（电工理论与新技术专业论文）用于污染物处理的电弧等离子体电源研制.pdf

用于污染物处理的电弧等离子体电源研制 t h es t u d yo na r cp l a s m ap o w e rs u p p l yu s e df o rp o l l u t i o nt r e a t m e n t a b s t r a c t t h ep l a s m at e c h n o l o g yi sc o n s i d e r e dt ob eo n eo ft h et e e l a n o l o g i e st h a th a v et h eb e s t a d v a n t a g ei nt h ef i e l do ft a e a l m e n t s 、 r i 也p o l l u t i o n s n ep l a s m ah a sh i 乒l l e a l m e l a te f f i c i e n c y b e c a u s eo f 逖h i 班t e m p e r a t u r ea n de x c e l l e n tc o n d u c t i v i t yf o rh e a tt op o l l u t i o n s ，e s p e c i a l l yt o p o l l u u o i l sw h i c hh a v ep e c u l i a rr e q u e s t sa n db ed 硒c u l tt od e a lw i t h t h a td i r e e t - e u r r e n ta r c d i s c h a r g i n gi so n eo ft h em a i nm e t h o d so fp r o d u c i n gp l a s m a m a k i n gu s eo fc o n t r a v a r i a n t p o w e rs o u r c e ，t h eh i g b - f r e q u e n c yt r a n s f o r m e ra n dv o l t a g ef e e d b a c kd e v i c e ，e l e c t r i cc u r r e n t f e e d b a c kd e v i c e ：a l lg e tl 塔t h eh e a v yd i r e c t - e r a - r e n tw h i e l ai sf i tf o rt h ev o l t - a m p e r e c l l a , r a c t e ro fe l e c t r i ca r c ：s oi ti sp o s s i b l et og a i nas t a b l ea n dh i g h - e f f e e tp l a s m as o u r c eb yt h e f a c tt h a tt h ee l e c t r i ca r cd i s c h a r g e s ，i nt h ef i e l do f t r e a t m e n t sw i t hp o l l u t i o i l s 1 1 1 0 u g l at h eh a r ds w i t c he o n t r a v a r i a n tt e c h n o l o g yd o e sn o th a v eas e r i e so fg o o df u n c t i o n 船t h es o f ts w i t c he o t t r a v a r i a n tt e c h n o l o g yw h i c hi so i lt h er i s er e c e n t l y 。s l a o n gp o i n t , i ti ss t i l l o c c u p y i n gi m p o r t a n tp o s i d o ni n d u s t r ya p p l i c a t i o nf i e l db e c a u s eo fi t s 1 1 3 a t l l l ea p p l i e d t e c h n i q u ea n dt h el o n gd e v e l o p m e n tt i m e 1 1 1 em a i np a r t so ft h i sa r t i c l et a k et h e6 0 0 0w d i r e c t - c u r r e n ta r ce o n t r a v a r i a n tp l a s m ap o w e rs o u i c ed e s i g na n df a b r i c a t i o n 笛p u r p o s e 1 1 1 e i n t r o d u c t i o np a r tp o i n t so u tt h ea d v a n t a