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
Trang 11 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 Hoài 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
cho dòng điện xoay chiều (SIDAC-Silicon Diode for Alternating
Current), xung được tạo ra bằng cách sử dụng đặc tính chuyển
mạch tốc độ cao của SIDAC và đặc tính tự kết thúc của hệ thống
phóng điện màn chắn điện môi (DBD-Dielectric Barrier
Discharge) mà không cần điều khiển bên ngoài Trong thiết kế
của chúng tôi, một loạt kết nối SIDAC được kết nối với một mạch
đơn giản trong đó DBD hoạt động như một phụ tải, một tụ điện
được sử dụng nhằm ổn định điện áp cho quá trình hoạt động của
SIDAC và được sạc bằng nguồn điện áp cao Nguồn xung được
thiết kế với cấu trúc mô đun đơn giản, loại bỏ máy biến áp, tối
thiểu các mức chuyển đổi điện áp đã tạo ra nguồn xung gọn nhẹ
về kích thước, trọng lượng, bảo trì đơn giản và khả năng mở
rộng cao.
Abstract - The high voltage pulse source uses Silicon
Diodes for alternating current (SIDAC) that generates pulses by using the high-speed switching characteristic of SIDAC and the self-termination characteristic of the dielectric-barrier discharge system (DBD) without external control In our design, a series of SIDAC connections are connected to a simple circuit in which DBD actions as a load, a capacitor is used as a buffer power supply unit for SIDAC operation, and be charged by high voltage power source Moreover, the simple modular structure, which requires no control, eliminates transformers, the minimum number
of voltage converters needed to achieve the desired operating conditions in the design results in reduced dimensions, weight, simple maintenance and high scalability.
Từ khóa - Silicon Diodes cho dòng điện xoay chiều; hệ
thống phóng điện màn chắn điện môi; Nguồn xung điện áp cao. Key words - Silicon Diodes for alternating current (SIDAC);
dielectric-barrier discharge system (DBD); High voltage pulse source.
1 Giới thiệu về diode hai chiều SIDAC
SIDAC là một diode hai chiều, hai cực có thể được
chuyển từ trạng thái tắt sang trạng thái dẫn cho trạng thái
phân cực của điện áp đặt vào Việc chuyển đổi từ trạng
thái tắt sang trạng thái bật được thực hiện bằng cách đơn
giản vượt quá điện áp đánh thủng theo cả hai hướng
Diode hai chiều chuyển mạch cho dòng điện xoay chiều là
một thiết bị chuyển mạch điện áp cao hai chiều Nó có
điện áp chuyển mạch cao Có thể tạo ra một điện áp cao
lên đến hàng kV với giá trị công suất và dòng điện thấp
có kích thước nhỏ, đơn giản và chi phí thấp
Hình 1: Hình ảnh và ký hiệu SIDAC trong mạch
2 Đặc tính V-I của Diode hai chiều SIDAC
Đặc tính được hiển thị hình 2.1 khi điện áp đặt vào
SIDAC nhỏ hơn giá trị ngắt của nó, SIDAC ở trạng thái
không dẫn điện với điện trở rất cao (đường màu đỏ) Khi
điện áp ứng dụng đáp ứng hoặc vượt quá điện áp ngắt
(VBO), SIDAC sẽ chuyển từ trạng thái chặn sang trạng thái
dẫn và chuyển sang vùng chuyển tiếp (ký hiệu là đường
màu xanh lá cây) với thời gian chuyển tiếp theo tỷ lệ nano
giây Trạng thái tiến hành (đường màu xanh) sẽ tiếp tục cho đến khi dòng điện đầu cuối chính giảm xuống dưới dòng giữ (IH) Nếu số lượng SIDAC trong kết nối chuỗi là
