Przekształtniki energoelektroniczne dla technologii atmosferycznej plazmy nietermicznej (AP-NTP).

Marcin HOŁUB, Stanisław KALISIAK Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Elektryczny Przekształtniki energoelektroniczne dla technologii atmosferycznej plazmy nietermicznej (AP-NTP). Streszczenie. Artykuł przedstawia podstawowe właściwości systemów opartych o reaktory atmosferycznej plazmy nietermicznej (AP-NTP). Kolejno scharakteryzowano sposoby zasilania oraz konstrukcje reaktorów, podstawowe cechy źródeł zasilających oraz podstawy technik pomiarowych. W ostatniej części podsumowano doświadczenia zebrane podczas konstrukcji energoelektronicznych źródeł zasilających różnych topologii oraz ich podstawowe właściwości użytkowe. Abstract. Presented paper discusses basic properties of atmospheric pressure, non-thermal plasma reactor based systems. Typical supply system properties as well as reactor construction outline is described. Concluding part summarizes experiences gained while constructing various power electronic supply systems with their basic properties. (Power electronic supplies for atmospheric pressure, non-thermal plasma technology). Słowa kluczowe: technologia plazmy nietermicznej, przekształtniki energoelektroniczne, przekształtniki wysokonapięciowe. Keywords: Non-thermal plasma technology, power electronic converters, power electronic, high-voltage converters. I. Wstęp Technologia plazmy nietermicznej (non-thermal plasma NTP) jest przykładem nowoczesnego, horyzontalnego skojarzenia zdobyczy nauk fizycznych i potrzeb technologicznych. Stosowana jest w wielu aplikacjach jak na przykład aktywacja i modyfikacja właściwości powierzchniowych materiałów, nanoszenie próżniowe warstw funkcjonalnych czy też konstrukcja energooszczędnych źródeł światła. Osobną grupą zastosowań plazmy nietermicznej są aplikacje tworzone do zastosowań w ciśnieniu atmosferycznym (atmospheric pressure non-thermal plasma - AP-NTP). Jako przykład tego typu aplikacji wymienić można również aktywację oraz funkcjonalizację warstw powierzchniowych materiałów, dodatkowo technologię tego typu wykorzystuje się coraz szerzej w biotechnologii oraz medycynie [1]. Dynamicznie rozwijającym się obszarem zastosowań jest zakres technik ochrony środowiska [2], którym zespół pracowników naszego laboratorium zajmuje się szczególnie intensywnie w ramach międzynarodowej sieci współpracy naukowotechnicznej BalticNet-PlasmaTec. Charakter wyładowań w gazach jest złożony [3,4,5] oraz wrażliwy na wiele parametrów środowiskowych (temperatura, skład chemiczny, ciśnienie, wilgotność). Dodatkowo fundamentalne znaczenie ma również sama konstrukcja reaktora plazmowego, geometria oraz materiał konstrukcyjny jego bariery dielektrycznej i elektrod jak również dystans między elektrodami. Natura procesów fizykochemicznych zachodzących w reaktorach plazmowych jest równie skomplikowana, reakcje pierwotne i wtórne umożliwiają teoretyczne rozpatrywanie i modelowanie tego typu zagadnień tylko dla prostych mieszanin czystych chemicznie gazów [6]. II. Sposoby zasilania reaktorów atmosferycznej plazmy nietermicznej Znanych jest wiele sposobów zasilania reaktorów plazmy nietermicznej, często wybór charakteru i sposobu zasilania ma kluczowe znaczenie dla sposobu działania układu reaktor reaktant oraz dla intensywności i charakteru przebiegających reakcji. Podstawowe sposoby zasilania reaktorów plazmy AP-NTP przedstawia rysunek 1. Linia przerywania oznacza komponenty wykorzystywane opcjonalnie. Jeśli chodzi o charakter zasilania wynika on bezpośrednio z wykorzystanego układu zasilającego oraz pożądanego typu wyładowań w reaktorze. Rysunek 2 przedstawia zestawienie najbardziej popularnych charakterów napięcia zasilającego. Każdy z podanych przykładów charakteryzował się będzie różnym wynikiem prowadzonych w reaktorze procesów [7,8]. Rys.1. Podstawowe grupy układów zasilania reaktorów NTP-AP Najczęstszym charakterem napięcia stosowanym do zasilania reaktorów plazmy z barierą dielektryczną (dielectric barrier discharge - DBD) jest wysokonapięciowa fala AC (rys. 2 1), często o częstotliwości 50 lub 60 Hz. Ze względu na konieczność regulacji mocy dostarczonej do reaktora wykorzystuje się (w szczególności