مكثفات الجهد العالي لتفريغ حاجز العزل الكهربائي (DBD)

مكثفات الجهد العالي لتفريغ حاجز العزل الكهربائي (DBD)

الملخص

يُعدّ تفريغ الحاجز العازل أساسًا لتقنية البلازما الباردة الصناعية، وكل نظام تفريغ حاجز عازل هو في الأساس دائرة كهربائية: حمل سعوي يُشغَّل عبر شبكة رنانة عند مستويات كيلوفولت. تشرح هذه المقالة نموذج حمل التفريغ الحاجز العازل، ودور المكثفات في سلسلة التشغيل، والإجهاد الذي يتعرض له كل مكون من تيار التفريغ الدقيق، وكيفية اختيار مكثفات السيراميك عالية الجهد لضمان تفريغ قوي ومستقر وفعال.

1. سياق التطبيق: البلازما عبارة عن مكثف

تتكون خلية التفريغ الحاجز العازل (DBD) من قطبين كهربائيين بينهما حاجز عازل وفجوة غازية. عندما يتجاوز الجهد عبر الفجوة عتبة الانهيار، تشتعل تفريغات دقيقة. تبدو الخلية لدائرة التشغيل كشبكة مكثفات متصلة على التوالي.

يقوم مولد الأوزون أو معالج البلازما بتشغيل هذا الحمل السعوي بجهد متردد يتراوح بين 1 و100 كيلوفولت عبر شبكة رنانة تضاعف الجهد. وتتحدد جودة النظام ككل - من حيث قدرة التفريغ والكفاءة وعمر الأقطاب الكهربائية - بمدى قدرة المكثفات في تلك الشبكة على الحفاظ على قيمها تحت الضغط.

2. المتطلبات الفنية

2.1 الاقتران الرنيني. عادةً ما تقوم أنظمة DBD بتشغيل الخلية من خلال رنين LC الذي يرفع الجهد. وتتبع الطاقة المُوَصَّلة كسب الرنين.

2.2 تيار التفريغ الدقيق. في كل نصف دورة، تتفكك الفجوة إلى آلاف التفريغات الدقيقة. كل منها عبارة عن ارتفاع مفاجئ وسريع في التيار الموجه إلى الدائرة الإلكترونية.

2.3 استقرار السعة. يتم ضبط النظام على الرنين؛ إذا انحرف المكثف مع درجة الحرارة أو الانحياز، فإن طاقة التفريغ تتذبذب:

2.4 يؤدي تكوين الأقطاب الكهربائية إلى تغيير الحمل. يؤدي شكل خلية التفريغ الحاجز العازل (DBD) - سواء كانت مستوية أو أسطوانية أو ذات طبقة معبأة - إلى تغيير سعة الفجوة وكثافة الطاقة التي يجب أن يوفرها المحرك. تتصرف الخلية المستوية ذات الفجوة 2 مم بشكل مختلف عن مفاعل الطبقة المعبأة الذي تتغير سعته الفعالة مع تحميل الحبيبات بالرطوبة أو المنتج. يجب أن يغطي المحرك والمكثف الرنيني جميع أنواع الخلايا، وليس شكلاً هندسياً واحداً فقط.

لهذا السبب، عادةً ما يحتوي خط إنتاج DBD على مجموعة مكثفات قابلة للتبديل: حيث يختار المشغل قيمة الرنين لمجموعة الأقطاب الكهربائية المستخدمة. ويُعدّ المكثف ذو نطاق السعة الواسع والقيمة الثابتة تحت تأثير الانحياز هو ما يجعل عملية التبديل قابلة للتنبؤ.

الشكل 1 - نظام DBD: المحرك، المكثف الرنيني، خلية البلازما والمرشح.

3. نقاط ضعف المهندسين (ملاحظات ميدانية)

4. مقارنة المكثفات لخدمة DBD

كيفية استخدام هذه المقارنة. بالنسبة لخط معالجة المياه أو الهواء الذي يعمل على مدار الساعة، اختر مكثفًا من فئة DBD وتحقق من معامل الفقد عند تردد التشغيل الفعلي. أما بالنسبة لوحدة مختبرية ذات دورات تشغيل قصيرة، فقد يكفي استخدام مكثف متوسط ​​الجودة، ولكن فرق السعر ضئيل وتكلفة الصيانة الميدانية مرتفعة. عند الشك، حدد حجم المكثف الرنيني بناءً على أسوأ تيار وأقصى درجة حرارة، ثم تأكد من أن المكثف المختار يحافظ على سعته ضمن نطاق 5% عند نقطة التشغيل تلك.

