current flows only during a pulse, which reduces losses from capacitive currents in conductors.
Высокая импульсная мощность позволяет эффективно перезаряжать межэлектродную емкость большой величины. Это открывает возможность использования данного технического решения для создания мощных промышленных установок с большой площадью электродов газоразрядной системы. Следует отметить, что схемотехнические особенности предложенного устройства не ограничивают максимальное достижимое значение средней и пиковой мощности. Предложенный способ генерации импульсов гармонических колебаний экономичен, не требует применения газовых разрядников, полупроводниковых обострителей напряжения и магнитных компрессоров. В случае неполного потребления нагрузкой запасенной в источнике питания энергии, часть ее, за исключением потерь, возвращается после окончания импульса в источник питания (рекуперируется). Это приводит к снижению энергопотребления устройства в целом, повышая его эффективность. High pulse power allows you to effectively recharge the interelectrode capacitance of large magnitude. This opens up the possibility of using this technical solution to create powerful industrial plants with a large area of electrodes of a gas discharge system. It should be noted that the circuitry features of the proposed device do not limit the maximum achievable value of the average and peak power. The proposed method for generating pulses of harmonic oscillations is economical, does not require the use of gas arresters, semiconductor voltage sharpeners and magnetic compressors. In case of incomplete consumption by the load of energy stored in the power source, part of it, with the exception of losses, is returned after the end of the pulse to the power source (recovered). This leads to lower power consumption of the device as a whole, increasing its efficiency.
Повышенная частота гармонических колебаний в импульсе, способная достигать сотен килогерц, позволяет создавать малогабаритные источники питания с пониженной материалоемкостью различной мощности и требуемого уровня выходного напряжения. The increased frequency of harmonic oscillations in the pulse, capable of reaching hundreds of kilohertz, allows you to create small-sized power supplies with reduced material consumption of different power and the required output voltage level.
Отличительная особенность данного технического решения от прототипа состоит в том, что в источнике питания в данном варианте для получения импульсов гармонических колебаний используется разряд накопительного конденсатора, а не его заряд. При этом исчезает необходимость бесполезно разряжать накопительную емкость, заряженную до максимального напряжения, через ключ. В нашем случае ток разряда накопительной емкости через ключ ограничен индуктивностью трансформатора со стороны первичной обмотки. При этом большая часть накопленной энергии в емкостном накопителе при его разряде поступает в нагрузку. Остаток энергии к моменту окончания импульса возвращается в емкостной накопитель, что способствует повышению эффективности устройства по сравнению с прототипом. К ключу в предложенном варианте прикладывается напряжение амплитудой, не превышающей напряжение источника питания. Кроме того, в цепь питания газоразрядной системы вводятся дополнительные элементы (индуктивность L1), позволяющие задать оптимальную форму импульса выходного напряжения также с целью достижения максимально эффективной генерации плазмы барьерного разряда. Данное решение позволяет сформировать на нагрузке импульс требуемой длительности. Длительность этого импульса выбирается из условия эффективной многократной генерации плазмы в разряде в течение всего импульса.A distinctive feature of this technical solution from the prototype is that in the power supply in this embodiment, to obtain pulses of harmonic oscillations, the discharge of the storage capacitor is used, and not its charge. This eliminates the need to uselessly discharge the storage capacity, charged to maximum voltage, through the key. In our case, the discharge current of the storage capacitance through the key is limited by the transformer inductance from the side of the primary winding. Moreover, most of the accumulated energy in the capacitive storage when it is discharged enters the load. The rest of the energy at the time of the end of the pulse is returned to the capacitive storage, which helps to increase the efficiency of the device compared to the prototype. A voltage with an amplitude not exceeding the voltage of the power source is applied to the key in the proposed embodiment. In addition, additional elements (inductance L1) are introduced into the supply circuit of the gas-discharge system, which make it possible to set the optimal pulse shape of the output voltage also in order to achieve the most efficient generation of the barrier discharge plasma. This solution allows you to generate a pulse of the required duration on the load. The duration of this pulse is selected from the condition of effective multiple generation of plasma in the discharge during the entire pulse.
Электрическая схема предлагаемого устройства приведена на фиг. 1. Устройство состоит из источника питания и схемы управления (1), твердотельного коммутатора с полным управлением (2), диода D1 (3), емкостного накопителя С1 (4), трансформатора (5), дополнительной индуктивности L1 (6), нагрузки (газоразрядной системы) (7), датчиков токов нагрузки Iвых и первичного контура Iперв (8, 9) соответственно. The electrical circuit of the proposed device is shown in FIG. 1. The device consists of a power source and control circuit (1), a solid state switch with full control (2), diode D1 (3), capacitive storage C1 (4), transformer (5), additional inductance L1 (6), load ( gas-discharge system) (7), load current sensors Iout and primary circuit Iper (8, 9), respectively.