w przypadku układów rezonansowych) układy o modulacji pełnookresowej (pulse density modulation PDM rys. 2-2). Czasem, wskutek optymalizacji skuteczności oraz wyrównania rozkładu potencjałów stosuje się falę bipolarną, nieciągłą z impulsem polaryzacji wstępnej (rys 2 3, [9]). Zarówno w reaktorach DBD jak i w przypadku reaktorów PCD (reaktory z impulsowym wyładowaniem koronowym: pulsed corona discharge) wykorzystywane są również zasilacze impulsowe unipolarne oraz bipolarne (rys. 2 4,6), czasem o zmiennej wartości szczytowej napięcia (rys. 2 5). Osobną grupę stanowią wysokonapięciowe zasilacze DC (rys. 2 7) oraz impulsowe z wstępną polaryzacją DC (rys. 2 8). PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 1/2010 199

chodzi o stromości. Przykładowo dla usuwania NO X, SO X z gazów spalinowych elektrowni węglowych optymalna szybkość narastania napięcia wynosić powinna około 400 V/ns [15]. Zbyt długi proces formowania impulsu napięcia oraz jego zbyt długie trwanie spowodować może proces rozwoju wyładowania łukowego. Rys.2. Zestawienie charakterów napięcia zasilającego reaktory AP-NTP III. Reaktory plazmy nietermicznej AP-NTP Konstrukcja reaktora determinuje nie tylko jego podstawowe parametry użytkowe (gęstość mocy, maksymalny przepływ, temperatura pracy, napięcie krytyczne itd.) ale również zestaw parametrów elektrycznych (jak na przykład pojemność wypadkowa, napięcie minimalne i maksymalne, moc sumaryczna). Istnieje bardzo wiele rozwiązań konstrukcyjnych, generalnie niemal każdy zespół badawczy posiada autorskie rozwiązania. Konstrukcje reaktorów można jednak scharakteryzować za pomocą rozkładu elektrod (i dielektryka w reaktorach DBD) oraz rodzajem wyładowania używanym w procesie. Do podstawowych grup wykorzystywanych wyładowań należą wyładowanie powierzchniowe (surface barrier discharge SD), objętościowe (volume barrier discharge - VD) [10] oraz wspomniane już wyładowanie koronowe PCD (bezbarierowe) [11]. Czasem stosowane są konstrukcje hybrydowe łączące cechy podstawowych konfiguracji przedstawionych powyżej [12], oraz tak zwane reaktory z wypełnionym łożem [13]. Podstawowe konfiguracje reaktorów SD zaprezentowano na rysunku 3, konfiguracje reaktorów DBD VD przedstawiono na rysunku 4. Przykładową konstrukcję reaktora z wypełnionym łożem przedstawiono na rysunku 5, dodatkowo zaprezentowano schematyczną konstrukcję reaktora z zasilaniem DC. W reaktorach jak na rysunku 5-1 często jako materiał wypełniający stosowane są pellety o określonych właściwościach fizykochemicznych, jak na przykład pastylki z wypełniaczem katalitycznym. Generowanie plazmy typu PCD polega na zasilaniu układu elektrod wysokoenergetycznymi impulsami napięcia osiągającymi niekiedy ponad 100kV i o czasie trwania od dziesiątków do setek nanosekund. Najpopularniejsze konstrukcje reaktorów dla wyładowań PCD zaprezentowano na rysunku 6. Częstotliwość zasilania reaktorów tego typu waha się w granicach od kilkudziesięciu Hertzów do kilku kilohertzów. Jak można zauważyć na rysunku 6 konstrukcja reaktora predysponuje rozwiązania tego typu do zastosowań wielkogabarytowych, gdzie przepływy gazów roboczych osiągają dziesiątki tysięcy Nm 3 /h [14]. Aby zdecydowania większość energii dostarczonej do reaktora absorbowana była przez elektrony, a nie podnosiła średniej temperatury gazu proces formowania impulsu napięcia powinien być ściśle zdefiniowany, przede wszystkim jeśli Rys.3. Schematyczna konstrukcja reaktorów z wyładowaniem powierzchniowym SD 1 przykładowy wygląd reaktora, 2 reaktor z elektrodami równoległymi, 3 reaktor w układzie elektrody płyta, 4 reaktor koplanarny Rys.4. Schematyczna konstrukcja reaktorów z wyładowaniem objętościowym VD 1 przykładowy wygląd reaktora, 2 reaktor z dielektrykiem jednostronnym, 3 reaktor z dielektrykiem dwustronnym, 4 reaktor z dielektrykiem jednostronnym, symetryczny 200 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 1/2010

