（环境工程专业论文）等离子体应用中高压脉冲电源的研制.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 l 脉冲功率电源是低温等离子体技术在环境工程应用中的关键设备，其总体能量转 化效率和脉冲功率的容量是影响等离子体技术工业化应用的重要因素十 本文首先综述了一系列典型的脉冲电源回路，以及当前国内外脉冲电源研究的最 新进展，提供了了几种新的电源结构。结合脉冲功率电源在环境工程应用中的要求和 以往的设计经验，提出了新的设计思路。 在研制处理垃圾渗滤液的实用化电源中，分别对高压脉冲放电回路的原理电路进 行了数值分析和仿真分析。f 根据分析结果，对电路进行了具体的改进措施。在电源控 制回路中的设计中，考虑了一般的电路保护项目，加入了零电压启动的闭锁回路，并 利用r o g o w s k i 线圈实现了放电电压幅值的自动保护功能。最后针对现场运行时复杂 的放电环境，提出了绝缘匹配方案。、l 在脉冲高压开关电源的研制中，给出了电源的总体设计方案。在其中的b u c k 变 换器设计中，首先通过数值计算，给出电路元件的参数，然后利用s i m u l i n k 对电路仿 真分析，发现功率晶体管在开关瞬间在集一射极之间有浪涌电压出现，根据结果对电 路加入了保护电路。( 经电路实验，验证了电路保护设计的成功；在半桥逆变回路设计 部分，给出了电路的原理分析，依据电路设计参量选取了相应的电路参数；高频高压 变压器作为半桥逆变回路的关键设备，影响着电路工作的可靠性和性能，主要针对它 进行了具体的设计和分布参数分析。1 关键词：脉冲功率电源r o g o w s k i 线圈、b l l c k 变换器；半桥逆琴高频变压器 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ed i s s e r t a t i o ni sd e v o t e dt ot h es t u d i e sa n dd e s i g no np u l s ep o w e rs y s t e mf o rt h e a p p l i c a t i o no f p u l s e d c o r o n ap l a s m ai nt h ef i e l do f e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g i nt h ef i r s t p a r t t h ea p p l i c a t i o n a n dm e c h a n i s mo fp u l s e dc o r o l l ap l a s m ai n e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n gi sd e m o n s t r a t e d , t h u s ，t h en e c e s s i t yo ft h e r e s e a r c hw o r k c o n c l u d e d i nv i r t u eo f r e v i e w i n gi n t e r n a t i o n a ld e v e l o p m e n t a n da d v a n c e so nh i g hv o l t a g e p u l s e dp o w e rg e n e r a t o r , o n ep u l s e dp o w e r s y s t e ms c h e m e i sp r o p o s e d t h es e c o n dp a r tc o n c e n t r a t e so nd e v e l o p i n ga l li n d u s t r i a l l y a v a i l a b l ep u l s ep o w e r s y s t e mf o rt h ep r e t r e a t m e n to f l a n d f i l ll e a c l m t e t h ep r i n c i p a lc i r c u i ta n di t sn u m e r i c a l & s i m u l a t i v ea n a l y s i sa r ep r e s e