Источник питания обеспечивает зарядку емкостного накопителя до требуемого значения напряжения Uc. Схема управления формирует сигналы управления коммутатором, осуществляя его включение и выключение. Коммутатор совместно с емкостным накопителем и первичной обмоткой трансформатора образуют колебательный контур. Возникновение затухающих по амплитуде колебаний в контуре происходит после включения коммутатора при наличии энергии в емкостном накопителе С1. Энергия колебаний из первичного контура через трансформатор поступает в нагрузку. Нагрузка включена в цепь вторичной обмотки трансформатора. Трансформатор служит для согласования импеданса устройства с импедансом различных нагрузок для цели максимально эффективной передачи в них энергии. Частота колебаний в первичном контуре определяется величиной емкости накопителя и индуктивностью трансформатора со стороны первичной обмотки. Частота колебаний во вторичной цепи определяется индуктивностью трансформатора со стороны вторичной обмотки, дополнительной индуктивностью L1 и емкостью разрядной системы. Емкость разрядной системы складывается из последовательно включенных емкостей диэлектрического барьера Сб и емкости разрядного промежутка Срп (Фиг. 2).The power source charges the capacitive storage to the desired voltage value Uc. The control circuit generates control signals for the switch, turning it on and off. The switch together with the capacitive storage and the primary winding of the transformer form an oscillatory circuit. The occurrence of amplitude-damped oscillations in the circuit occurs after the switch is turned on when there is energy in the capacitive storage C1. The vibration energy from the primary circuit through the transformer enters the load. The load is included in the secondary circuit of the transformer. The transformer is used to coordinate the impedance of the device with the impedance of various loads in order to transfer energy to them as efficiently as possible. The oscillation frequency in the primary circuit is determined by the value of the storage capacity and the inductance of the transformer on the side of the primary winding. The oscillation frequency in the secondary circuit is determined by the inductance of the transformer on the side of the secondary winding, the additional inductance L1 and the capacity of the discharge system. The capacity of the discharge system consists of series-connected capacitances of the dielectric barrier Sb and the capacitance of the discharge gap Srp (Fig. 2).
В предложенном устройстве, аналогично тому, как это выполняется в трансформаторах Тесла, обеспечивается приблизительное равенство частот колебаний первичного и вторичного контуров. Подстройка частоты колебаний во вторичном контуре осуществляется с помощью изменения значения дополнительной индуктивности L1. In the proposed device, similar to how it is done in Tesla transformers, the approximate equality of the oscillation frequencies of the primary and secondary circuits is provided. The adjustment of the oscillation frequency in the secondary circuit is carried out by changing the value of the additional inductance L1.
При этом частоты первичного и вторичного контуров будут определяться как:In this case, the frequencies of the primary and secondary circuits will be determined as:
. .
Форма импульса (огибающая, соответствующая изменению амплитуды высокочастотных гармонических колебаний) определяется как значениями примененных в устройстве элементов, так и величиной магнитной связи между первичной и вторичной обмотками трансформатора. Эта величина зависит от параметров и конструкции трансформатора, и является определяющей для величины скорости ухода энергии из первичного контура в нагрузку. Изменяя величину магнитной связи и значение добавочной индуктивности L1, можно добиться различной формы огибающей выходных импульсов. Оптимизация параметров и конструкции трансформатора проводилась с целью достижения многократного инициирования барьерного разряда в течение импульса заданной длительности и максимально эффективной передачи энергии из первичного накопителя в газоразрядную систему.The shape of the pulse (envelope corresponding to a change in the amplitude of high-frequency harmonic oscillations) is determined by both the values of the elements used in the device and the magnitude of the magnetic coupling between the primary and secondary windings of the transformer. This value depends on the parameters and design of the transformer, and is decisive for the magnitude of the rate of energy escape from the primary circuit to the load. By changing the magnitude of the magnetic coupling and the value of the additional inductance L1, it is possible to achieve a different shape of the envelope of the output pulses. Optimization of the parameters and design of the transformer was carried out in order to achieve multiple initiation of a barrier discharge during a pulse of a given duration and the most efficient transfer of energy from the primary storage device to the gas discharge system.
Формирование импульса затухающих колебаний в первичной цепи начинается с достижения требуемого уровня напряжения на первичном емкостном накопителе и подаче сигнала включения коммутатора. В первичном колебательном контуре, состоящем из коммутатора, емкостного накопителя и первичной обмотки трансформатора возникают затухающие гармонические колебания. Энергия каждого последующего полупериода колебаний меньше предыдущего на величину энергии ∆E за счет суммы энергии переданной в нагрузку и энергии потерь. Энергия потерь складывается из резистивных потерь и потерь в сердечнике трансформатора, в случае его использования.The formation of a pulse of damped oscillations in the primary circuit begins with achieving the required voltage level on the primary capacitive storage and applying a switch on signal. In the primary oscillatory circuit, consisting of a switch, a capacitive storage device and the primary winding of the transformer, damped harmonic oscillations occur. The energy of each subsequent half-cycle of oscillations is less than the previous one by the amount of energy ΔE due to the sum of the energy transferred to the load and the energy of losses. The energy of losses consists of resistive losses and losses in the core of the transformer, if used.