Rys.5. Struktury konstrukcyjne reaktorów z wypełnionym łożem 1 oraz z zasilaniem DC 2 Rys.6. Topologie konstrukcyjne reaktorów z wyładowaniem koronowym typu PCD 1 topologia cylinder przewód, 2 topologia płyta - przewód Rys.7. Przykładowe reaktora AP-NTP rozwiązanie konstrukcyjne modułowego Przykładową, modułową konstrukcję reaktora DBD VD przedstawiono na rysunku 7. Reaktor składa się z 36 równolegle połączonych modułów, widoczna fioletowa poświata jest charakterystyczna dla wyładowań nietermicznych w powietrzu. Reaktor wykorzystywany jest do badań hybrydowego, plazmowo-katalitycznego układu oczyszczania spalin silników wysokoprężnych. IV. Schematy zastępcze reaktorów AP-NTP Ze względu na konstrukcję reaktorów DBD (rys. 3,4 konstrukcja elektroda dielektryk elektroda) dominującą rolę w schemacie zastępczym odgrywają pojemności układu elektrody dielektryk gaz. Pojemność gazu ma nieliniową charakterystykę, po utworzeniu się kanału streamera jest prawie całkowicie zwarta rezystancją zjonizowanego gazu roboczego reaktora. Zaproponowano wiele elektrycznych schematów zastępczych o różnym stopniu uproszczenia. Częstym podejściem jest zastąpienie reaktora szeregowym układem połączeń pojemności układu elektroda dielektryk (pojemność dielektryka CD) oraz gazu (pojemność szczeliny CG) [16]. Przykład taki przedstawiony jest na rysunku 8-1. Pojemność gazu, w momencie wyładowania, zwierana jest kanałem wyładowania (streamerem) z zastępczą rezystancją kanału R(t). Powstanie kanału wyładowania warunkuje przekroczenie wartości napięcia krytycznego na elektrodach reaktora. Najważniejsze parametry pasożytnicze przewodów zasilających reprezentowane są przez ich sumaryczną rezystancję Rs oraz indukcyjność Ls. Zazwyczaj wychodzi się z założenia, iż w powietrzu, pod ciśnieniem atmosferycznym, wyładowanie nie będzie miało charakteru wyładowania jednorodnego (dyfuzyjnego), tylko że w rzeczywistości powstanie szereg pojedynczych kanałów wyładowań (wyładowania filamentarne). -2-1 Pojedynczy kanał zazwyczaj ma średnicę około 10 10 mm [17, 18], prędkość propagacji wynosi 107 108 cm/s, gęstość prądu w wyładowaniu osiąga kiloamper na centymetr kwadratowy. Kanał taki pozostaje zjonizowany przez parę do parunastu nanosekund. Czasem schemat zastępczy reaktora upraszcza się eliminując rezystancję zjonizowanego kanału gazu i wprowadzając równolegle do pojemności gazu łącznik idealny [10]. Tworząc model reaktora jako całości wielu autorów używa szeregowo równoległych układów połączeń takich elementarnych struktur (rys. 8 2, 3), również dla reaktorów z wypełnionym łożem (rys. 8 3) [7, 17]. Niektórzy autorzy [19] uzupełniają schemat o dodatkową pojemność powstającą w momencie wyładowania pomiędzy kanałem streamera i elektrodą, o tzw. pojemność wirtualnego obszaru granicznego (virtual boundary layer), która łączy się szeregowo z pojemnością dielektryka. Bardziej skomplikowane schematy stosowane są dla reaktorów w środowisku innym niż gazowe, przykładowo w [20] zaprezentowano schemat zastępczy układu reaktora dla środowiska wodnego. Model wykorzystywany przez nas w pracach symulacyjnych i podczas modelowania również składa się z szeregowo równoległego połączenia ośmiu pojedynczych komórek zastępczych. Zastosowanie większej ilości pojedynczych komórek zwiększa naturalnie dokładność modelu, jednak kosztem zwiększonego czasu obliczeń stanów przejściowych układu. Podobnie jak w [16] zastosowaliśmy dodatkowe rezystancje wyrównujące potencjał dielektryka, prawdopodobieństwo wystąpienia wyładowania w pojedynczym kanale opisaliśmy zgodnie z rozkładem Weible a. Dodatkowo, szeregowo z kanałem zastosowaliśmy niewielką (0,1 nf) wartość pojemności warstwy granicznej CS. Schemat zastępczy układu zaprezentowany jest na rysunku 8 2. Model stworzono w środowisku Simplorer. Należy podkreślić, iż prezentowany tu krótki przegląd tematyki modelowania elektrycznego reaktorów plazmowych nie wyczerpuje całości zagadnienia, nieco inne podejście do opisywanego znaleźć można w [21], [22] lub [23]. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 1/2010 201

