Моделирование источника питания для плазменной струи с обратной связью
Ключевые слова:
модель, плазменная струя, источник питания, обратная связь, синусоидальное напряжение, эквивалентная нагрузка
Аннотация
Статья посвящена моделированию в среде MATLAB источника синусоидального высокого напряжения повышенной частоты (20 кГц). В разработанной модели источника питания предложен принцип построения сигнала обратной связи системы управления от нагрузки, представленной схемой замещения плазменной струи. Рассмотрено наполнение основных функциональных блоков источника питания: фильтр-выпрямитель, понижающий преобразователь, инвертор, повышающий трансформатор. Для повышения качества моделирования характеристики дросселей и повышающего трансформатора уточнялись на макетах этих изделий. Выбраны точки снятия сигнала обратной связи (заряд, перенесенный к стенке сопла) и точки приложения сигналов управления (регулятор и понижающий преобразователь). Показана возможность влияния на нагрузку по созданному каналу управления; время отклика на модельное возмущение составило 17 мс. Функциональная схема системы управления демонстрирует возможность регулирования режима работы плазменной струи по перенесенному к стенке сопла заряду. Управление осуществляется путем регулирования напряжения, подводимого к системе инвертор–трансформатор–газовый разряд. Предложенная модель необходима при создании устройств, использующих плазменную струю в качестве исполнительного, и при проектировании высоковольтных источников питания.
Литература
1. Braný D. et al. Cold Atmospheric Plasma: A Powerful Tool for Modern Medicine. – International Journal of Molecular Sciences, 2020, 21(8), DOI: 10.3390/ijms21082932.
2. Bagheri M. et al. Can Cold Atmospheric Plasma Be Used for Infection Control in Burns? A Preclinical Evaluation. – Biomedicines, 2023, 11(5), DOI:10.3390/biomedicines11051239.
3. Sakudo A., Yagyu Y. Plasma Biology. – International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22(11), DOI: 10.3390/ijms22115441.
4. Ermakov A.M. et al. Synergistic Antimicrobial Effect of Cold Atmospheric Plasma and Redox-Active Nanoparticles. – Biomedicines, 2023, 11(10), DOI: 10.3390/biomedicines11102780.
5. Teschke M. et al. High-Speed Photographs of a Dielectric Barrier Atmospheric Pressure Plasma Jet. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, vol. 33, pp. 310–311, DOI: 10.1109/TPS.2005.845377.
6. Pinchuk M.E. et al. Stepwise Propagation of a Guided Streamer Along a DBD Helium Plasma Jet Fed by Biased Oscillating Voltage. – Applied Physics Letters, 2019, vol. 114, DOI: 10.1063/1.5099968.
7. Akishev Y.S. et al. How Ionization Waves (Plasma Bullets) in Helium Plasma Jet Interact with a Dielectric and Metallic Substrate. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, DOI: 10.1088/1742-6596/927/1/012040.
8. Pinchuk M.E. et al. Propagation of Atmospheric Pressure Helium Plasma Jet into Ambient Air at Laminar Gas Flow. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 755, DOI:10.1088/1742-6596/ 755/1/011001.
9. Brandenburg R., Becker K.H., Weltmann K.-D. Barrier Discharges in Science and Technology Since 2003: A Tribute and Update. – Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2023, vol. 43, pp. 1303–1334 DOI: 10.1007/s11090-023-10364-5.
10. Viegas P. et al. Physics of Plasma Jets and Interaction with Surfaces: Review on Modelling and Experiments. – Plasma Sources Science and Technology, 2022, vol. 31, DOI: 10.1088/1361-6595/ac61a9.
11. Пинчук М.Э., Степанова О.М. Формирование аргоновой плазменной струи при питании пакетами биполярных высоковольтных импульсов напряжения. – Письма в Журнал технической физики, 2024, т. 50, № 8, с. 29–32.
12. Дьяченко А.А., Пинчук М.Э. Автоматизированная система для сканирования пространственной структуры плазменной струи методом оптической эмиссионной спектроскопии. – Инновационное приборостроение, 2024, т. 3, № 1, c. 56–62.
13. Акишев Ю.С. и др. Влияние барьерного разряда на газодинамические параметры формируемой им плазменной струи. – Прикладная физика, 2018, № 6, с. 14–19.