n t e d a c c o r d i n g t op r a c t i c a lr e q u i r e m e n t sr o g o w s k iw i n d i n gi s u t i l i z e dt oc o n f i n et h ed i s c h a r g ev o l t a g ea m p l i t u d ea u t o m a t i c a l l y i nc a s eo fb r e a k d o w ni n t h er e a c t o r s t h ep r a c t i c a li n s u l a t i o nm a t c h i n gp r o b l e m i st a k e ni n t oa c c o u n t t h et h i r dp a r tm a i n l yd i s c u s s e sd e v e l o p i n gh i g h _ v o l t a g ep u l s es w i t c h i n gp o w e rb y p o w e rs e m i c o n d u c t o r s t h ep a r a m e t e r s o fc i r c u i t c o m p o n e n t s i nb u c kc o n v e r ta r e c a l c u l a t e d b ym e a n so f s i m u l a t i o nw i t hs i m u l i n kf o rt h ec o n v e r t e r , b u g si nt h ec i r c u i ta r e f o u n da n dt h e nr e m e d i e d i nt h el l a i o r i d g ei n v e r t e r , b e s i d e sc o m p o n e n t s s e l e c t i o nt h e d e s i g na n dp a r a s i t i cp a r a m e t e r sc a l c u l a t i o no f au g h v o l t a g eh i g hf r e q u e n c yt r a n s f o r m e r w h i c hi st h ek e yp a r to f s u c hi n v e r t e r sa r em a d e i nd e t a i l s k e y w o r d s ：p u l s ep o w e rs y s t e m h a l f _ _ b r i d g e i n v e r t r o g o w s k iw i n d i n g b u c kc o n v e r t h i g l lf r e q u e n c y t r a n s f o r m e r i i 华中科技大学硕士学位论文 i 绪论 随着人类文明的发展，生产力的不断提高，矿物燃料的消耗逐年递增，导致了s 0 2 和n o x 的大量排放，由于我国能源结构的特殊性，情况更加严重；同时它与工业和生 活污水的排放一起破坏人类的生存环境，危害着人们的身体健康。 近年来，在环境污染物治理的研究中，不断涌现出多种高新技术，如：超声波、 超临界流体、中空纤维膜分离技术、反渗透技术、光化学氧化法、光催化氧化法、催 化湿式氧化技术等，大多尚处在研究阶段，也有些已经进行了中试，少数达到了工业 化的水平。 i i 低温等离子体在环境工程领域的应用概况 等离子体是物质存在的第四种形态，按热力学平衡状态，可分为平衡态等离子体 ( e q u i l i b r i u mp l a s m a ) 与非平衡态等离子体( n o n - t h e r m a le q u i l i b r i u mp l a s m a ) 。所谓 平衡态等离子体，其电子温度t e 和离子温度t i 相等时，等离子体在宏观上处于热力 学平衡状态，体系温度可达到上万度，故又称之为高温等离子体( t h e r m a lp l a s m a ) 。 当电子温度t e 离子温度t i 时，其电子温度可达i 0 4 k 以上，而离子和中性粒子的 温度只有3 0 0 5 0 0 k ，整个体系的表观温度还是很低，又称为低温等离予体( c o l d p l a s m a ) 。 