g eo fp l a s m ai nh a n d l i n gp o l l u t i o n , a n di n t r o d u c e s t e c h n o l o g yp r o g r e s s i n gh o m ea n da b r o a dh e r e ；s i n c et h ep o w e rc i r c u i tp a r td e s i g n sh a sa l s o s a m p l i n gi ne o n t r a v a r i a n ta r c - w e l d i n gp o w e rs o u l c e ，w ea l s oi n t r o d u c et h ea r c - w e l d i n gp o w e r s o u l c ed e v e l o p m e n th e r e o nt h eb a s i s ，t h em a i np a r t s e a r l yo u td e t a i l e dt h o r o u g he x p o u n d i n g o i lt h ec i r c u i t a ls l n l c a 珊，p r i n c i p l e ，p a r a m e t e rd e s i g i la n dc o m p o n e n tc h o i c eo ft h ec o n 臼 o l c i r c u i t , d r i v ea n dp o w e rs o l n c eh o s te r e w ec , o n s t i u c ts w i t c hr e g u l a t e dp o w e rs o u r c cw h i c h h a sm u l t i f a r i ae x p o r t sw i t ht o p s w i t c h 一1 ic o m p o n e n t , t oc a r r yo u tc u n f e n ts u p p l yo i lt h e c o n t r o lc i r c u i t w ea n a l y s ea n dc o m p a r ec o m m o np w m e o n l r o l l i n gc h i p s ，a n ds e l e e t eo n e a p p r o p r i a t ec h i pt os t r u c t u r ep u l s e - w i d t hm o d u l a t i o nc o n t r o lc i r c u i tw h i c hi su s e df o rd r i v i n g b r i d g ee i r e t t i t t h ei g b td r i v eh a sas t r i c tr e q u e s t , t h e r e f o r es e l e c ta n du s ee x i s t i n gd r i v e m o d u l e st od e s i g nt h ed r i v et of a c i l i t a t et h ed e s i g na n dm a k et h ec i r e t t i tt ob em o l es t a b l e i n c i r c u i t a ld e s i g no f h o s lw ec h o s ee n t i r eb r i d g ec i r c u i tt ob ee o n l r a v a r i a n tm e t h o da c c o r d i n gt o p o w e rs o i l r c t ：p o w e f ，c o n s i d e r i n gf a c t o r ss u c ha sp r i c ea n df u a e t i o n , c h o s ef e r r i t et r a n s f o r m e r m a 驴e t i s mc o r e ；i nv i e wo ft h ee f f e c to fm a g n a t i cb i a s i n g ，b l o c kc o n d e l l s e ri sa p p l i e dt o g u a r da g a i n s tt h el l a n s f o r m e rm a g n e t i cs a t u r a t i o n ；w eo p l j i n _ i z e t h ec i r c u i tw i t ha c u r r e n t - l i m i t i n gr e s i s t a n c ea n da c t i v ef i l t e rt og u a r da g a i n s ts u r g i n ge l e c t r i cc u r