N, điện áp ngắt của kết nối này sẽ tăng lên N lần, nhưng dòng giữ (IH) được giữ nguyên Các đặc tính điện học của SIDAC được sử dụng trong thiết kế được thể hiện trong Bảng 2.1
Hình 2.1: Đặc tính V-I của SIDAC Bảng 2.1: Đặc tính điện của SIDAC (K1V38 (W)) Shindengen
Electric Mfg.Co.Ltd)
Điện trở chuyển mạch (RS) 100 Ω
Trang 22 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020 Điện áp chuyển mạch của 1 SIDAC là 360-400 V Vì vậy,
khi kết nối nối tiếp của 10 SIDAC, điện áp chuyển mạch
sẽ được tăng lên tới 3600 ~ 4000 V Khi kết nối này được
chuyển mạch một xung điện áp cao lên đến 4000 V với
thời gian chuyển mạch trong khoảng vài trăm nsec sẽ
được tạo ra, vì vậy tốc độ gia tăng điện áp (dv/dt) có thể
lên đên mong muốn hàng chục kV/sec mà không cần
điều khiển bên ngoài Trong công việc này, các SIDAC
được kết nối với một mạch trong đó lò phản ứng DBD
hoạt động như một tải Khi các SIDAC được chuyển
thành dẫn điện, xung điện áp cao được tạo ra, điện áp cao
sẽ được đặt vào lò phản ứng DBD, sự phóng điện xảy ra,
sự phóng điện sau đó bị chấm dứt bởi quá trình tích tụ
điện tích trên các lớp điện môi, và kết thúc một chu kỳ
xung
3 Mô hình thí nghiệm
Trong mô hình thí nghiệm (hình 3.1 và 3.2), nguồn điện
áp cao (hình 3.3) một chiều được dùng để nạp điện cho tụ
C (1nF) qua một điện trở 10 MΩ nhằm hạn chế dòng
trong quá trình nạp điện cho tụ Tụ C này sẽ đóng vai trò
ổn định điện áp cho quá trình hoạt động của các SIDAC
Một chuỗi kết nối nối tiếp của 12 SIDAC được sử dụng
để tạo xung điện áp (hình 3.4) Bộ kết nối các SIDAC
được nối nối tiếp với lò phản ứng DBD (hình 3.5) Hai
điện trở 20 MΩ mắc nối tiếp với nhau sẽ được sử dụng
nhằm xả điện tích tích tụ trên điện môi của lò phản ứng
Que chia áp điện áp cao được sử dụng cho quá trình đo
đếm điện áp Điện trở shunt có điện kháng nhỏ mắc nối
tiếp với lò phản ứng được sử dụng để đo dòng điện qua
mạch Các tín hiêu dòng áp sẽ được thu thập và quan sát
bằng Oscilloscope
Hình 3.1: Sơ đồ nguyên lý của mạch phóng điện DBD trong
không khí
Hình 3.2: Thí nghiệm mạch thực tế
Mô tả thiết bị trong mạch tạo Plasma DBD:
-Nguồn điện áp cao một chiều có hình ảnh và đặc tính được mô tả như hình 3.3 và bảng 3.1
Bảng 3.1: Đặc tính của nguồn điện áp
Điện áp vào AC: 220 V (50 – 60 Hz) Điện áp ra 6 KV~ -20 KV
Dòng điện ra 0-15 mA Công suất ra 300W
Hình 3.3: Thiết bị nguồn sử dụng trong mạch mô hình thí
nghiệm DBD
Trang 33 HỘI NGHỊ TỔNG KẾT HOẠT ĐỘNG SINH VIÊN NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ NHÓM SRT NĂM HỌC 2019-2020
Hình 3.4: Chuỗi SIDAC trong mạch thí nghiệm
Hình 3.5: Lò phản ứng DBD trong mô hình thí nghiệm
Lò phản ứng DBD (hình 3.5) được ghép từ 2 tấm kính
cường lực mỏng có độ dày 0,5mm làm màn chắn điện môi
và trên bản cực đó dán 2 bản cực bằng đồng mỏng Ba
cạnh xung quanh dùng keo nến để bịt các cạnh và chỉ
chừa một cạnh bên phải như trên hình tạo ra một khe hở
rộng 1mm để thoát khí, phía đối diện dán một ống dẫn khí
Heli (màu cam) làm môi trường cho phóng điện Plasma
DBD Đầu bản cực nối với đầu ra của SIDAC và đầu kia