在2 0 世纪6 0 年代产生了等离子体化学，它利用等离子体放电来实现一定化学反 应的。作为一门交叉学科，等离子体化学涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应 工程学、高压脉冲技术等领域。近十五年来，低温等离子体逐渐被用于支持污染控制 和可持续发展战略，成为国内外学者研究的热门之一，处理领域从除臭、室内空气净 化到烟气脱硫等方面，尤其对有毒及难降解物质应用前景更好。【l 卅。 ( 1 ) 汽车尾气治理净 汽车尾气有s o 。、n o x 、c o 及微尘，危害人体健康，西安交通大学应用脉 冲电晕等离子体活化法来控制尾气的排放。研究表明，与其他方法相比，净化 效率高，去除率可以达到8 0 以上，能够满足日益严格的排放标准，而且不产 生其他的有害气体，负效应少，突显等离子体活化法的优越性与先进性。特别 是，采用高压超窄脉冲流注电晕放电可使c o 的氧化脱除率达8 0 以上。不过， 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = = = ；= = = = = ；= = = = = = = = = ；= = = 自 反应器的结构尺寸和反应器与脉冲电源的匹配对c o 的氧化脱除有很大影响， 它决定能量的转化利用率；由于车载的考虑，还要求高压电源小型化。总之， 对电源的各种电参数和尺寸都有严格的要求， ( 2 ) 烟气脱硫 我国的能源构成以煤炭为主，煤直接燃烧释放出大量s 0 2 ，造成大气环境污染， 加大火电厂s 0 2 的控制力度显得非常紧迫和必要。降低s 0 2 排放的方法根据不同的控 制点位置可分为三类：一类是燃前脱硫，例如微波法煤炭脱硫技术和高硫煤强磁分离 技术：另一类是燃烧中脱硫，例如喷石灰石粉直接入炉法；还有一类，也是应用得最 为广泛的一类，即燃后脱硫，也称烟气脱硫技术( f g d ) ，这类方法中应用较广的是 湿式石灰石石膏法，此法存在二次污染、设备腐蚀、工艺复杂等间题，投资和运 行费偏高。烟气脱氮的方法主要是氨气接触催化还原法，但烟气粉尘控制严格，所以 探求一种技术上先进，经济上合理的脱硫脱硝新工艺一直是环保界关注的焦点。 目前，一种以在烟气中产生自由电子和活性基团为特征的新方法得到了很快发 展，该法主要有两大类：电子柬法( e b a ) s l 和将脉冲功率技术与等离子技术相结合 的脉冲电晕等离子法( p p c p ) 1 9 。1 0 h ”，前者在二十世纪七十年代由日本荏原制作所 提出，它利用高能电子柬( 5 0 0 - - 8 0 0 k e v ) 辐射烟气。使烟气中0 2 和水蒸汽等产生分 解，生成o 、o h 等活性自由基，将s 0 2 氧化后，与氨气反应生成氨肥，其脱硫率和 脱硝率分别可达9 0 和8 0 。但该法需昂贵的电子加速器，处理单位体积烟气的能耗 也较高，并要求有x 射线屏蔽装置，难以大规模推广。 后者是在电子束法的基础上发展起来的，不同的是利用脉冲电晕放电产生高能电 子( 5 - - 2 0 e v ) 【l i 】，省去电子加速器，不存在辐射防护。它由s m a s u d a 和a k i r am i z u n o 首先提出。当治理大流量工业废气( 比如烟气脱硫) 时，由于废气中污染物浓度不高， 我们不希望在净化废气的同时，使气体的温度升得很高而浪费电能。利用脉冲电晕等 离子体法产生5 2 0 e v 能量的活化电子，轰击气体污染物；同时，产生大量的o 、 o h 等活性自由基团，在电场局部区域造成氧化或还原氛围，进行氧化还原反应，促 使污染物发生解离，能量效率比e b a 高二倍，投资是e b a 法的6 0 ，成为国际上千 法脱硫脱硝的研究前沿。 低温等离子体技术的工业化应用的关键是在保证污染物去除率的基础上，降低能 耗。h 前r 本、意大利、荷兰、美国都在积极开展研究，已建成1 4 0 0 0 n m 3 m 的试验 装景，能耗1 2 - 1 5 w h n m 3 i 捌。我国在“八五”期间，“脉冲等离子体加氨脱硫”方 2 华中科技大学硕士学位论文 = ；= ；= = = # = = = = = 自；= = = = = = = = 一一： 法被列为重点科学基金项目；“九五”期间，科技部又投资于该项目的中试研究。