r e n ta n dt h e 大连理工大学硕士学位论文 h i g h - f i e q u e n c yi n t e r f e r e n c e t e s tr e s u l ts h o wt h a tt h e s em e a s i l r em a yr a i s ep o w e rs o u r c e e f f i c i e n c ya n df u n c t i o nv e r ym u c h s i n c et h ec i r 谢tt e c h n o l o g yi sm a t u r ea n dt h ec o m p o n e n tc h o i s ei sr e a s o n a b l e n e s s t h e p o w e r $ o u i c ec a ng a i nt h ef i n es t a b i l i t y t h ea r t i c l ef i n a l i t ym a k e sad a t ac o m p l e m e n ta n dt r y t od e s c r i b et h ep r o s p e c to f p l a s m ac o n t r a v a r i a n te l e c t r i ca r cp o w e rs o b r c e k e yw o r d s ：p l a s m a ；c o n t r a v a r i a n te l e c t r i ca r cp o w e rs o u r c e ；e n t i r eb r i d g ei n v e r s i o n 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意 作者签名：互；壬日期：垄z k 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：立泣 导师躲兔磊导师签名：生生 姐年卫月土日 大连理工大学硕士研究生学位论文 1 绪论 1 1 课题的理论意义和应用价值 用于污染物处理的电弧等离子体电源研制属于中高频逆变电源技术研究领域， 同时也涉及到电弧技术领域。课题来源于大连理工大学静电所研究项目。 等离子体是近2 0 年发展起来的- i j 高度交叉迅速发展的新学科，是集物理学、化学、 生物学和环境科学于一体的全新技术，其特点是对环境污染物兼具物理作用、化学作用和 生物作用，具有费用低处理效果好、无二次污染等优点。但在理论和工艺方面还存在一些 问题。等离子体技术正越来越引起人们的重视，被认为是目前废物处理的最佳方法。它必 将是未来环保产业的重要发展方向，具有广阔的应用前景。 本课题以直流拉弧放电产生热等离子体。利用逆变技术，通过高频变压器和电压电 流反馈装置可得到满足电弧伏安特性的直流大电流，由此可通过电弧放电获得稳定高效 的等离子体源。实验研究中对合闸时容易引起接点溶接和熔断器熔断的浪涌电流进行了 抑制，选择电源滤波器对集中在开关频率基波和倍频成分上的干扰频谱进行了滤除和研 究，利用控制电路对电源进行了过流保护和过压保护。本电源利用电子控制系统和电流 电压反馈对逆变器进行闭环控制，来获得恒流加外拖外特性曲线；采用电子电抗器来改 善和控制动特性。电源高效节能、质量轻、体积小、控制性能好、动态响应快、易于实 现实时控制。 高频逆变相比于普通工频逆变采用高频逆变器的主要优点有： 1 ) 频率高铜铁损耗大大减小； 2 ) 开关管开关损耗小； 3 ) 提高功率因数； 4 ) 效率高； 5 ) 体积小，重量轻； 6 ) 动态响应迅速，性能灵活： 7 ) 稳定工作范围大； 8 ) 噪声小，工作可靠性高。 根据电路的总体架构，我们可以把电路分成以下几个部分。 1 ) 主电路。主电路又分为输入整流滤波、逆变电路、变压器、输出整流滤波等几部分。 总体逆变形式为：a c d c a c d c 。为了提高性能前端需接入有源滤波器。 2 ) 脉宽调制控制电路。脉宽调制控制电路由开关电源供给电流，霍尔电流感应器和负 载端电压提供反馈，以使电源获得良好的外特性和动特性。 用于污染物处理的电弧等离子体电源研制 3 ) 驱动电路。逆变电路中的开关管因其工作于高频状态而对驱动有着特殊的要求。驱 动电路采用特定的设计以实现稳定的工作状态和各种保护。 4 1 辅助开关电源。辅助开关电源负责给控制电路及驱动电路的主要芯片供给工作电压。 1 2 相关领域国内外的发展综诉 1 2 1 等离子体对污染物的治理 等离子体是由电子、离子、自由基和中性粒子组成的导电性流体。整个体系呈电中 性，具有与一般气体不同的性质，容易受磁场、电场的影响，称为物质第四态。它为化 学反应提供必须的能量粒子和活性物种，在化学工业、材料工业、电子工业、机械工业、 国防工业、生物医学和环境保护等方面有着广泛的应用。 当气体分子以一定的方式在外部激励源的电场中被加速获能时，能量高于气体原子 的电离电势时，电子与原子间的非弹性碰撞将导致电离而产生离子和电子，当气体的电 离率足够大时，中性粒子的物理性质开始退居次要地位。