Drugim rodzajem stosowanych metodologii jest, wydawałoby się najbardziej naturalne, określenie wartości mocy na podstawie przebiegu sygnału napięcia i prądu zasilającego reaktor. O ile w przypadku zasilaczy impulsowych oraz DC jest to podejście stosunkowo proste i naturalne, dające dobre rezultaty zarówno dla pomiaru mocy jak i energii pojedynczego impulsu zasilającego, o tyle dla wyładowań filamentarnych przy zasilaniu napięciem przemiennym tego typu pomiar również jest problematyczny ze względu na silne odkształcenie przebiegu prądu i trudność w precyzyjnym określeniu energii pojedynczego wyładowania. Dodatkowym problemem jest ograniczone pasmo częstotliwości roboczych zarówno sond prądowych jak i samych oscyloskopów oraz krótkotrwały charakter pojedynczego wyładowania. Przykładowy oscylogram napięcia i prądu reaktora zaprezentowano na rysunku 9. Łatwo zauważyć silne zakłócenia występujące w momentach pojedynczych wyładowań. Rys.8. Schematy zastępcze reaktorów AP-NTP 1 pojedyncza komórka wyładowcza, 2 model reaktora, 3 model reaktora z wypełnionym łożem V. Pomiary mocy reaktorów AP-NTP Prawidłowe określenie ilości mocy elektrycznej dostarczonej do środowiska plazmowego nie jest zagadnieniem prostym. Zasadniczo wydaje się, iż w praktyce stosowane są cztery podejścia. Podejście analityczne wykorzystuje zależności empiryczne szacujące ilość mocy dostarczonej do układu reaktora. Wprawdzie już wczesne publikacje [24] elektrochemików wypracowały takie zależności (równanie Manleya wzór (1)) na szacowaną wartość mocy układów ozonatorów, jednak określenie parametrów niezbędnych do obliczeń jest problematyczne, zwłaszcza biorąc pod uwagę ich zmienność w dziedzinie napięcia i czasu. (1) P 4 U ig C D f U peak C D C CD G U gdzie U ig napięcie krytyczne, f częstotliwość napięcia zasilającego, U peak szczytowa wartość napięcia zasilającego. Wartość napięcia krytycznego ustalić można eksperymentalnie lub na podstawie zależności analitycznych [25]. Problemem zauważonym w [3] jest fakt pobierania energii przez reaktor również poniżej wartości napięcia krytycznego, a więc w momencie, w którym w środowisku gazowym nie występują jeszcze wyładowania. Na podstawie badań eksperymentalnych moc dostarczoną do reaktora, ale spożytkowaną na podgrzanie materiału dielektryka, a więc nie biorącą udziału w podwyższaniu ilości energii dostarczonej do plazmy, opisuje zależność (2): (2) K U f P d 2 gdzie K jest funkcją konstrukcji i materiałów użytych do budowy bariery dielektrycznej reaktora. ig Rys.9. Przykładowy przebieg napięcia i prądu reaktora jak na rys. 7 przy zasilaniu napięciem przemiennym i intensywnym procesie generacji plazmy. Napięcie reaktora kolor niebieski, prąd reaktora kolor fioletowy Trzeci sposób pomiaru mocy w układach zasilanych napięciem przemiennym opiera się o tak zwane figury Lissajous, również wykorzystane przez Manleya do wyprowadzenia zależności (1). Figury te prezentują zależność ładunek napięcie, którego pole powierzchni opisuje ilość energii dostarczonej podczas jednego okresu napięcia zasilającego zgodnie z zależnością: (3) E U( t ) dt C T dq dt U( t ) P du P W celu wyznaczenia ilości ładunku stosuje się dodatkowy kondensator pomiarowy o pojemności C P i połączony w szereg z badanym reaktorem. Typowy schemat pomiarowy oraz teoretyczny kształt figury Lissajous przedstawia rysunek 10 1 oraz 10 2. Rzeczywisty wygląd figur dla różnych mocy zasilających reaktor jak na rysunku 7 przedstawiono na rysunku 11. Na podstawie charakterystycznych punktów figury określić można również dodatkowe parametry reaktora, jak choćby wartości napięcia krytycznego oraz wartości pojemności C D i C G. Zastosowanie metodologii figury Lissajous jest mocno utrudnione w przypadku układów zasilanych napięciem różnym od przemiennego oraz w przypadkach, gdzie poziom zakłóceń w momencie generacji wyładowań uniemożliwia precyzyjny pomiar zmian napięcia dodatkowego kondensatora pomiarowego C p (ładunek pojedynczego streamera waha się pomiędzy 0,1 1nC). 202 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 1/2010