不 过，此法离实用化尚有差距，存在的主要问题有：高功率、长寿命纳秒级高压脉冲电 源的研制，反应器结构优化，高温氨盐的回收、运行费用的降低和氨泄漏等问题。 ( 3 ) 废水处理1 1 6 ”j 脉冲电晕法进行废水处理是通过在气液两相体中放电，产生与水充分接触的非平 衡等离子体，造成一种既有高能电子，又有紫外照射及臭氧作用的强氧化氛围的水处 理环境，进而氧化、降解有机物，使污染物转化为低毒或无毒物质。华中科技大学已 将它成功地用于印染废水的脱色上，并针对硝基苯及焦化废水展开应用研究。目前， 此技术要获得进一步的应用，首要解决能耗和去除率。 总而言之，在众多的环境污染治理新技术中，等离子体作为一种高效率、低能耗、 使用范围广、处理量大、操作简单的环保新技术，利用还原、氧化降解等反应，处理 有毒及难降解物质，将之转化为低毒或无毒物质，有其独到之处，在油水脱离、食品 保鲜、臭氧制造、核废料处理、烟气脱硫、废水处理等环保领域已取得了积极的进展， 具有广阔的应用前景。但若广泛应用于工业生产尚须作更深入及更系统的研究，在能 效上有所突破。 1 2 研究脉冲等离子体电源的必要性及国内外研究概况 1 2 3 研翩脉冲等膏予体电豫的必要性 在利用低温等离子体烟气脱硫和污水处理时，根据作用机理，必须满足以下两个 基本条件： ( 1 ) 脉冲电场要使电子在自由行程内得到的能量足以有效地激活反应物，产生 各类活性自由基团，促进s 0 2 或水中有机物的解离； ( 2 ) 外加电场还要将对电子施加能量的时间控制在一定范围内，保证在此时间 段内电子得到很高的能量，而其它离子则处于刚起动状态，得到的能量很低，外界提 供的能量即终止，从而在常温常压状态下抑制气体或液体的温度上升，提高能量利用 率。 由此可见，产生此种放电的唯一手段是利用脉冲功率技术产生的前沿陡峭的窄脉 宽高压脉冲供电，激发高能电子。所谓脉冲功率技术是指将很大的能量( 通常为几十万 焦耳至几十兆焦耳) 储存在储能元件( 通常为电容器、电感器等) ，然后通过快速开关( 动 作时间在纳秒量级) 将此能量在纳秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高瞬时功率 3 华中科技大学硕士学位论文 = = g = = ；= ；= = = ；= = = # = = ；= ；= = = = ：= 的电物理技术。 当前在污染排放控制方面，重复频率脉冲功率技术及系统的总能耗是脉冲功率电 晕等离子体工业应用的主要瓶颈。脉冲功率电源是实现脉冲功率技术的关键，涉及到 脉冲功率发生系统分析，脉冲陡化和调制系统，脉冲电源系统与负载匹配，快脉冲放 电的生物、医学效应，高重复频率、长寿命开关，高贮能密度、小体积、长放电寿命 无感电容器，高效脉冲变压器等方方面面的内容。它的性能和电参数( 脉冲的幅值、 宽度、前沿、重复频率) 直接决定反应器内等离子体状态( 电子温度、离子温度和密度 分布等) 、活性粒子的产率及整个系统的能量利用效率，最终影响脉冲电晕等离子体处 理效果【1 41 5 1 6 1 。因此，有必要结合我们的实验要求和工业应用探索，对脉冲功率电 源进一步展开研究。 1 2 3 脉冲电源的一般设计及存在的问曩 一般高压脉冲电源都是采用直流高压电源向电容充电，再经脉冲成形回路，由高 压触发开关触发脉冲的方案。其中触发开关有旋转火花、自击穿火花间隙开关及磁开 关等。纳秒缴脉冲电源根据脉冲成形回路和触发开关的不同，主要有m a r x - - g u i l l e m i n 发生器、脉冲变压器式电源、空心变压器( t e s l a ) 谐振充电式、磁脉冲压缩式、b l u m l e i n 传输线式几种1 1 7 】。 ( 1 ) m a 玎( 一g u i l l e m i n 发生器 g u i l l e m i n 电路常用于产生方波脉冲，可以向时变或恒定负载输送恒定电压脉冲；与 m a r x 电路相结合，就构成可产生高电压大功率的m a r x - - g u i l l e m i n 发生器，特别适用 于产生高压方波脉冲。图1 2 所示由一级m a r x 电路和五级c 型g u i l l e m i n 电路构成 的m a r x g u i l l e m i n 发生器。 图l - 2m a r x - - g u i l l e m i n 发生器 ( 2 ) 脉冲变压器式电源 在脉冲技术中，采用脉冲变压器产生脉冲是常用方法之一，通常它在不高的功率 4 华中科技大学硕士学位论文 下工作。