(phía mặt dưới lò phản ứng DBD) nối với điện trở Shunt
Hình 3.6: Điện trở tải trong mạch tạo xung (R =20MΩ)
Điện trở tải (hình 3.6) gồm 2 điện trở mắc nối tiếp có R =
20MΩ Điện trở tải được nối từ chuỗi SIDAC đến đầu nối
đất Điện trở tải có vai trò là để xả các điện tích tích lũy
trên bề mặt lớp điện môi của lò phản ứng DBD trong
mạch
Điện trở Shunt có giá trị 100 Ω có hình ảnh như mô tả ở
hình 3.7 với điện kháng rất nhỏ được sử dụng cho việc đo
dòng điện qua mạch, điện trở này được nối nối tiếp với lò
phản ứng DBD
Điện trở nạp tụ có giá trị 10 MΩ (hình 3.8) mục đích để) mục đích để hạn chế dòng nạp cho tụ điện trong mạch nhằm tránh hiện tượng quá dòng để nguồn điện làm việc trong giới hạn dòng điện cho phép
Tụ đệm (hình 3.9) sử dụng trong mạch tạo xung này là tụ
sứ có C = 1nF Mục đích sử dụng tụ trong mạch là lọc nguồn, tụ có tác dụng lọc cho điện áp để cung cấp cho tải tiêu thụ, ta thấy nếu không có tụ thì áp DC sau diode là điên áp nhấp nhô, khi có tụ điện áp này được lọc tương đối phẳng, tụ điện càng lớn thì điện áp DC này càng phẳng, tuy nhiên giá trị tụ càng lớn thì thời gian nạp càng lâu
Hình 3.7: Điện trở Shunt trong mạch tạo xung
Hình 3.8: Điện trở nạp cho tụ trong mạch tạo xung
Hình 3.9: Tụ dùng trong mạch tạo xung
4 Kết quả thí nghiệm
Trang 44 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 là V In =230 V AC, áp đầu
ra được chọn ở mức VOut = 14 kV DC nhằm tránh hiện
tượng quá dòng cho nguồn
Như hình 3.10 ta thấy Plasma DBD được tạo ra có màu
tím đặc trưng khi dùng khí Heli làm môi trường thí
nghiệm Như vậy, mô hình thí nghiệm mà nhóm thực hiện
đề tài đã thành công trong việc tạo xung cao áp để thực
hiện phóng điện Plasma DBD Dạng sóng điện áp và dòng
điện thu được từ phóng điện Plasma DBD đã được hiển
thị trên màn hình oscilloscope như hình 3.11, kết quả
được thu thập và tính toán trên phần mềm máy tính cho ra
hình ảnh dạng sóng thể hiện hình 3.12
Khi SIDAC chuyển mạch sẽ tạo ra sự chênh lệch điện áp
lên đến 4 kV đặt vào lò phản ứng DBD Sự chuyển mạch
của điện áp làm xuất hiện dòng điện điện dung tỉ lệ thuận
với mức tăng điện áp (dv
dt ¿, tương ứng với xung dòng
thứ nhất như quan sát được trên hình 3.12, xung điện áp
cao sau đó tạo ra phóng điện DBD, sự phóng điện tạo ra
xung dòng thứ 2 với dòng điện phóng điện đạt mức 3 A
Quá trình tạo xung xảy ra liên tục như kết qua thu thập
được ở hình 3.13 với tần số tạo xung ở mức khoảng 8) mục đích để0
Hz
Hình 3.10: Hình ảnh quá trình thí nghiệm mạch tạo Plasma
DBD
Hình 3.12: Dạng sóng của điện áp và dòng điện trên màn hình
oscilloscope
Hình 3.12: Dạng sóng và dữ liệu Excel thu được từ
Oscilloscope của thí nghiệm phóng điện Plasma DBD
9.0 9.5 10.0 10.5 11.0 11.5 12.0 12.5 13.0 13.5 14.0 14.5 15.0
Time [ms]
Hình 3.12 Dạng sóng điện áp đặt lên lò phản ứng DBD
5 Kết luận
Kết nối nối tiếp các Diode ( SIDAC) đã tạo ra các xung điện áp cao liên tục
Việc thử nghiệm thành công nguồn xung điện áp cao
đã tạo ra plasma DBD trong khí Heli
Thiết kề này là một giải pháp cho nguồn xung điện áp cao cho sự vận hành DBD trong 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