14. Bastin O. et al. Electrical Equivalent Model of a Long Dielectric Barrier Discharge Plasma Jet for Endoscopy. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2023, vol. 56, DOI: 10.1088/1361-6463/acb603.
15. Матвеев Д.А., Фролов М.В., Хренов С.И. Опытный образец высокочастотного агрегата питания электрофильтров. – Электротехника, 2023, № 8, с. 43–49.
16. Лысов Н.Ю. Оптимизация параметров резонансного источника высокого напряжения для питания генератора озона на поверхностном барьерном разряде. – Электричество, 2016, № 10, с. 28–35.
17. Шершунова Е.А., Мошкунов С.И. Устройство для формирования холодных аргоновых плазменных струй в воздухе. – Сборник докладов XII Международной научной конференции «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики», 2019, с. 66–69.
18. Жуйков А.В. и др. Широкополосная модель повышающего трансформатора в составе высокочастотного агрегата питания электрофильтров. – Электротехника, 2021, № 4, с. 22–30.
---
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда по проекту 23-29-00265.
#
1. Braný D. et al. Cold Atmospheric Plasma: A Powerful Tool for Modern Medicine. – International Journal of Molecular Sciences, 2020, 21(8), DOI: 10.3390/ijms21082932.
2. Bagheri M. et al. Can Cold Atmospheric Plasma Be Used for Infection Control in Burns? A Preclinical Evaluation. – Biomedicines, 2023, 11(5), DOI:10.3390/biomedicines11051239.
3. Sakudo A., Yagyu Y. Plasma Biology. – International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22(11), DOI: 10.3390/ijms22115441.
4. Ermakov A.M. et al. Synergistic Antimicrobial Effect of Cold Atmospheric Plasma and Redox-Active Nanoparticles. – Biomedicines, 2023, 11(10), DOI: 10.3390/biomedicines11102780.
5. Teschke M. et al. High-Speed Photographs of a Dielectric Barrier Atmospheric Pressure Plasma Jet. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, vol. 33, pp. 310–311, DOI: 10.1109/TPS.2005.845377.
6. Pinchuk M.E. et al. Stepwise Propagation of a Guided Streamer Along a DBD Helium Plasma Jet Fed by Biased Oscillating Voltage. – Applied Physics Letters, 2019, vol. 114, DOI: 10.1063/1.5099968.
7. Akishev Y.S. et al. How Ionization Waves (Plasma Bullets) in Helium Plasma Jet Interact with a Dielectric and Metallic Substrate. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, DOI: 10.1088/1742-6596/927/1/012040.
8. Pinchuk M.E. et al. Propagation of Atmospheric Pressure Helium Plasma Jet into Ambient Air at Laminar Gas Flow. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 755, DOI:10.1088/1742-6596/755/1/011001.
9. Brandenburg R., Becker K.H., Weltmann K.-D. Barrier Discharges in Science and Technology Since 2003: A Tribute and Update. – Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2023, vol. 43, pp. 1303–1334 DOI: 10.1007/s11090-023-10364-5.
10. Viegas P. et al. Physics of Plasma Jets and Interaction with Surfaces: Review on Modelling and Experiments. – Plasma Sources Science and Technology, 2022, vol. 31, DOI: 10.1088/1361-6595/ac61a9.
11. Pinchuk M.E., Stepanova O.M. Pis’ma v Zhurnal tehniches-koy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics Letters), 2024, vol. 50, No. 8, pp. 29–32.
12. D’yachenko A.A., Pinchuk M.E. Innovatsionnoe priboro-stroenie – in Russ. (Innovative Instrumentation), 2024, vol. 3, No. 1, pp. 56–62.
13. Akishev Yu.S. et al. Prikladnaya fizika – in Russ. (Applied Physics), 2018, No. 6, pp. 14–19.
14. Bastin O. et al. Electrical Equivalent Model of a Long Dielectric Barrier Discharge Plasma Jet for Endoscopy. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2023, vol. 56, DOI: 10.1088/1361-6463/acb603.