此外，脉冲变压器还可用于级间耦合、阻抗匹配和极性转换等。在脉冲功率 中用脉冲变压器产生高能脉冲是上世纪六十年代后期由马丁提出的。所用变压器即马 丁空气芯脉冲自自耦变压器，其原理电路见图1 3 。直流高压电源d c 通过电感l 和 变压器t 对电容c 谐振充电到峰值后接通开关s ，使电容c 放电形成脉冲。脉冲变压 器式电流技术较为成熟，但因采用了变压器铁芯材料而限制了脉冲前沿的陡度。应用 中，为得到较高的输出电压脉冲，不仅变压器漏感要尽可能小，而且电容器和开关s 的电感也要尽可能小。 一l 石。i “ s f 1 t r 图i - 3 脉冲变压器式电源原理 ( 3 ) t c s l a 谐振充电式电源 典型空心变压器( t e s l a ) 谐振充电电源原理见图1 3 ，c i l l 和c 广l 2 构成双谐 振回路，c 3 一s 3 用于压缩脉宽。空心变压器式电源可得到快速上升的脉冲，但受大电流 脉冲形成开关( 如火花间隙、赝火开关和电晕稳定开关等) 的限制，其使用寿命短。 太c 。 载 图l 一4 空心变压器式脉冲电源原理 ( 4 ) 磁脉冲压缩电源 磁压缩电源的关键元件是磁开关，基本原理是利用了铁磁材料饱和时，其饱和磁 导率( ) 要较铁磁材料未饱和时的未饱和磁导率( 心。) 小数个量级，构成非线性可饱 和电感器和复位线路等组成的阻抗变换系统。 利用采用磁开关作为脉冲形成线的脉冲成形开关，将脉冲逐级压缩，可得到前沿 小于5 0 纳秒，脉宽几百纳秒，幅值达到几百千伏的脉冲电压。尽管磁开关实际具有 塑高的可靠性( 可承受1 0 9 到1 0 “脉冲) ，但由于由峰值电压激发闭合，不可能大范围 华中科技大学硕士学位论文 调整磁开关的伏秒数，脉冲的幅值和脉宽都相对比较固定。 s a n d i a 国家实验室的r h e p p ( r e p e t i t i v eh i g he n e r g yp u l s e dp o w e r ) 模块( 见图1 - - 7 ) 【1 8 】，就是利用磁开关的饱和特性，将脉冲脉宽由8 4 m s 逐级压缩至1 5 “s ，电 压从1 5 k v 升到2 7 0 k v 。 图1 7磁脉冲压缩式脉冲电源【l ” ( 5 ) b h m a l e i n 传输线脉冲电源 它是利用传输线的分布参数和波的折、反射原理获得方波脉冲，再用脉冲变压器 或者连接成叠积式，产生高幅值的输出脉冲电压。采用图l - - 8 ( 1 7 1 中电路，电气参数 已可达到：开路电压1 5 0 k v ，短路电流3 k a ，输出脉宽2 0 0 n s ( 匹配时) ，脉冲重复频 率1 0 h z 。不过此种电源的输出特性不好。 图l 一8 叠积式b l u m l e i n 脉冲发生器i j 随着脉冲功率技术在工业、民用等领域的应用日益广泛，国内也有很多学者从事 等离子体脉冲功率电源的研究，如清华大学、华中科技大学、哈尔滨工业大学、大连 理工大学、北京理工大学等。本课题组在以往的科研试验中，对重复频率纳秒级高压 脉冲电源做了不少研究，自行研制的脉冲电源，其性能指标已可达到脉冲电压幅值 4 0 k v ，前沿3 8 n s ，脉宽7 2 n s ，电晕电流脉冲幅值1 8 7 6 5 a 。 目前纳秒级脉冲电源技术工业化的主要障碍：脉冲电源和反应器负载的有效匹配 6 ，、 冬l枣聱 华中科技大学硕士学位论文 问题没有解决；产生重复频率脉冲电压的开关寿命短；可靠性设计水平不高：电源系 统的能耗高、功率密度低；直流高压充电电源部分对输入电压波动的适应性较差，其 输入的功率因数较低，电源的品质和效率低下。有必要借重于其它学科的发展，寻找 新的手段来帮助解决这一系列问题。 1 2 4 脉冲电源的发晨趋势 通常脉冲电源所用的直流高压充电器主要由工频升压整流获得。随着功率半导体 开关器件制造水平的不断提高，已额定工作电压1 2 0 0 v 3 3 0 0 v 、额定电流5 0 a 1 2 0 0 a 的产品问世，逐渐应用于高压领域，出现了使用i g b t 的串联调节再高频逆变 升压整流、高频整流( a p f c ) 一高频逆变升压整流两种拓扑电路。由此，直流高压 电源系统在总体体积和重量方面得以小型化和轻量化，并具有高滤波效率高功率因 数、宽稳压范围、高功率转换效率、高可靠性等等优点。 ( 1 ) 当前国内外脉冲电源发展动态 借助于电力电子的发展，脉冲功率技术在原有电路拓扑结构基础上发展出新的脉 冲电源拓扑电路结构。