面向NO转化的介质阻挡放电负载建模与电源设计方法研究

摘要

近年来，随着环保形势的日益严峻，氮氧化合物污染控制技术受到了人们的广泛关注。其中大气压介质阻挡放电低温等离子体氧化转化法，因其转化效率高、设备简单、易于维护等特点而备受重视。
　　电压源谐振变换器是大气压介质阻挡放电系统中的关键环节。但由于常用的负载等效模型尚有缺陷，相同功率下电源电气参数对NO转化效果的影响尚未完全明晰，限制了电压源谐振交换器的设计、优化和工程应用。为此，本文从介质阻挡放电负载等效模型入手，对负载等效模型建立、负载等效参数提取、变压器寄生参数对电源性能的影响、系统实验与电源性能优化等几个方面展开了深入的研究。
　　首先，本文建立了介质阻挡放电分段模型。在详细分析介质阻挡放电负载模型等效机理的基础上，根据介质表面电荷积累对负载内电场的影响，将放电阶段的介质等效电容进行拆分，建立了一种分段等效模型，并给出了基于李萨茹图形的模型参数计算方法。经实验验证，在短间隙条件下，分段模型比传统钳位模型更能精确地描述介质阻挡放电的状态切换。
　　其次，针对负载等效模型参数随工况变化而非线性变化的特点，本文提出了基于遗传算法优化的神经网络模型，用于负载等效模型参数提取。实验表明，该模型在全局工况内能准确地进行负载等效参数提取，有助于缩短电源设计周期，提高不同工况下电源的设计精度。同时，为了提高实验数据处理效率，本文给出了基于李萨茹图形法的介质阻挡放电功率数值计算方法。实验结果表明，采用数值计算方法与采用人工计算结果较为吻合，可以用于大规模实验数据分析处理。
　　然后，基于分段负载模型，本文给出了带分段负载模型的断续电压源谐振变换器的状态运行轨迹与关键参数，分析了高频变压器寄生电容和漏感对系统性能的影响，并给出了在变压器原边侧串联补偿电感的补偿方法。基于此本文设计并搭建了一台500W电源样机，并重点给出了高频变压器和补偿电感的设计与工程实现方法。通过对比系统仿真波形和电源实验波形，证明了本文理论分析与设计的合理性。
　　最后，本文针对系统实验要求设计并搭建了用于NO转化研究的实验平台，系统地研究了气体环境条件、反应器结构和恒功率下电源参数对NO转化和NO2生成量的影响。实验表明:一定范围内降低O2含量有利于提高NO的转化率，同时降低NO2生成量;在适当的放电功率下，增大反应区间长度，降低电极间距有利于NO转化，但会造成NO2生成量的升高;相同功率下电源输出频率控制在25kHz左右有利于NO转化;相同功率下电源放电时间比越低NO转化率越高，但过低的放电时间比会增大电源开关管电流应力，增加电源成本;若要控制NO2生成量，减小后续脱除环节的压力，应适当增加电源放电时间比，同时适当降低电源输出频率，但这会造成NO转化率的降低。

目录

声明

致谢

摘要

第1章 绪论

1．1 引言

1．2 介质阻挡放电在NO转化中的应用

1．2．1 等离子体技术

1．2．2 大气压介质阻挡放电机理

1．2．3 介质阻挡放电在NO转化中的应用

1．3 介质阻挡放电转化NO的影响因素

1．3．1 驱动电源对NO转化的影响

1．3．2 反应器结构对NO转化的影响

1．3．3 气体变量对NO转化的影响

1．4 介质阻挡放电反应器及其等效负载模型研究现状

1．5 介质阻挡放电电源研究现状

1．5．1 电压源谐振变换器研究现状

1．5．2 电流源谐振变换器研究现状

1．6 本文研究内容

第2章 介质阻挡放电分段负载模型与关键参数提取

2．1 介质阻挡放电分段负载模型

2．1．1 介质阻挡放电分段负载模型

2．1．2 实验验证

2．1．3 分段负载模型参数随工况的变化

2．2 分段负载模型关键参数提取

2．2．1 基于遗传算法优化的BP神经网络的建立

2．2．2 实验验证与分析

2．3 基于李萨茹图形的功率数值计算方法

2．3．1 基于李萨茹图形的功率数值计算方法

2．3．2 实验验证

2．4 本章小结

第3章 DBD电源优化设计

3．1 带分段负载模型的电压源谐振变换器状态描述

3．2 高频变压器寄生参数的影响机理分析与补偿方法

3．3 变压器和补偿电感的设计

3．3．1 变压器设计

3．3．2 可调电感设计

3．3 仿真和实验验证

3．4 本章小结

第4章 介质阻挡放电NO转化实验

4．1 实验平台搭建

4．2 实验结果及讨论

4．2．1 气体环境变量对NO转化的影响

4．2．2 反应器结构对NO转化的影响

4．2．3 电源参数对NO转化的影响

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 本文工作总结

5．2 工作展望

参考文献

攻读硕士学位期间所取得的科研成果