Rys.10. Schemat pomiarowy (1) oraz teoretyczny wygląd figury Lissajous (2) rezonansową układu transformator reaktor. Strojenie układu zazwyczaj odbywa się w sposób manualny. Powstało wiele energoelektronicznych źródeł zasilających wykorzystujących zjawisko rezonansu [29, 30]. Najczęściej wykorzystuje się pojemność reaktora jako część obwodu drgającego. Przykład zasilacza w konfiguracji półmostka z pośrednią przetwornicą w konfiguracji pełnego mostka przedstawiono na rysunku 12. Zaletą konstrukcji tego typu jest niewątpliwie prosta budowa oraz brak konieczności stosowania transformatora wysokiego napięcia. Do wad zaliczyć należy konieczność synchronizacji z częstotliwością drgań własnych obwodu L r, oraz wypadkowej pojemności C r, C Reaktor. Kondensator C r zazwyczaj ma znaczną wartość pojemności i wykorzystywany jest do odcięcia składowej stałej przebiegu napięcia. W przypadku wyjścia z rezonansu gwałtownie rosną straty tranzystorów mocy oraz napięcie wyjściowe nie osiąga zamierzonych parametrów. Synchronizacja odbywać się może manualnie lub w sposób zautomatyzowany. Układy sterowania wykorzystywane w opracowanych przez nasz zespół rozwiązaniach oparte są o pomiar prądu i detekcję przejścia prądu przez zero. Trudności stwarzają jednak obiekty o znacznym zakresie zmian prądu roboczego oraz, tak jak w przypadku obliczeń mocy, fakt silnego zakłócenia sygnału prądu reaktora w momencie występowania wyładowań. Kolejnym istotnym ograniczeniem rozwiązań tego typu jest również konieczność stosowania regulowanej wartości napięcia szyny prądu stałego w przypadku konieczności zmian/regulacji wartości międzyszczytowej napięcia wyjściowego. Przykład konstrukcji zasilacza tego typu o mocy znamionowej 1kW przedstawiono na rysunku 13. Rys.11. Rzeczywisty wygląd figury Lissajous dla różnych wartości mocy reaktora Ostatnim stosowanym w praktyce podejściem jest pomiar różnicowy. Porównywana jest wtedy wartość mocy zasilacza podczas zasilania układu pojemności pomiarowych równych wartości pojemności reaktora. Następnie, przy założeniu identycznej sprawności zasilacza oraz przy identycznych poziomach napięć zasilających dokonywany jest pomiar mocy podczas zasilania reaktora. Zakłada się, że różnica zmierzonych wartości mocy to energia dostarczona do środowiska plazmowego. VI. Konfiguracje przekształtników energoelektronicznych dla technologii AP-NTP Podobnie jak w przypadku konstrukcji reaktorów wiele zespołów wypracowało autorskie rozwiązania energoelektronicznych źródeł zasilających reaktory plazmowe. W zależności od zastosowania moce zasilaczy wahają się od pojedynczych watów do setek kilowatów. Jak już wspomniano we wstępie część zespołów korzysta z zasilaczy niskiej częstotliwości [26], w których strona pierwotna transformatora wysokiego napięcia zasilana jest klasycznym falownikiem napięcia z filtrem sinusoidalnym [27]. Pewną modyfikację tego podejścia stosują też zespoły wykorzystujące układy wyższej częstotliwości, w których strona pierwotna transformatorów zasilana jest wzmacniaczem mocy o regulowanej wartości napięcia i częstotliwości [12, 28]. W tym przypadku dobór częstotliwości zasilania powiązany jest z częstotliwością Rys.12. Topologia szeregowego zasilacza rezonansowego w konfiguracji półmostka z pośredniczącą przetwornicą DC/DC Innymi wykorzystywanymi metodami wpływu na średnią wartość mocy dostarczonej do reaktora jest modulacja pełnookresowa PDM [31], (rys. 2 2).Większość wad rozwiązań tego typu eliminuje konstrukcja zaproponowana w [32]. Układ scharakteryzować można jako szeregowo równoległy obwód rezonansowy. Proponowana topologia przedstawiona zastała na rysunku 14. Tak jak w przypadku topologii szeregowej układ wykorzystuje dwa tranzystory mocy w obwodzie rezonansowym. Jego wyjątkową cechą konstrukcyjną jest możliwość zmiany wartości napięcia wyjściowego poprzez przesunięcie fazowe impulsów sterujących względem przebiegu napięcia kondensatora C 2. Obwód C r1 C r2 D 4 L 3 zaimplementowano w celu ograniczenia przepięć tranzystora S 2. PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 1/2010 203

Rys.16. Przebieg napięcia i prądu reaktora zasilanego przekształtnikiem rezonansowym szeregowo równoległym z modulacją PDM Rys.13. Przykładowa konstrukcja szeregowego zasilacza rezonansowego w konfiguracji półmostka z pośredniczącą przetwornicą DC/DC o mocy znamionowej 1kW Liczną rodzinę przekształtników impulsowych małej mocy stanowią różne odmiany znanych topologii zasilaczy impulsowych. Dla rozwiązań małych mocy często stosowane są przystosowane formy przetwornicy zaporowej typu Flyback z indukcyjnością sprzężoną o znacznym przełożeniu. Przykładową topologię zasilacza tego rodzaju przedstawiono na rysunku 17. Typowe przebiegi napięcia i prądu reaktora zasilanego przedstawia rysunek 18. Rys.14. Topologia rezonansowego układu szeregoworównoległego