Đang tải... (xem toàn văn)
Trương Thị HoaKhoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà NẵngTóm tắt - Nguồn xung điện áp cao sử dụng Silicon Diodescho dòng điện xoay chiều SIDAC-Silicon Diode fo
1 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 THIẾT KẾ, LẮP RÁP NGUỒN XUNG ĐIỆN ÁP CAO SỬ DỤNG SIDAC DESIGN, INSTALLING HIGH-VOLTAGE PULSE SOURCE USING SIDAC SVTH: Lưu Hồi Nam, Lê Chí Khánh, Võ Bá Thịnh, Lê Trung Nguyên Lớp 18D1, Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng GVHD: TS Trương Thị Hoa Khoa Điện - Điện tử, Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật - Đại học Đà Nẵng Tóm tắt - Nguồn xung điện áp cao sử dụng Silicon Diodes Abstract - The high voltage pulse source uses Silicon cho dòng điện xoay chiều (SIDAC-Silicon Diode for Alternating Diodes for alternating current (SIDAC) that generates pulses by Current), xung tạo cách sử dụng đặc tính chuyển using the high-speed switching characteristic of SIDAC and the mạch tốc độ cao SIDAC đặc tính tự kết thúc hệ thống self-termination characteristic of the dielectric-barrier discharge phóng điện chắn điện mơi (DBD-Dielectric Barrier system (DBD) without external control In our design, a series of Discharge) mà khơng cần điều khiển bên ngồi Trong thiết kế SIDAC connections are connected to a simple circuit in which chúng tôi, loạt kết nối SIDAC kết nối với mạch DBD actions as a load, a capacitor is used as a buffer power đơn giản DBD hoạt động phụ tải, tụ điện supply unit for SIDAC operation, and be charged by high voltage sử dụng nhằm ổn định điện áp cho trình hoạt động power source Moreover, the simple modular structure, which SIDAC sạc nguồn điện áp cao Nguồn xung requires no control, eliminates transformers, the minimum number thiết kế với cấu trúc mô đun đơn giản, loại bỏ máy biến áp, tối of voltage converters needed to achieve the desired operating thiểu mức chuyển đổi điện áp tạo nguồn xung gọn nhẹ conditions in the design results in reduced dimensions, weight, kích thước, trọng lượng, bảo trì đơn giản khả mở simple maintenance and high scalability rộng cao Key words - Silicon Diodes for alternating current (SIDAC); Từ khóa - Silicon Diodes cho dòng điện xoay chiều; hệ dielectric-barrier discharge system (DBD); High voltage pulse thống phóng điện chắn điện môi; Nguồn xung điện áp cao source Giới thiệu diode hai chiều SIDAC giây Trạng thái tiến hành (đường màu xanh) tiếp tục dịng điện đầu cuối giảm xuống SIDAC diode hai chiều, hai cực dịng giữ (IH) Nếu số lượng SIDAC kết nối chuỗi chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái dẫn cho trạng thái N, điện áp ngắt kết nối tăng lên N lần, phân cực điện áp đặt vào Việc chuyển đổi từ trạng dòng giữ (IH) giữ nguyên Các đặc tính điện học thái tắt sang trạng thái bật thực cách đơn SIDAC sử dụng thiết kế thể giản vượt điện áp đánh thủng theo hai hướng Bảng 2.1 Diode hai chiều chuyển mạch cho dòng điện xoay chiều thiết bị chuyển mạch điện áp cao hai chiều Nó có điện áp chuyển mạch cao Có thể tạo điện áp cao lên đến hàng kV với giá trị cơng suất dịng điện thấp có kích thước nhỏ, đơn giản chi phí thấp Hình 2.1: Đặc tính V-I SIDAC Hình 1: Hình ảnh ký hiệu SIDAC mạch Bảng 2.1: Đặc tính điện SIDAC (K1V38 (W)) Shindengen