15. Matveev D.A., Frolov M.V., Hrenov S.I. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2023, No. 8, pp. 43–49.
16. Lysov N.Yu. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2016, No. 10, pp. 28–35.
17. Shershunova E.A., Moshkunov S.I. Sbornik dokladov XII Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii «Sovremennye problemy elektrofiziki i elektrogidrodinamiki» – in Russ. (Proceedings of XII International Conference on Modern Problems of Electrophysics and Electrohydrodynamics), 2019, pp. 66–69.
18. Zhuykov A.V. et al. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2021, No. 4, pp. 22–30
---
The research was financially supported by the Russian Science Foundation, project no. 23-29-00265
2. Bagheri M. et al. Can Cold Atmospheric Plasma Be Used for Infection Control in Burns? A Preclinical Evaluation. – Biomedicines, 2023, 11(5), DOI:10.3390/biomedicines11051239.
3. Sakudo A., Yagyu Y. Plasma Biology. – International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22(11), DOI: 10.3390/ijms22115441.
4. Ermakov A.M. et al. Synergistic Antimicrobial Effect of Cold Atmospheric Plasma and Redox-Active Nanoparticles. – Biomedicines, 2023, 11(10), DOI: 10.3390/biomedicines11102780.
5. Teschke M. et al. High-Speed Photographs of a Dielectric Barrier Atmospheric Pressure Plasma Jet. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, vol. 33, pp. 310–311, DOI: 10.1109/TPS.2005.845377.
6. Pinchuk M.E. et al. Stepwise Propagation of a Guided Streamer Along a DBD Helium Plasma Jet Fed by Biased Oscillating Voltage. – Applied Physics Letters, 2019, vol. 114, DOI: 10.1063/1.5099968.
7. Akishev Y.S. et al. How Ionization Waves (Plasma Bullets) in Helium Plasma Jet Interact with a Dielectric and Metallic Substrate. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, DOI: 10.1088/1742-6596/927/1/012040.
8. Pinchuk M.E. et al. Propagation of Atmospheric Pressure Helium Plasma Jet into Ambient Air at Laminar Gas Flow. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 755, DOI:10.1088/1742-6596/ 755/1/011001.
9. Brandenburg R., Becker K.H., Weltmann K.-D. Barrier Discharges in Science and Technology Since 2003: A Tribute and Update. – Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2023, vol. 43, pp. 1303–1334 DOI: 10.1007/s11090-023-10364-5.
10. Viegas P. et al. Physics of Plasma Jets and Interaction with Surfaces: Review on Modelling and Experiments. – Plasma Sources Science and Technology, 2022, vol. 31, DOI: 10.1088/1361-6595/ac61a9.
11. Пинчук М.Э., Степанова О.М. Формирование аргоновой плазменной струи при питании пакетами биполярных высоковольтных импульсов напряжения. – Письма в Журнал технической физики, 2024, т. 50, № 8, с. 29–32.
12. Дьяченко А.А., Пинчук М.Э. Автоматизированная система для сканирования пространственной структуры плазменной струи методом оптической эмиссионной спектроскопии. – Инновационное приборостроение, 2024, т. 3, № 1, c. 56–62.
13. Акишев Ю.С. и др. Влияние барьерного разряда на газодинамические параметры формируемой им плазменной струи. – Прикладная физика, 2018, № 6, с. 14–19.
14. Bastin O. et al. Electrical Equivalent Model of a Long Dielectric Barrier Discharge Plasma Jet for Endoscopy. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2023, vol. 56, DOI: 10.1088/1361-6463/acb603.
15. Матвеев Д.А., Фролов М.В., Хренов С.И. Опытный образец высокочастотного агрегата питания электрофильтров. – Электротехника, 2023, № 8, с. 43–49.
16. Лысов Н.Ю. Оптимизация параметров резонансного источника высокого напряжения для питания генератора озона на поверхностном барьерном разряде. – Электричество, 2016, № 10, с. 28–35.
17. Шершунова Е.А., Мошкунов С.И. Устройство для формирования холодных аргоновых плазменных струй в воздухе. – Сборник докладов XII Международной научной конференции «Современные проблемы электрофизики и электрогидродинамики», 2019, с. 66–69.