z możliwością regulacji wartości napięcia wyjściowego Przykładowe przebiegi wyjściowe układu podczas zasilania reaktora plazmowego przedstawiono na rysunku 15, rysunek 16 przedstawia kolejną ciekawą cechę tej rodziny przekształtników możliwość generacji pojedynczych okresów napięcia, co znacznie ułatwia modulację mocy PDM. Podobnie jak na rysunku 15 przebieg sygnału napięcia zaprezentowano kolorem czarnym, prąd reaktora oznaczono kolorem niebieskim. W celu poprawy czytelności oscylogramu wartość prądu reaktora przemnożono przez 100. Osobną grupę przekształtników energoelektronicznych do zasilania reaktorów plazmy nietermicznej stanowią generatory impulsowe. Pionierskie rozwiązania generatorów impulsów wysokonapięciowych wykorzystywały łączniki gazowe oraz iskrowe, do podstawowych konstrukcji zaliczyć należy tak zwaną topologię Marxa [33] oraz generator Fitcha [34]. Rys.17. Topologia impulsowego zasilacza wysokonapięciowego małej mocy Do niewątpliwych zalet rozwiązań tego typu należą prostota i wynikająca z niej bezawaryjna praca, dodatkowo w prosty sposób skonstruować można układy sterownia umożliwiające niezależną kontrolę wartości szczytowej napięcia i częstotliwości pracy. Najważniejsze wady to ograniczona moc wyjściowa, znaczne obciążenia napięciowe klucza Tr 1 oraz unipolarny tryb pracy. Ostatnią grupą przekształtników impulsowych są przekształtniki impulsowe dużych mocy do zastosowań w układach reaktorów PCD. W rozwiązaniach układowych tego typu wciąż często wykorzystywane są klucze gazowe [35] i iskrowe [36], często implementuje się również kompresory magnetyczne [37]. Rys.15. Typowe przebiegi napięcia i prądu reaktora zasilanego przekształtnikiem rezonansowym szeregowo - równoległym Rys.18. Przebiegi napięcia i prądu zasilającego reaktor przy zasilaniu impulsowym 204 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 1/2010

W [38] obszerniej zaprezentowano proponowane rozwiązanie oparte o klucze półprzewodnikowe. Podstawowy moduł proponowanego rozwiązania, które stanowi modyfikację topologii zaproponowanej przez Fitcha, przedstawia rysunek 19. Na podstawie tak skonstruowanego, pojedynczego modułu skonstruowano 10 stopniowy modulator mocy, będący reprezentantem grupy nazywanej czasem Kicker Power Supply KPS. Rys.19. Podstawowy moduł konstrukcyjny impulsowego modulatora mocy Wyjątkową cechą zaproponowanego rozwiązania jest możliwość zmniejszenia wymiarów rdzenia układu kompresji magnetycznej z powodu bipolarnego (rys. 20) kształtu napięcia wyjściowego. Redukcja w stosunku do klasycznej topologii Fitcha odbywa się zgodnie ze współczynnikiem: (3) T / 2 UC0 0 T / 2 15, U 0 1 2cos0t dt LC UC 15, LC U ( 1 cos t )dt C0 0 0 C0 0, 67 gdzie U C0 oznacza wartość początkową wartość napięcia kondensatorów modułu. Na rysunku 20 przedstawiono przebieg pojedynczego impulsu wyjściowego przy różnych wartościach początkowych U C0. Pojedynczy moduł umożliwia potrojenie wartości napięcia początkowego pojedynczego kondensatora. Rys.20. Przykładowe przebiegi napięcia wyjściowego układu 10 stopniowego KPS dla różnych wartości napięcia początkowego kondensatorów VII. Podsumowanie W artykule zaprezentowano przegląd konstrukcji reaktorów plazmy nietermicznej pod ciśnieniem atmosferycznym (AP-NTP), ich podstawowych właściwości oraz elektrycznych schematów zastępczych. Ze względu na pojemnościowy i nieliniowy charakter układów reaktorów plazmowych krótko scharakteryzowano cztery stosowane praktycznie podejścia do pomiaru mocy i energii dostarczonej do środowiska plazmowego. Zaprezentowano również kilka rozwiązań układowych energoelektronicznych źródeł zasilających, zarówno grupy rezonansowej (AC) jak również grupy impulsowej. Większość rozwiązań scharakteryzowano podając ich najważniejsze cechy użytkowe. Zasilanie układów wyładowczych, ze względu na ich nieliniowy charakter oraz właściwości zależne od konkretnej konstrukcji reaktora, często wymaga indywidualnego doboru źródła zasilającego do konkretnej aplikacji. Do podstawowych parametrów projektowych należą: charakter i rodzaj napięcia zasilającego, wartość napięcia krytycznego, napięcie maksymalne, zakładana moc. Stopień trudności podczas projektowania rozwiązań układowych podnoszą znaczne wartości