5. الاختيار وحل HVC

6. دراسة حالة هندسية (مرجع)

المحطة قيد المراجعة هي وحدة معالجة مياه الصرف الصحي البلدية بالأوزون، مزودة بثماني خلايا DBD تعمل بواسطة محول تيار مشترك بقدرة 5 كيلو فولت أمبير بتردد 18 كيلو هرتز. كانت المكثفات الرنانة الأصلية من النوع الثاني، وهي قطع غيار عامة تم اختيارها بناءً على الجهد فقط؛ وأظهر سجل الصيانة انخفاضًا تدريجيًا في إنتاج الأوزون وعطلًا واحدًا في مقوم الدائرة الأمامية كل ثلاثة أشهر. استبدلت عملية إعادة البناء مرحلة الرنين بمكثفات N4700، وأضافت صمام تصريف HVR عبر خط التغذية، وحسّنت سلسلة المقوم إلى مجموعات HVD مقاومة للتيارات المفاجئة.

يحافظ المصنع الآن على إنتاجه من الأوزون طوال فترات العمل الكاملة. في تقنية تفريغ الحاجز العازل، يُعد المكثف الرنيني بمثابة مفتاح الضبط - حافظ على استقراره وستبقى البلازما قوية.

7. اعتبارات التصميم

• الاستقرار الرنيني: يؤدي تغيير السعة بنسبة ±5% إلى تغيير تردد الخزان وتقليل طاقة التفريغ - حدد تفاوت المكثف عند درجة حرارة التشغيل، وليس عند 25 درجة مئوية.
• هامش الربح الحالي: قم بتقييم المكثف الرنيني لتيار النبضة التفريغية الدقيقة، وليس متوسط ​​RMS - النبضات هي 10 أضعاف المتوسط ​​وهي التي تحدد الإجهاد العازل.
• فقدان التردد: يجب ذكر بيانات tan δ عند تردد القيادة الفعلي؛ قيمة ورقة البيانات 1 كيلو هرتز لا معنى لها عند 100 كيلو هرتز.
• التحكم التناسبي التفاضلي: يجب أن يكون تصميم العازل والطرفيات خالياً من التفريغ الجزئي عند جهد التشغيل لكي يتحمل سنوات من التفريغ المستمر.
• مسار التبريد: حافظ على درجة حرارة مرحلة الرنين أقل من درجة الحرارة المقدرة للمكثف باستخدام الهواء القسري أو الماء حيثما تتطلب كثافة الطاقة ذلك.
• تصريف آمن: أضف صمام تنفيس عالي السرعة عبر المجموعة بحيث يتم تفريغ خط kV بسرعة عند توقف الوحدة.

8. قائمة التحقق من الصحة

1. قم بقياس تردد الرنين باستخدام المكثف المثبت وتأكد من أنه يبقى داخل نطاق الضبط عبر درجات الحرارة المختلفة.
2. سجل شكل موجة تيار مكثف الخزان وتأكد من أن الذروة تقع ضمن تصنيف الجزء.
3. قم بإجراء اختبار التفريغ الجزئي عند جهد التشغيل وتأكد من أن مستوى التفريغ أقل من الحد المسموح به.
4. تحقق من درجة حرارة سطح المكثف بعد 8 ساعات من التشغيل المستمر بكامل الطاقة.
5. قم بتشغيل الوحدة 10,000 مرة وأعد قياس السعة والتسريب و tan δ.

9. اختتام

في تفريغ الحاجز العازل، تُعدّ البلازما هي الناتج، بينما يُمثّل المكثف المحرك. توفر مرحلة رنين مستقرة ومنخفضة الفقد ومُصنّفة حسب التيار نفس طاقة التفريغ بعد كل دورة تشغيل، وقد صُممت مجموعة HVC من مكثفات N4700 وثنائيات HVD ومُفرّغات HVR للحفاظ على هذا الأداء.

10. المراجع

1. يو. كوجيلشاتز، "تفريغات الحاجز العازل: تاريخها، وفيزياء التفريغ، وتطبيقاتها الصناعية". كيمياء البلازما ومعالجة البلازما، المجلد. 23 ، لا. 1 ، ص 1-46 ، 2003.
2. إي. كوفيل، دبليو إس زينجل، وجيه. كوفيل، هندسة الجهد العالي: الأساسيات، الطبعة الثانية. أكسفورد، المملكة المتحدة: نيونس (إلسيفير)، 2000.
3. شركة فيشاي إنترتكنولوجي، سلسلة HVCC — قرص سيراميك عالي الجهد و المكثفات مقابض الابواب (ورقة البيانات)مالفيرن، بنسلفانيا، الولايات المتحدة الأمريكية: فيشاي.
4. IEC 60664-1: 2020 ، تنسيق العزل للمعدات داخل أنظمة التغذية ذات الجهد المنخفض - الجزء 1: المبادئ والمتطلبات والاختباراتجنيف، سويسرا: اللجنة الكهروتقنية الدولية.
5. 王兆安、刘进军主编,《电力电子技术》(تقنية إلكترونيات الطاقة), 第5版. 北京: 机械工业出版社، 2009. (بالصينية)

صفحات منتجات HVC ذات الصلة: مرجعية المكثف.