18. Жуйков А.В. и др. Широкополосная модель повышающего трансформатора в составе высокочастотного агрегата питания электрофильтров. – Электротехника, 2021, № 4, с. 22–30.
---
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда по проекту 23-29-00265.
#
1. Braný D. et al. Cold Atmospheric Plasma: A Powerful Tool for Modern Medicine. – International Journal of Molecular Sciences, 2020, 21(8), DOI: 10.3390/ijms21082932.
2. Bagheri M. et al. Can Cold Atmospheric Plasma Be Used for Infection Control in Burns? A Preclinical Evaluation. – Biomedicines, 2023, 11(5), DOI:10.3390/biomedicines11051239.
3. Sakudo A., Yagyu Y. Plasma Biology. – International Journal of Molecular Sciences, 2021, 22(11), DOI: 10.3390/ijms22115441.
4. Ermakov A.M. et al. Synergistic Antimicrobial Effect of Cold Atmospheric Plasma and Redox-Active Nanoparticles. – Biomedicines, 2023, 11(10), DOI: 10.3390/biomedicines11102780.
5. Teschke M. et al. High-Speed Photographs of a Dielectric Barrier Atmospheric Pressure Plasma Jet. – IEEE Transactions on Plasma Science, 2005, vol. 33, pp. 310–311, DOI: 10.1109/TPS.2005.845377.
6. Pinchuk M.E. et al. Stepwise Propagation of a Guided Streamer Along a DBD Helium Plasma Jet Fed by Biased Oscillating Voltage. – Applied Physics Letters, 2019, vol. 114, DOI: 10.1063/1.5099968.
7. Akishev Y.S. et al. How Ionization Waves (Plasma Bullets) in Helium Plasma Jet Interact with a Dielectric and Metallic Substrate. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, DOI: 10.1088/1742-6596/927/1/012040.
8. Pinchuk M.E. et al. Propagation of Atmospheric Pressure Helium Plasma Jet into Ambient Air at Laminar Gas Flow. – Journal of Physics: Conference Series, 2017, vol. 755, DOI:10.1088/1742-6596/755/1/011001.
9. Brandenburg R., Becker K.H., Weltmann K.-D. Barrier Discharges in Science and Technology Since 2003: A Tribute and Update. – Plasma Chemistry and Plasma Processing, 2023, vol. 43, pp. 1303–1334 DOI: 10.1007/s11090-023-10364-5.
10. Viegas P. et al. Physics of Plasma Jets and Interaction with Surfaces: Review on Modelling and Experiments. – Plasma Sources Science and Technology, 2022, vol. 31, DOI: 10.1088/1361-6595/ac61a9.
11. Pinchuk M.E., Stepanova O.M. Pis’ma v Zhurnal tehniches-koy fiziki – in Russ. (Journal of Technical Physics Letters), 2024, vol. 50, No. 8, pp. 29–32.
12. D’yachenko A.A., Pinchuk M.E. Innovatsionnoe priboro-stroenie – in Russ. (Innovative Instrumentation), 2024, vol. 3, No. 1, pp. 56–62.
13. Akishev Yu.S. et al. Prikladnaya fizika – in Russ. (Applied Physics), 2018, No. 6, pp. 14–19.
14. Bastin O. et al. Electrical Equivalent Model of a Long Dielectric Barrier Discharge Plasma Jet for Endoscopy. – Journal of Physics D: Applied Physics, 2023, vol. 56, DOI: 10.1088/1361-6463/acb603.
15. Matveev D.A., Frolov M.V., Hrenov S.I. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2023, No. 8, pp. 43–49.
16. Lysov N.Yu. Elektrichestvo – in Russ. (Electricity), 2016, No. 10, pp. 28–35.
17. Shershunova E.A., Moshkunov S.I. Sbornik dokladov XII Mezhdunarodnoy nauchnoy konferentsii «Sovremennye problemy elektrofiziki i elektrogidrodinamiki» – in Russ. (Proceedings of XII International Conference on Modern Problems of Electrophysics and Electrohydrodynamics), 2019, pp. 66–69.
18. Zhuykov A.V. et al. Elektrotekhnika – in Russ. (Electrical Engineering), 2021, No. 4, pp. 22–30
---
The research was financially supported by the Russian Science Foundation, project no. 23-29-00265