整个系统受带电粒子的支配， 此时电离的气体即为等离子体。 等离子体发生器有以下两大类共计八种产生方法。等离子包括放电等离子和化学等 离子，放电等离子可分为有电极和无电极两类。有电极有电弧放电、辉光放电、电晕放 电和无声放电。无电极有高频感应、微波放电和激波放电。其中电弧放电、辉光放电和 高频放电分直流和交流两种。电弧直流放电有内极和外极之分。 按粒子温度，等离子体分为两大类：热平衡和非热平衡等离子体，也即高温等离子 体和低温等离子体。令电子温度为t e ，离子温度为t i ，中性粒子为t o ，当t e 、t l 、t g 近似 相等时，称为热平衡( 或热) 等离子体，其能量密度通常为1 0 4 k 2 1 0 4 k 。当t e t t 时， 称为非热平衡态等离子体，也称冷( 或低温) 等离子体。此时t e 高达1 0 4 k 以_ j ：，而t i 和t g 为3 0 0 k 5 0 0 k ，接近室温。 等离子体的应用技术因其特点而异，平衡态等离子体技术利用等离子体的物理特 性；而非平衡态等离子体技术则利用其中的高能电子( o 2 0 e v ) 参与形成的物理、化学 反应过程，在这一过程中，高能电子起决定性作用，离子的热运动只有负作用。 低温等离子体内富含电子，离子、自由基和激发态分子，采用低温等离子体分解气 态污染物时，等离子体中的高能电子起决定性作用。数万度的高能电子与气体分子( 原 子) 发生非弹性碰撞，将能量转换成基态分子( 原子) 的内能，发生激发、离解、电离等 一系列过程使气体处于活化状态，电子能量较低( l o e v ) 时，产生o h 、h 等活性自由基和 氧化性极强的0 3 ，活化后的污染物分子经过等离子体定向链化学反应后被脱除。当电子 平均能量超过污染物化学键结合能时，分子键断裂，污染物分解为单原子分子和固体颗 粒。 大连理工大学硕士研究生学位论文 在低温等离子体中，可能发生各种类型的化学反应，这主要取决于电子能量、电子 的密度、气体的温度、污染物气体分子浓度及共存的气体成分。这为一些需要很大活化 能的反应如大气中难降解污染物的去除提供了理想的途径。另外也可对低浓度、高流速、 大风量的含挥发性有机污染物和含硫类污染物等工业废气进行处理。可以高效、便捷地 对各种污染物进行处理，尤其适合于传统技术欠佳的气体污染物的处理。 ( 1 ) 等离子体大气污染控制技术 污染空气中的主要成分有：总悬浮颗粒、漂尘、硫氧化物、氮氧化物、硫化氢、氨、 碳氧化物和有机蒸汽( v o c s ) 等，它们分别来自于生活污染源、工业污染源和交通污染源。 脱硫脱硝 在工业废气中，对环境影响最为严重的污染物是硫氧化物和氮氧化物。等离子体技 术是2 0 世纪7 0 年代发展起来的同时脱硫脱硝技术，该法的基本原理是利用等离子体活 化产生的强氧化的自由基，并在氨气的参与下，将烟气中的s 0 2 和n o x 转化为硝酸铵、 硫酸铵和其复盐的固体微粒。其中电子束法( e b a 法) 和脉冲电晕放电法( p p c p 法) 应用于 烟气脱硫脱硝己达工业性试验阶段。电子束法是靠电子加速器产生高能电子束 ( 4 0 0 8 0 0 ) k e v 来辐照烟气，使其产生活性物质( 如o h ，h 0 2 ，0 ) ，促进分子间的化学反 应。脉冲电晕放电法是从电子束法发展而来的烟气脱硫脱硝技术，其机理与电子束法基 本相同，它是靠脉冲高压电源在普通反应器中形成等离子体，产生高能电子 ( 5 2 0 ) e v 3 ，形成如下： 0 2 + e 一2 0 + e ，h 2 0 + e 一h + 0 h + e ， h + 0 2 一h 0 2 ，0 2 + 0 一码。 虽然电子束多段照射法成功解决了s o ：氧化和回收率问题，但它需要有严格的庞大 的放射线的防护设置，且电子加速器昂贵，电子能量损失大，维护工作量大。由于窄脉 冲电晕放电等离子体中电子平均能量低于3 e v ，没有解决s 0 2 氧化和铵盐回收率难题， 国内通过强电场电离放电脱硫的研究，有效地解决了热化学脱硫的s o ：氧化和铵盐回收 率问题，铵盐回收率达到8 8 以上，放电能耗低于9 l 1 n 1 3 ，为烟气脱硫提供了一项低 成本有效的新方法。 汽车尾气治理 汽车尾气污染是一个全球性问题。由于汽车相对集中在城市，单车排放因子高，故 汽车排放的黑烟( 颗粒物) 、n o x 、c o 和h c 等已成为城市地区的主要大气污染物。等离子 体技术用于汽车尾气污染治理主要有两种方式，即机内净化和机外净化。前者的原理是 将空气离子化，即将空气送入内燃机之前，利用低温等离子体臭氧发生器将空气中的氧 转化为臭氧，然后进入燃烧室便分解为负氧离子，使火焰膨胀，促进燃烧，从而提高了 反应速率。机外净化技术主要有电晕放电、介电位垒放电、沿面放电等几种形式，利用 用于污染物处理的电弧等离子体电源研制 等离子体体系中的活性物种强化( 催化) 氧化一还原反应，将汽车尾气中的有害物质通过 氧化、还原或解离而转化为无害或低害物质以达到降低环境污染的目的。其中介电位垒 放电可在低温条件下实现h c 、c o 、n o , 和s 0 2 的氧化，可捕集颗粒物，是处理汽车尾气 的一项新颖技术。 