wymaganych napięć jak również, w przypadku układów PCD, wymagane stromości fali napięcia zasilającego. LITERATURA [1] M. Moreau, N. Orange, M.G.J. Feuilloley, Nonthermal plasma technologies: New tools for biodecontamination, Biotechnology Advances 26 (2008) 610 617 [2] M. W r o ński, I. P o llo: Koncepcja wykorzystania impulsowych wyładowań koronowych do usuwania zanieczyszczeń gazowych emitowanych przez elektrownie, Ograniczenie zanieczyszczeń z urządzeń energetycznych, Cz. 2: Techniczno-ekonomiczne aspekty ochrony powietrza, Poznań, (1995), 29-48 [3] J. Reece Roth, Jozef Rahel, Xin Dai, and Daniel M. S h e rm a n, The physics and phenomenology of One Atmosphere Uniform Glow Discharge Plasma (OAUGDP ) reactors for surface treatment applications, Journal of Physics D: App. Physics, vol. 38, (2005), 555-567 [4] Jaeyoung Park, I. Henins, H. W. Herrmann, G. S. S e l wyn R. F. H i cks: Discharge phenomena of an atmospheric pressure radio-frequency capacitive plasma source, Journal of Applied Physics, Volume 89, Number 1, 1 Jan. (2001) [5] Y. Kim, M. S. Cha, W.-H. Shin, and Y.-H. Song: Characteristics of Dielectric Barrier Glow Discharges with a Low-Frequency Generator in Nitrogen, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 43, No. 5, November (2003), 732-737 [6] K Matyash, R Schneider, K Dittmann, J Meichsner, F X Bronold and D Tskhakaya: Radiofrequency discharges in oxygen: III. Comparison of modelling and experiment, Journal of Physics, D: App. Physics. Vol. 40 (2007) 6601 6607 [7] A. Mizuno, Y. Yamazaki, S. Obama, E. Suzuki, K. Okazaki: Effect of Voltage Waveform on Partial Discharge in Ferroelectric Pellet Layer for Gas Cleaning, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 29, No 2, March/April (1993) [8] K. Minami, M. Akiyama, A. Okino, M. Watanabe, E. H otta: De-Nox characteristics of bidirectional pulse corona discharge, Papers of Technical Meeting on Plasma Science and Technology, IEE Japan, Vol. PST-01, No. 1-21, (2001), 67-72 [9] R. H. Conrad: Method of powering corona discharge in ozone generators with bipolar pulses and a precharge pulse, United States Patent number 5 269 893, December (1993) [10] H.-E. Wagner, R. Brandenburg, K.V. Kozlov, A. Sonnenfeld, P. Michel, J.F. Behnke: The barrier discharge: basic properties and applications to surface treatment, Vacuum 71 (2003) 417 436 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 1/2010 205

[11] S. M asuda: Pulse corona induced plasma chemical process: a horizon of new plasma chemical technologies, Pure & Applied Chemistry, Vol. 60, No. 5 (1988), 727-731 [12] Y. Nomoto, T. Ohkubo, S. Kazanawa, T. Adachi: Improvement of Ozone Yield by a Silent-Surface Hybrid Discharge Ozonizer, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 31, No 6, November/December (1995) [13] T. Yamamoto, K. Mizuno, I. Tamori, A. Ogata, M. Nifuku, M. Michalska, G. Prieto: Catalysis-Assisted Plasma Technology for Carbon Tetrachloride Destruction, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 32, No 1, January/February (1996) [14] M.H. Cho, K. B. Ko, Y. C. Byun, D.N. Shin, D. J. K o h : Environmental Applications of Plasmas, 8th APCPST at Cairns, Australia, July 3, (2006) [15] M. R e a, K. Yan: Evaluation of Pulse Voltage Generators, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 31, No 3, May/June (1995) [16] U. K o g elschatz: Dielectric-barrier Discharges: Their History, Discharge Physics, and Industrial Applications, Plasma Chemistry and Plasma Processing, Vol. 23, No. 1, March (2003) [17] Y. Yo s h i o k a: Recent Developments in Plasma De-NOx and PM (Particulate Matter) Removal Technologies from Diesel Exhaust Gases, Int. Journal of Plasma Environmental Science & Technology Vol.1, No.2, September (2007) [18] U. K o g elschatz: Filamentary, patterned and diffuse barrier discharges, IEEE Transactions on Plasma Science 30 1400-1408 (2002) [19] G.-H. Kim, S.-Y. Jeong, H.-C. Kwon, S.