Electric Mfg.Co.Ltd) Đặc tính V-I Diode hai chiều SIDAC Điện áp ngắt (VBO) 360 ~ 400 V Đặc tính hiển thị hình 2.1 điện áp đặt vào Dòng điện dẫn (IBO) 0.5 mA SIDAC nhỏ giá trị ngắt nó, SIDAC trạng thái Dòng điện giữ (IH) 50 mA không dẫn điện với điện trở cao (đường màu đỏ) Khi Điện áp mở khóa (VDRM) 270 V điện áp ứng dụng đáp ứng vượt điện áp ngắt Dịng điện khóa (IDRM) 10 µA (VBO), SIDAC chuyển từ trạng thái chặn sang trạng thái Điện trở chuyển mạch (RS) 100 Ω dẫn chuyển sang vùng chuyển tiếp (ký hiệu đường Điện trở nhiệt 15oC/W màu xanh cây) với thời gian chuyển tỷ lệ nano HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 Điện áp chuyển mạch SIDAC 360-400 V Vì vậy, kết nối nối tiếp 10 SIDAC, điện áp chuyển mạch tăng lên tới 3600 ~ 4000 V Khi kết nối chuyển mạch xung điện áp cao lên đến 4000 V với thời gian chuyển mạch khoảng vài trăm nsec tạo ra, tốc độ gia tăng điện áp (dv/dt) lên đên mong muốn hàng chục kV/sec mà không cần điều khiển bên ngồi Trong cơng việc này, SIDAC kết nối với mạch lị phản ứng DBD hoạt động tải Khi SIDAC chuyển thành dẫn điện, xung điện áp cao tạo ra, điện áp cao đặt vào lò phản ứng DBD, phóng điện xảy ra, phóng điện sau bị chấm dứt q trình tích tụ điện tích lớp điện mơi, kết thúc chu kỳ xung Mơ hình thí nghiệm Trong mơ hình thí nghiệm (hình 3.1 3.2), nguồn điện Hình 3.2: Thí nghiệm mạch thực tế áp cao (hình 3.3) chiều dùng để nạp điện cho tụ C (1nF) qua điện trở 10 MΩ nhằm hạn chế dịng Mơ tả thiết bị mạch tạo Plasma DBD: trình nạp điện cho tụ Tụ C đóng vai trị -Nguồn điện áp cao chiều có hình ảnh đặc tính ổn định điện áp cho trình hoạt động SIDAC mơ tả hình 3.3 bảng 3.1 Một chuỗi kết nối nối tiếp 12 SIDAC sử dụng để tạo xung điện áp (hình 3.4) Bộ kết nối SIDAC nối nối tiếp với lị phản ứng DBD (hình 3.5) Hai điện trở 20 MΩ mắc nối tiếp với sử dụng nhằm xả điện tích tích tụ điện mơi lị phản ứng Que chia áp điện áp cao sử dụng cho trình đo đếm điện áp Điện trở shunt có điện kháng nhỏ mắc nối tiếp với lò phản ứng sử dụng để đo dịng điện qua mạch Các tín hiêu dòng áp thu thập quan sát Oscilloscope Bảng 3.1: Đặc tính nguồn điện áp Điện áp vào AC: 220 V (50 – 60 Hz) Điện áp KV~ -20 KV Dòng điện 0-15 mA Công suất 300W Hình 3.3: Thiết bị nguồn sử dụng mạch mơ hình thí nghiệm DBD Hình 3.1: Sơ đồ ngun lý mạch phóng điện DBD khơng khí HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 phản ứng DBD Điện trở nạp tụ có giá trị 10 MΩ (hình 3.8) mục đ) mục đích để hạn chế dòng nạp cho tụ điện mạch nhằm tránh tượng dòng để nguồn điện làm việc giới hạn dịng điện cho phép Hình 3.4: Chuỗi SIDAC mạch thí nghiệm Tụ đệm (hình 3.9) sử dụng mạch tạo xung tụ sứ có C = 1nF Mục đích sử dụng tụ mạch lọc nguồn, tụ có tác dụng lọc cho điện áp để cung cấp cho tải tiêu thụ, ta thấy khơng có tụ áp DC sau diode điên áp nhấp nhơ, có tụ điện áp lọc tương đối phẳng, tụ điện lớn điện áp DC phẳng, nhiên giá trị tụ lớn thời gian nạp lâu Hình 3.5: Lị phản ứng DBD mơ hình thí nghiệm Hình 3.7: Điện trở Shunt mạch tạo xung Hình 3.8: Điện trở nạp cho tụ mạch tạo xung Lị phản ứng DBD (hình 3.5) ghép từ kính cường lực mỏng có độ dày 0,5mm làm chắn điện môi cực dán cực đồng mỏng Ba cạnh xung quanh dùng keo nến để bịt cạnh chừa cạnh bên phải hình tạo khe hở rộng 1mm