v o c s 治理 对挥发性有机污染物的脱除，目前的研究主要集中在烃( 甲烷为代表) 、芳香烃系列 ( 以苯、甲苯为代表) 和卤代烃或氟利昂化合物上，它们是挥发性有机污染物中的主要代 表，其结构特殊，难以破坏。非平衡等离子体具有很高的能量效率，是去除低浓度、高 流速、大风量挥发性有机废气的理想方法。研究表明，等离子体分解破坏挥发性有机污 染物通过以下两种途径进行 1 ) 高能级电子直接作用于污染物分子：e + 污染物分子一各种碎片分子； 2 ) 高能级电子间接作用于污染物分子：e + 0 2 ( n 2 ，h 2 0 ) - - 2 0 ( n ，n + ，o h ) + 污染物分子一 中性分子。 当非平衡等离子体电离度、气体污染物浓度不高时，高能电子的间接作用是主要的。 研究证明：非热平衡放电等离子体在处理中低体积分数( 1 0 0 x 1 0 一1 0 0 0 x 1 0 巧) 的v o c s 非常有效，对氟利昂等难降解有机污染物具有很好的去除效果。 粉尘、飘尘的净化 工业废气中粉尘和飘尘以气态和气溶胶态长期悬浮在空气中，对大气环境造成了严 重的污染，其中粒径在( 0 1 5 ) 岫之间的颗粒对人体危害最大。非平衡等离子体技术可 以有效地清除废气中的这些颗粒物，其处理机理是：通过非均匀放电( 电晕放电) 产生的 非平衡等离子体，其中的电子和离子在梯度场的作用下和废气中的颗粒物相互碰撞并附 着在这些粒子上，使之成为荷电粒子，进而被集尘极所收集。处理过程分三个阶段，第 一阶段：e + m - - m - ；第二阶段：m - + s p ( 固体颗粒) 一( s p m ) 。；第三阶段：( s p m ) 一一s p m ( 沉积 在集尘极上) 。 电晕放电电集尘装置被广泛用于去除废气中的尘埃粒子，工业用的电集尘装置大多 采用火花电压高的负极性电晕放电，室内空气净化用的电集尘装置多采用臭氧产生量少 的正电晕放电。最新研制出一种小型的脉冲电晕等离子体除尘器，它采用圆环状尖端电 晕极，电晕放电稳定，放电电流较集中，不容易产生火花放电，适用于燃煤饭堂、酒楼 l t 左右的燃煤锅炉和小规模工业粉尘。该电除尘器的电晕极的线电流密度是工业电除尘 器的3 倍，如果能把圆环状尖端电晕极应用到工业电除尘器上，其体积将会大大缩小， 就能节省大量钢材。 室内空气净化 室内空气污染包括物理性污染、化学性污染和生物性污染。污染物质主要有香烟烟 4 大连理工大学硕士研究生学位论文 雾、甲醛、n o x 、s 0 2 ，飘尘及恶臭等，它们多数吸附在颗粒物上，对人体健康影响较大。 非平衡等离子技术应用于空气净化，不但可分解气态污染物，还可从气流中分离出微粒， 整个净化过程涉及预荷电集尘、催化净化和负离子发生等作用。研究表明，适宜采用等 离子体反应器与催化剂联合使用的球状颗粒物填充式结构，脉冲放电和沿面放电形式， 使居室空气中的微粒状物质和气体状物质同时得到去除。今后的工作是开发集电除尘和 分解有害气体物质为一体的小型放电等离子体净化装置，同时找到合适的催化剂和电极 材料来进一步提高去除率和降低能耗。 ( 2 ) 等离子体水污染治理技术 废水包括生活污水和工业废水。生活污水的水质比较稳定，不含有害物质，含有机 物较多，如蛋白质、油脂和碳水化合物等。工业废水种类繁多，成分复杂，有印染废水、 焦化废水、硝基苯废水、含酚废水、制浆废液等。非平衡等离子体技术是一种集高能电 子辐射、臭氧氧化、紫外光解等3 种作用于一体的废水处理技术。研究表明3 种方法协 同作用时，处理效果优于各方法的单独作用。 臭氧等离子体在氧化污染物时无选择性，可引发链反应，直接将有害物氧化成为二 氧化碳、水或矿物盐，不造成二次污染。许多国家自来水厂都用臭氧等离子体技术来净 化自来水，该技术在水处理方面发挥了巨大的不可替代的作用。印染废水的特点是颜色 深、c o d 高、危害大，其成分复杂，含有多种染料、印染助剂、酸、碱、无机盐等。焦 化废水成分复杂，含有氰化物、氨氮、难降解的大分子有机物等多种污染物，对环境的 危害极大。脉冲电晕放电处理焦化废水的实验结果表明：脉冲电晕放电对焦化废水中的 氰化物和酚含量的处理效果较好，氰化物脱除率达9 0 以上，酚含量的脱除率近7 0 ； 而废水中的氨氮含量比未脉冲放电处理的含量还要明显高一些，c o d 前后变化不大，脉 冲电晕放电对氨氮和c o d 的脱除效果不明显。硝基苯是一种广泛应用于化工、医药等工 业的重要原料，属生物难降解物质，对生态系统有毒害作用，国家环保局已将其列入6 8 种优先控制的污染物名单，脉冲放电等离子体处理硝基苯废水的实验结果显示：在中性 条件下，硝基苯的降解效率随脉冲电压的升高而增加；在相同电压下，废水溶液的酸性 越强，处理效果越好，碱性的处理效果也好于中性。黑液污染占纸厂的9 5 ，据统计， 我国每年造纸厂总排水量达3 9 g t ，占全国废水排放总量的六分之一，其中有机污染物 占全国排放总量的四分之一。核工业西南物理研究院已成功开发了等离子体处理制浆废 液新技术，在国内属于首创，浓黑液经过等离子体处理后只产生两种产品：一种是有h 2 、 c o 、c h 4 等组成的可燃气体，另一种是由制浆化学药剂和碳粉组成的固体粉末，两种产 品不含二次污染物质。