-H. Song: Capacitance between an Atmospheric Discharge Plasma and the Dielectric Electrode in the Parallel Cell Reactor, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 49, No. 3, Sept. (2006), 1307-1311 [20] B. G. Rodríguez-Méndez, López-Callejas, R. Peña-Eguiluz, A. Mercado-Cabrera, R. Valencia- Alvarado, S. R. Barocio, A. de la Piedad- Beneitez, J. S. Benítez-Read,* and J. O. P a c heco-s o telo: A model of plasma discharges in prearcing regime for water treatment, proceeding of the 25 th IASTED Modelling, Identification and Control, February 6-8, (2006), Canary Islands, Lanzarote, Spain [21] E. Panousis, L. Papageorghiou, N. Spyrou, J.-F. Lois eau, B. Held, F. Clement: Comparison between experimental and modelling results of an atmospheric pressure N 2 DBD discharge under 130kHz sinusoidal excitation, proceedings of 28 th ICPIG, Prague, Czech Republic, June 15 20, (2007) [22] Z. Chen: PSpice simulation of one atmosphere uniform, glow discharge plasma (OAUGDP) reactor systems, IEEE Transactions on Plasma Science, vol. 31 511 520, (2003) [23] J. M. Alonso, J. Cardesin, E. L. Corominas, M. R i co-secades, J. Garc i a: Low-Power High-Voltage High-Frequency Power Supply for Ozone Generation, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 40, No 2, March/April (2004) [24] T. C. M anley: The electric characteristics of the ozonator discharge, Transactions of Electrochemical Society 84, 83 (1943) [25] J. M. Meek, and J. D. Craggs, Breakdown voltage characteristics, Electrical breakdown of gases, Wiley Interscience, New York, 533 545 (1953) [26] H. D. S t ryc zews k a : Analiza zintegrowanych zasilaczy elektromagnetycznych w urządzeniach wyładowczych, Wydawnictwa uczelniane Politechniki Lubelskiej, (1996) [27] K.-P. Francke, R. Rudolph, H. Miessner: Design and Operating Characteristics of a Simple and Reliable DBD Reactor for Use with Atmospheric Air, Plasma Chemistry and Plasma Processing, Vol. 23, No. 1, 47 57, (2003) [28] J. Grundmann, S. Müller and R.-J. Zahn: Treatment of Soot by Dielectric Barrier Discharges and Ozone, Plasma Chemistry and Plasma Processing, Vol. 25, No. 5, October (2005) [29] R. Casanueva, F. J. Azcondo, S. Bracho: Series parallel resonant converter for an EDM power supply, Journal of Materials Processing Technology 149 (2004), 172 177 [30] M. Teschke, D. Korzec, E.G. Finantu-Dinu, J. Engemann, R. Kennel: Resonant, high voltage, high power supply for atmospheric pressure plasma sources, Power Electronics Specialists Conference PESC 04, 20-25 June, Volume: 1, 835-839 (2004) [31] H. F u jita, H. Akagi: Control and performance of a pulsedensity-modulated series-resonant inverter for corona discharge processes, Industry Applications Conference, 33 IAS Annual Meeting, 12-15 Oct (1998), Volume: 2, 1320-1325 [32] S. Kalisiak, M. Hoł ub and T. Jakubowski: Resonant inverter with output voltage pulse-phase-shift control for DBD plasma reactor supply, materiały konferencji EPE 2009, the 13th Int. European Power Electronics Conference and Exhibition, wrzesień (2009) [33] E r win Marx: Verfahren zur Schlagpruefung von Isolatoren und anderen elektrischen Vorrichtungen, Patentschrift nr. 455933, 13 February (1928) [34] Richard Anthony Fitch et al.: Electrical Pulse Generators, US Patent nr 3,366,799, 30 January (1968) [35] G. D i n elli, L. Civitano, M. R ea: Industrial Experiments on Pulse Corona Simultaneous Removal of NOx and SO2 from flue gas, IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 26, No 3, May/June (1990) [36] T. Oda: Atmospheric Pressure nonthermal plasma decomposition of gaseous air contaminants and that diagnosis, proceedings of the Xth ICESP Conference, Australia, (2006) [37] S.-D. Jang, Y.-G. Son, J.-S. Oh and M.-H. Cho, D. -J. Koh: Pulsed Plasma Process for Flue Gas Removal from an Industrial Incinerator by Using a Peak 200-kV, 10-kA Pulse Modulator, Journal of the Korean Physical Society, Vol. 44, No. 5, May (2004), 1157-1162 [38] S. Kalisiak, M. Hoł u b : Modified Fitch generator topology for non-thermal plasma applications, Przegląd Elektrotechniczny, R. 85, nr 7 (2009), 134-137 Autorzy: dr inż. Marcin Hołub, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Inst. Elektrotechniki, ul. Sikorskiego 37, 70-313 Szczecin, E-mail: mholub@zut.edu.pl; dr inż. Stanisław Kalisiak, Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Inst. Elektrotechniki, ul. Sikorskiego 37, 70-313 Szczecin, E-mail: kal@zut.edu.pl 206 PRZEGLĄD ELEKTROTECHNICZNY (Electrical Review), ISSN 0033-2097, R. 86 NR 1/2010