Достоинством предложенного решения является возможность возврата (рекуперации) неизрасходованной в нагрузке энергии. После отключения в нужный момент коммутатора, неизрасходованная к этому моменту энергия, через диод D1 возвращается в первичный емкостной накопитель C1. Величина этой энергии определяет величину остаточного напряжения на накопителе Uост. Именно на эту величину уменьшится отбор энергии из источника питания для формирования последующего импульса. Этим приводит к снижению энергопотребления устройства в целом, повышая его эффективность.The advantage of the proposed solution is the ability to return (recovery) of energy unspent in the load. After disconnecting at the right moment of the switch, the energy unspent by this moment through the diode D1 is returned to the primary capacitive storage C1. The value of this energy determines the value of the residual voltage on the drive Uost. It is by this value that the selection of energy from the power source for the formation of a subsequent pulse will decrease. This leads to lower power consumption of the device as a whole, increasing its efficiency.
Напряжение на вторичной обмотке трансформатора также представляет собой импульс, образованный несколькими периодами гармонических колебаний. Подбором параметров элементов устройства в цепи нагрузки удается формировать несколько периодов напряжения с амплитудами без ярко выраженного затухания во времени. Это позволяет многократно инициировать барьерный разряд в течение импульса. Так, из представленных кривых тока и напряжения можно сделать вывод, что разряд в исследуемом устройстве за один импульс зажигался не менее семи раз. Во столько же раз возрастает эффективная частота его зажигания по сравнению с частотой следования импульсов. Таким образом, при частотах следования импульсов в единицы килогерц, как и в случае моноимпульсных систем, частота зажигания разряда в нашем случае будет достигать десятков килогерц. Количество актов инициирования разряда за один импульс может иметь различные значения – как большее, так и меньшее от полученного в данном конкретном случае. Оно определяется энергозапасом в емкостном накопителе С1, параметрами примененных в устройстве элементов и свойствами газоразрядной системы. The voltage on the secondary side of the transformer is also a pulse formed by several periods of harmonic oscillations. By selecting the parameters of the device elements in the load circuit, it is possible to form several voltage periods with amplitudes without a pronounced attenuation in time. This allows you to repeatedly initiate a barrier discharge during the pulse. So, from the presented current and voltage curves, we can conclude that the discharge in the device under study was ignited for one pulse at least seven times. The effective frequency of its ignition increases by the same amount compared to the pulse repetition rate. Thus, at pulse repetition frequencies of units of kilohertz, as in the case of monopulse systems, the discharge ignition frequency in our case will reach tens of kilohertz. The number of acts of initiation of a discharge per pulse can have different values - both greater and less than that obtained in this particular case. It is determined by the energy reserve in the capacitive storage C1, the parameters used in the device elements and the properties of the gas discharge system.
Устройство позволяет формировать импульсы высокой мощности. Так, мощность первого полупериода колебаний в первичном контуре в данном конкретном устройстве составляет более 30 кВт. Установка непрерывного действия подобной мощности отличалась бы внушительными массогабаритными показателями и непременным наличием системы охлаждения. Несмотря на высокую пиковую мощность колебаний за время импульса, средняя мощность предложенного устройства может регулироваться за счет изменения частоты следования импульсов (изменения скважности) в широких пределах. Максимальная пиковая мощность предложенного способа формирования импульсов не лимитируется приведенными на кривых значениями и может достигать мегаваттного уровня мощности. The device allows the formation of high power pulses. So, the power of the first half-cycle of oscillations in the primary circuit in this particular device is more than 30 kW. A continuous installation of such power would be distinguished by impressive weight and size indicators and the indispensable presence of a cooling system. Despite the high peak power of the oscillations during the pulse, the average power of the proposed device can be controlled by changing the pulse repetition rate (change in duty cycle) over a wide range. The maximum peak power of the proposed method for generating pulses is not limited by the values given on the curves and can reach a megawatt power level.
Кривые токов и напряжений получены с помощью осциллографа HP54542Ac рабочей частотой до 500 МГц, в качестве датчиков тока использовались трансформаторы тока Stangenes 0.5-0.1 c временем нарастания 10 нс, выходное напряжение измерялось высоковольтным щупом Tektronix P6015, для измерения напряжения на первичном накопителе применялся высоковольтный щуп HP-9258.Current and voltage curves were obtained using an HP54542A oscilloscope with an operating frequency of up to 500 MHz, current transformers were used Stangenes 0.5-0.1 current transformers with a rise time of 10 ns, the output voltage was measured with a Tektronix P6015 high-voltage probe, and an HP high-voltage probe was used to measure the voltage on the primary drive -9258.