để khí, phía đối diện dán ống dẫn khí Heli (màu cam) làm mơi trường cho phóng điện Plasma DBD Đầu cực nối với đầu SIDAC đầu (phía mặt lị phản ứng DBD) nối với điện trở Shunt Hình 3.6: Điện trở tải mạch tạo xung (R =20MΩ) Điện trở tải (hình 3.6) gồm điện trở mắc nối tiếp có R = Hình 3.9: Tụ dùng mạch tạo xung 20MΩ Điện trở tải nối từ chuỗi SIDAC đến đầu nối Kết thí nghiệm đất Điện trở tải có vai trị để xả điện tích tích lũy bề mặt lớp điện mơi lị phản ứng DBD mạch Điện trở Shunt có giá trị 100 Ω có hình ảnh mơ tả hình 3.7 với điện kháng nhỏ sử dụng cho việc đo dòng điện qua mạch, điện trở nối nối tiếp với lò HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 Khi cấp nguồn vào mạch nhân VIn =230 V AC, áp đầu chọn mức VOut = 14 kV DC nhằm tránh tượng dòng cho nguồn Như hình 3.10 ta thấy Plasma DBD tạo có màu tím đặc trưng dùng khí Heli làm mơi trường thí nghiệm Như vậy, mơ hình thí nghiệm mà nhóm thực đề tài thành cơng việc tạo xung cao áp để thực phóng điện Plasma DBD Dạng sóng điện áp dịng điện thu từ phóng điện Plasma DBD hiển thị hình oscilloscope hình 3.11, kết thu thập tính tốn phần mềm máy tính cho hình ảnh dạng sóng thể hình 3.12 Khi SIDAC chuyển mạch tạo chênh lệch điện áp V [kV ] Hình 3.12: Dạng sóng liệu Excel thu từ lên đến kV đặt vào lò phản ứng DBD Sự chuyển mạch Oscilloscope thí nghiệm phóng điện Plasma DBD điện áp làm xuất dòng điện điện dung tỉ lệ thuận 15.0 với mức tăng điện áp ( dv ¿, tương ứng với xung dòng 14.5 dt 14.0 13.5 thứ quan sát hình 3.12, xung điện áp 13.0 cao sau tạo phóng điện DBD, phóng điện tạo 12.5 xung dịng thứ với dịng điện phóng điện đạt mức A 12.0 Quá trình tạo xung xảy liên tục kết qua thu thập 11.5 hình 3.13 với tần số tạo xung mức khoảng 8) mục đ0 11.0 Hz 10.5 10.0 9.5 9.0 -25 -20 -15 -10 -5 10 15 20 25 Time [ms] Hình 3.12 Dạng sóng điện áp đặt lên lị phản ứng DBD Hình 3.10: Hình ảnh q trình thí nghiệm mạch tạo Plasma Kết luận DBD Kết nối nối tiếp Diode ( SIDAC) tạo Hình 3.12: Dạng sóng điện áp dịng điện hình xung điện áp cao liên tục oscilloscope Việc thử nghiệm thành công nguồn xung điện áp cao tạo plasma DBD khí Heli Thiết kề giải pháp cho nguồn xung điện áp cao cho vận hành DBD điều kiện Việt Nam với chi phí thấp Tài liệu tham khảo [1] A Fridman and L A Kennedy, Plasma Physics and Engineering, Boca Raton: CRC Press, 2011 [2] U Kogelschatz, "Dielectric-barrier Discharges: Their History,Discharge Physics, and Industrial Applications," Plasma Chemistry and Plasma Processing, vol 23, no 1, pp 1-46, 2003 [3] A A Abdelaziz, T Ishijima, T Seto, N Osawa, H Wedaa and Y Otani, "Characterization of surface dielectric barrier discharge influenced by intermediate frequency for ozone production," Plasma Sources Science and Technology, vol 25, no 3, p 035012, 2016 [4] X.-J Shao, G.-J Zhang, J.-Y Zhan and G.-M Xu, "Research on Surface Modification of Polytetrafluoroethylene Coupled With Argon Dielectric Barrier Discharge Plasma Jet Characteristics," IEEE Transactions on Plasma Science, vol 39, no 11, p 3095, 2011 [5] Q Li, J Liu, Y Dai, W Xiang, M Zhang, H Wang and L Wen, "Fabrication of SiNx Thin Film of Micro Dielectric Barrier Discharge Reactor for Maskless Nanoscale Etching," Micromachines, vol 7, no 12, p 232, 2016