热等离子体技术能产生1 0 0 0 0 k 以上的高温，可使污染物迅速分 解，对废液的处理效率很高，尤其对多氯联苯( p c b ) 、剧毒农药六六六和生物技术及医 院等行业的高毒性与高传染性废液的处理有明显的先进性和优越性。针对这类废液的等 用于污染物处理的电弧等离子体电源研制 离子体处理技术代表有澳大利亚的p l a s c o n t m 技术，法国的电感耦合等离一：流化反应器 ( p l a s m af l u i d i z e d - - b e dr e a c t o r ) ，波兰的联合等离子体p c b 处理装置。我国的厦门 大学和香港浸会大学合作进行了电感偶合等离子体( i c p ) 技术的研究，建立了一套实验 室研究用低功率i c p3 - 作系统，该技术可能替代直流等离子体进行废物处理。 ( 3 ) 等离子体固体废弃物处理技术 城市的垃圾处理一般采用燃烧的方法，在焚烧炉中烧毁后，产生的灰成分呈低松密 度，还可能含有可过滤的大量的有毒重金属和有机类物质，对环境造成再污染。等离子 体技术正逐渐被应用于城市固体废弃物( m s w ) 和污水污泥( s s w ) 的处理。采用直流等离子 体对垃圾燃烧灰进行熔融处理，熔融效率极佳，垃圾燃烧灰熔融后，将熔渣投人水中做 成玻璃状颗粒，可再利用于道路铺装或混凝土的混合材料，二恶英等有害物质也被高温 分解掉，而且产生热量的5 4 可以回收利用。这种热等离子体废物熔融处理法还可以用 于金属资源的回收，如用于低含量锌的二次回收，从钽电容器中回收金属钽，以及处理 汽车尾气催化剂来回收金属铂等。高温突跃法处理城市污泥利用电弧等离子体产生瞬时 的高温突跃，电子温度可达数千度，在此高温下，污泥中有机物质发生快速反应，气态 产物主要成分为c 0 。研究表明：有机质的分解与水分解是相互作用的，适当的水分有助 于污泥的分解和转化，处理后的污泥达到了无害、无臭化和能源化。利用燃烧等离子体 处理固废物也在研究中，用该法可以除去废物中的二恶英，但相对费用高。 1 2 2 弧焊电源的发展和分类 本试验的电源部分采用逆变式弧焊电源装置的控制电路及主电路，下边简要介绍弧 焊电源的发展。 7 0 、8 0 年代，弧焊电源的发展出现飞跃：多种形式的弧焊整流器相继出现和完善， 研制成功多种形式的脉冲弧焊电源，为进一步提高焊接质量和适应全位置焊接自动化提 供了性能优良的弧焊电源。此外，还先后研制成功了高效节能，性能好的晶闸管式、晶 体管式、场效应管式的弧焊逆变器。随着新型弧焊技术的发展，弧焊电源也不断地得到 发展。 弧焊电源的分类无论是国内还是国外都有不同的分类方法，因此其结果也不尽相同， 主要有弧焊变压器、矩形波交流弧焊电源、直流弧焊发电机、弧焊整流器、脉冲弧焊 电源、弧焊逆变器等。 ( 1 ) 弧焊变压器 它把网络电压的交流电变成适用于弧焊的低压交流电，由主变压器及所需的调节部 分和指示装置等组成。具有结构简单、易造易修、成本低、效率高等优点，但其电流波 形为正弦波，输出为交流下降外特性，电弧稳定性较差，功率因数低，空载损耗小。 6 大连理工大学硕士研究生学位论文 ( 2 ) 矩形波交流弧焊电源 它采用半导体控制技术来获得矩形波，电弧稳定性好，可调参数多，功率因数高。 ( 3 ) 直流弧焊发电机 一般由特种直流发电机及已获得的所需外特性的调节装置等组成，优点是过载能力 强、输出脉动小，但空载损耗较大、效率低、噪声大、造价高、维修难。 ( 4 ) 弧焊整流器 它是把交流电经降压整流后获得直流电，外特性可以是平的或下降的，它由主变压 器、半导体整流元件以及获得所需外特性的调节装置等组成。与直流弧焊发电机比较， 它具有制造方便、价格低、空载损耗小、噪声小等优点，而且大多数可以远距离调节， 能自动补偿电网电压波动对输出电压、电流的影响。 ( 5 ) 脉冲弧焊电源 其焊接电流以低频调制脉冲方式馈送，一般是由普通的弧焊电源与脉冲发生电路组 成，也有其他结构形式。具有效率高、热输入较小、可在较宽范围内控制热输入等优点。 ( 6 ) 弧焊逆变器 它把单相或三相交流电经整流后，由逆变器转变为几百至几万赫的中频交流电，经 降压后输出交流或直流电。整个过程由电子电路控制，使电源具有符合需要的外特性和 动特性。具有高效节电、质量轻、体积小、功率因数高、控制性能好、动态响应快和实 时控制等独特的优点，是一种最有发展前途的普及型弧焊电源。 用于污染物处理的电弧等离子体电源研制 2 脉宽调制控制电路及其供电稳压电源 2 1 给控制电路提供功率供给的稳压电源的器件选择与设计 目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源，其稳压性 能好，输出纹波电压很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整 管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大、效率低。开关电源被誉为高效节能电源， 它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。由于开关电源具有功率 转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而成为稳压电源的主体， 并向着高频小型化、高效率、高可靠性的方向发展。