Claims (11)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017135555A RU2663231C1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Device of electric power supply of gas discharge systems |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2017135555A RU2663231C1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Device of electric power supply of gas discharge systems |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2663231C1 true RU2663231C1 (en) | 2018-08-02 |
Family
ID=63142593
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2017135555A RU2663231C1 (en) | 2017-10-05 | 2017-10-05 | Device of electric power supply of gas discharge systems |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2663231C1 (en) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117545162A (en) * | 2023-11-08 | 2024-02-09 | 江苏神州半导体科技有限公司 | Pre-excitation ignition device of remote plasma source and control method thereof |
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5862924A (en) * | 1981-10-09 | 1983-04-14 | Mitsubishi Electric Corp | Large power damping oscillation pulse generator |
RU2144257C1 (en) * | 1998-02-18 | 2000-01-10 | Аболенцев Виктор Алексеевич | High-voltage generator of short pulses |
US20080252225A1 (en) * | 2005-05-13 | 2008-10-16 | Toshiaki Kurachi | Dielectric Barrier Discharge Lamp Lighting Device |
RU91064U1 (en) * | 2009-10-22 | 2010-01-27 | Александр Анатольевич Сапов | Ozone Generator |
-
2017
- 2017-10-05 RU RU2017135555A patent/RU2663231C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JPS5862924A (en) * | 1981-10-09 | 1983-04-14 | Mitsubishi Electric Corp | Large power damping oscillation pulse generator |
RU2144257C1 (en) * | 1998-02-18 | 2000-01-10 | Аболенцев Виктор Алексеевич | High-voltage generator of short pulses |
US20080252225A1 (en) * | 2005-05-13 | 2008-10-16 | Toshiaki Kurachi | Dielectric Barrier Discharge Lamp Lighting Device |
RU91064U1 (en) * | 2009-10-22 | 2010-01-27 | Александр Анатольевич Сапов | Ozone Generator |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN117545162A (en) * | 2023-11-08 | 2024-02-09 | 江苏神州半导体科技有限公司 | Pre-excitation ignition device of remote plasma source and control method thereof |
CN117545162B (en) * | 2023-11-08 | 2024-05-28 | 江苏神州半导体科技有限公司 | Pre-excitation ignition device of remote plasma source and control method thereof |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Zhang et al. | A compact, high repetition-rate, nanosecond pulse generator based on magnetic pulse compression system | |
US8173075B2 (en) | Device for generation of pulsed corona discharge | |
US20160046489A1 (en) | Ozone generator | |
Yan et al. | A 10 kW high-voltage pulse generator for corona plasma generation | |
Ren et al. | Solid-state Marx generator circuit based on inductive energy storage | |
Rao et al. | A novel all solid-state sub-microsecond pulse generator for dielectric barrier discharges | |
RU2663231C1 (en) | Device of electric power supply of gas discharge systems | |
Ram et al. | Development of high voltage pulse power supply for microwave tube applications | |
Hosseini et al. | Modeling and construction of Marx impulse generator based on boost converter pulse-forming network | |
Yu et al. | Voltage adding of pulse forming lines using inductive energy storage | |
RU2584004C2 (en) | Method for power supply of discharge asymmetrical ozone generator | |
RU180174U9 (en) | The device of high-voltage power supply of electrophysical devices with high constant and frequency-pulsed voltage | |
RU2647662C1 (en) | Generator of impulses of damped vibrations of limited duration | |
RU2210180C2 (en) | Way to form high-voltage pulses | |
RU94965U1 (en) | GAS DISCHARGE POWER SUPPLY DEVICE | |
Kuldip et al. | Flyback Based Resonant Converter for High Voltage Pulsed Load Application | |
Harchandani et al. | Pulse forming network for Marx generator with boosting operation | |
US6953032B2 (en) | Combustion engine and ignition circuit for a combustion engine | |
Jatoth et al. | High Voltage Trigger Generator for Magnetic Pulse Welding System | |
Matsukawa et al. | Development of a compact nanosecond pulse generator | |
Saiki | High-voltage Pulse Generation Based on Relaxed Self-Excited Oscillation Using Electrostatic Induction in External Capacitors | |
Paul et al. | Generation of pulsed power for radar application | |
Saiki | High-voltage Pulse Generation Using Electrostatic Induction in Capacitor | |
CN113179005B (en) | Double-pulse power supply and working method thereof | |
Yan et al. | Evaluation of pulsed power sources for plasma generation |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20201006 |