随着科技的发展，开关电源的优势 更加显著，并广泛的应用到空间技术、计算机、通信、雷达、电视各种家用电器之中。 开关电源其内部电路工作在高频开关状态，故自身消耗的能量低，电源效率可达8 0 ，特别是1 9 9 7 年t o p s w i t c h 一1 1 系列产品的问世，极大地简化了1 5 0 w 以下的开关电源的 设计和新产品的开发工作，为新型、高效、低成本开关电源的推广与普及创造了条件。 t o p s w i t c h 一1 1 器件是一种将p v o a 和m o s f e t 合二为一的新型集成芯片。采用它制作三 端单片开关电源，不仅简化了电路，同时可以改善电源的电磁兼容性能，能降低制作成 本，它与普通线性稳压电源相比的优点在于它体积小、重量轻，并且密度高、价格低。 2 1 1t o p s w i t c h _ 管脚功能、工作原理 t o p s w i t c h i i 管脚功能如下： d r a i n 脚：输出m o s f e t 漏极接点。在启动时。提供内部偏置电流。 c o n t r o l 脚：占空比控制误差放大器输入端和反馈电流输入脚。在正常工作时，由内部并 联稳压器提供内部偏置电流，也可用作电源旁路和自动启动补偿电容的接点。 s o u r c e 脚：t o 一2 2 0 封装中，为输出m o s f e t 的源极接点，也是开关电源初级电路的公共点和 参考点；d i p 封装中，作为初级控制电路的公共点和参考点。 s 叫r c e ( h v r t n ) 脚：( 仅在d i p 封装有此引脚) 输出m o s f e t 源极接点。 由于t o p s w i t c h i i 的高集成化并采用低功耗的c m o s 电路。因而用它设计的开关电源 具有以下优点： 1 ) 成本低，使用元件数目最少： 2 ) 5 w 以上电源成本与线性电源具有竞争力； 3 ) 效率高，最高可达9 0 ； 4 ) 有自动重启动和过流及热保护功能； 5 ) 可用于正激或反激拓扑结构； 6 ) 输入电压范围宽。 8 大连理工大学硕士研究生学位论文 t o p s w i t c h 一芯片内部包括震荡器、误差放大器、门电路、高压功率m o s 管、过流 过热保护电路、自动重启动电路。通过设计合理的高频变压器和电压反馈电路，可以实 现输入输出隔离和高精度稳压。 根据负载功率的大小( 6 - 1 5 0 w ) ，t o p s w i t c h 一芯片有三种封装方式：t 0 - 2 2 0 、d i p 一8 、 s m d 一8 ，用户可根据需要进行选择。t o p s w i t c h 一芯片允许输入的电压范围极宽，但在 宽电压范围时其最大输出功率要比固定输入电压时低。t o p 芯片的开关频率为i o o k h z ， 占空比调节范围为1 7 - 6 7 ( 典型值) ，工作温度范围是0 7 0 2 。 t o p s w i t c h 一芯片内部各部分功能如下： 1 ) 控制端电压检测：启动时通过对控制端电压检测来决定芯片的工作方式，正常时通 过对电压的检测调节占空比； 2 ) 热关断：当管子过热时关断m o s ； 3 ) 上电复位：上电时关断m o s ； 4 ) 最大占空比：在最大占空比范围内允许m o s 导通； 5 ) 时钟：提供同步； 6 ) 电流检测：当流过m o s 管的电流超过允许值时，关断m o s ： 7 ) 前沿消隐：防止m o s 刚开通时电流的突然增大而导致电流检测电路造成的误动作；锯 齿波与比较电压一起形成p 吼波。 为了简化电路，t o p s w i t c h - 系列无需专门电路为其供电。因此其内部设有启动电 路，以便在正常通电、故障保护后启动芯片工作，然后通过偏置绕组形成的反馈电路保 证芯片的正常工作。 正常启动和故障时启动的工作原理分析如下： ( 1 ) 正常工作启动：接通电源后，芯片的d r a i n 端便有了直流电压，恒流源通过电子开 关向c o n t r o l 端供电。c o n t r o l 端外接电阻和电容，电容上的电压从o v 开始上升，当升至 5 7 v 时，电子开关打向。l ”端，电容通过此开关向内部电路供电，芯片开始工作，输 出p 喇波驱动m o s 管工作。由于输出电压不能瞬时建立，因而c o n t r o l 端电压会有所下降， 但由于史密特触发器的作用，在其降至4 7 v 之前，仍会通过电子开关对内部电路供电。 如果没有故障现象，几个周期后电路便趋于稳定，偏置绕组给c o n t r o l 端供电，然后通 过内部开关向芯片供电，从而使整个电路正常工作。 ( 2 ) 故障时自动重启动：现设输出短路，则输出电压将降为0 v 。偏置绕组的电压也降为 o v 。接在控制端电容上的电荷将放掉，史密特触发器“+ ”端电压将低于4 7 、，电子开 关打向。0 ”处，恒流源重新向电容充电，在内部计数器的作用下间隔8 个充放电周期后 通过电子开关向内部电路供电，此时若故障己排除，则电路重新开始正常工作。若故障 未排除，则重复上述步骤直至故障排除。 9 用于污染物处理的电弧等离子体电源研制 2 1 2 用t o p s w i t c h - 设计开关电源 设计步骤简介： 1 ) 确定所需的输入电压范围、输出电压值及精度要求、输出功率； 2 ) 确定最大占空比d m a x 、k r p ( 连续或不连续模式参数) ，选择符合要求的磁芯及 t o p s w i t c h = 3 ) 求得n p ( 主绕组匝数) ，n s ( 副绕组匝数) ，l g ( 气隙长度) i r m s ( 主副绕组电流有效值) ， i p ( 主副绕组电流峰值) ： 4 ) 确定其他元件参数。 有一些设计中需要注意的问题应特别注意： ( 1 ) 变压器初级的保护电路 由于高频变压器存在漏感会造成以下危害：一是造成开关电源的效率降低，二是过 大的漏感对m o s 管造成威胁，由漏感引起的过压与直流电压叠加如果超过m o s 管的击穿电 压将损坏m o s 管。在设计变压器时首先应尽量降低漏感，通过选择高质量的磁芯和合理的 主副线圈的缠绕顺序和方法可以达到这个目的。其次必须对漏感引起的过压进行吸收。 一般有以下两种方法：一是由瞬变电压抑制二极管和超快恢复二极管组成；二是由阻容 元件和超快恢复二极管组成。相比之下第一种方法中由于瞬变电压抑制二极管只吸收漏 感引起的能量，不吸收应传递给副边的能量，且其对尖峰电压的抑制不受输入电压和负 载的影响，因而可以较好的保证m o s 管的安全并使整个电源的效率不受影响。而r c d 吸收 电路在过载或输入电压超过规定值时有可能使漏极电压超出m o s 管的允许值，从而使芯 片损坏，所以第一种方法应作为优选方案。 ( 2 ) 输出电压精度 如果采用稳压二极管组成的输出电压采样电路，则输出精度可控制在5 内，如需 要较高的输出精度则可采用由t l 4 3 1 组成的采样电路，此时开关电源主绕组输出电压调 整率可达1 。应注意：光耦的反馈从输出滤波电感的前端引出，以避免由电感引起的相 移对整个控制系统的影响。与光耦中的发光二极管串联的电阻对整个控制系统的交流增 益有影响，应使用合理的阻值。阻值的确定可依据“5 法则”，即当电源工作在满负荷条 件下，其上的平均电压为输出电压的5 。电压则从输出滤波电感的后端引出，从而使负载 调整率考虑到滤波电感直流电阻的影响。 ( 3 ) 设计多输出开关电源 设计多输出开关电源时应注意一般电源只能对一个副绕组的电压进行精确控制，而 其余副绕组的精度则较低。这是因为其余副绕组的负载变化对主控副绕组电压的影响是 间接的。如果副绕组的电压精度要求较高，可以采用线性集成稳压器，此时由于副绕组的 电压已经有一定的稳定度，线性稳压器的输入电压略高于额定输出电压即可，从而可以 大连理工大学硕士研究生学位论文 降低线性稳压器的损耗。 若有两路绕组对输出电压的要求相近且精度要求不是很高，则可以对两个绕组采用 取样到同一反馈回路的方法。 ( 4 ) 光耦的选择 在使用t o p s w i t c h - l i 制作开关电源时对光耦的选择应注意如下问题：由于光耦处在 反馈通道中，因而其电流传输比对系统的稳定性有一定的影响，若电流传输比过大，则会 造成系统的不稳定，输出电压会震荡。设计参考中规定电流传输比应界于5 0 9 6 2 0 0 之间。 第二代t o p s w i t c h 开关比第一代的性能更优越。输入电压分别为1 1 0 1 1 5 2 3 0 v 时输 出功率范围由i o o w 扩大到1 5 0 w ；输入电压为8 5 2 6 5 v 时输出功率范围由5 0 w 扩大到9 0 w 。 该器件的应用领域也有所拓宽，可用于t v 监视器、视听放大器等。芯片内的许多电路都 作了改进，使开关电源设计更加容易。该器件有两种封装形式。在8 引脚d i p 封装中，有6 个引脚可用于热量扩散，芯片的热量可直接送至印刷电路板。t 0 - 2 2 0 封装，只有3 个引脚， 使用方便。该器件由m o s f e t 、p 删控制器、高压启动电路、环路补偿和故障保护电路等 部分组成。 下面将以本电路为准，介绍基于t o p s w i t c h 的反激式d c d c 电源的各主要参数的选 取，电路如图2 2 所示。 ( 1 ) c ，的选取 整流滤波电容c 1 用于稳定整流后的直流电压，假设系统允许有2 0 9 6 的脉动，整流二 极管导通时间为4 m s ，则c 1 由下式决定 c 1 = 翌凸掣b 4 ( 2 1 ) 2 u c 删2 ( 1 k 2 ) 式中，t l 眦为交流输入电压的周期；t d c m 为周期内整流二极管的导通时间；u a c m n n 为系 统的最低输入电压；k 沩电容两端的最小电压与最大电压之比，通常情况下c l 取2 3 倍的p 州( 单位为师) 。计算可得c i = 1 0 0 n f 。 ( 2 ) t o p s w i t c h 的选取 通过p o w e r 公司提供的t o p s w i t c h 资料可知，在宽电压输入范围内，由芯片 t o p s w l t c h 2 2 4 构成的反激式开关电源，其输出功率可达3 5 w ，符合设计要求。因而本设 计采用t o p s w i t c h 2 2 4 y 。 芯片t o p s w i t c h 2 2 4 y