文【1 9 1 提出一种产生电晕等离子体的高压脉冲发生器，见图l 一9 。它利用晶闸管组成滤波整流电路对低压储能电容c l 充电，并用晶闸管触发，经 脉冲变压器，高压储能电容c h 充电，利用火花间隙触发脉冲的。 型l 一9 高压脉冲发生器和线筒反应器( 1 9 i 华中科技大学硕士学位论文 其中，t l t ( t r a n s m i s s i o nl i n et r a n s f o r m e r ) 用于限制二次电流损耗，避免火花 间隙开关工作不匹配及其对脉冲的前沿时间和电压的影响。设计结果达到如下指标： 脉冲电压幅值3 0 1 0 0 k v ，前沿时间为1 0 2 0 n s ，脉宽1 0 0 2 0 0 n s ，重复频率1 9 0 0 p p s ，单脉冲能量为o 5 1 2 j ，系统平均功率达到1 0 k w 时，总体能量转换效率达到 了8 0 9 0 。 由于功率半导体器件开关寿命明显长于火花间隙、真空管，尽管不能直接用于高 压快脉冲，也已在电压放大和脉冲压缩环节中开始使用。文【2 0 】提出两种利用电力电 子器件和非线性电容实现高压脉冲输出的电路，如图1 1 0 、l 一1 l 。 图1 1 0i g b t 和电感构成的脉冲电源【2 0 】 图卜一1l r s d 和非线性电容构成的脉冲电源 2 0 1 前者利用电感储能、i g b t 作为开关，由1 6 0 v 的低压产生脉宽3 3 0 n s 、脉冲电流达到 3 7 0 a 、电压峰值为8 1 0 k v 的高压脉冲；后者产生的脉冲，其参数为电压峰值5 6 k v 、 脉冲电流6 6 k a 、脉宽4 0 0 n s 。它们均可作为实验研究之用。 此外，为缩小脉冲变压器体积，提高储能元件充电电源的效率，将逆变电路也应 用到了高压脉冲电源的设计中来。中国科学院等离子体物理研究所【2 1 1 2 0 0 k e v 离子柬 生物工程中2 0 k w 2 0 0 k v 高压赢流开关电源的设计方案就是前级用可控硅串联调节稳 压，再经高频逆变器和高频高压脉冲变压器，整流滤波后得到高压脉冲。美国非热处 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 理食品加工研究中心田】在采用高压脉冲电晕技术研究食品保鲜时，给试验平台的脉冲 电场( p e f ) 发生装置开发高压脉冲发生器也是选择直流电高频逆变升压的设计方案， 见图l 一1 2 1 2 2 1 。 图l 一1 2 高压脉冲发生器功能框图 ( 2 ) 脱硫用高压脉冲电源的发展概况 最先用于脉冲放电脱硫研究的电源由s m a s u a d a 提出田l ，其采用旋转火花开关， 基本电路图如图1 1 3 所示。 图l - - 1 3 带旋转火花开关的高压脉冲电源口3 l 后来，g d i n c l l i 等人【2 4 】在进行工业脱硫试验中设计了一套电源，其回路如图l - - 1 4 ： 回路3 图1 1 4 使用品闸管的脉冲电源【2 4 l 9 华中科技大学硕士学位论文 图中回路1 是一个谐振回路，谐振频率1 0 k h z ，此谐振回路通过变压器t l 给c s 充电到3 0 k v 。然后，在回路2 中，一旦闸流管t h l 动作，就通过变压器t 2 产生1 8 0 k v 的脉冲高压输出，再通过放电间隙开关s g 陡化脉冲上升沿，在反应器上产生上升时 间为2 0 0 4 0 0 n s 的脉冲电压。此回路存在的问题主要有：直流回路部分未加电压稳定 装置，无法适应输入电压和烟气工况的变化：谐振回路采用晶闸管作谐振开关，由于 晶闸管的开通一般为几个到几十s ，导致晶闸管的损耗较大，使得电源效率难以提 高。 1 9 9 8 年由e r w i nh w 和m s m u l d c r s 等人设计完成一套脉冲电源。其回路如图 1 - 1 5 所示： z 3 出 图l - 1 5 谐振充电式脉冲电源 此回路利用t 1 、l l 给c l 谐振充电，再通过t 2 的动作谐振放电，由脉冲变压器 将电压提高到2 5 - 3 5 k v 给高压电容c u r 充电。在高压开关s l 动作后，通过4 级串级 电缆变压器将电压提高到1 6 0 k v ( 无负载，有负载时为1 0 0 k v ) 。该电源设计巧妙利用 了脉冲电压的反向电压来触发高压开关。存在的问题有： ( 1 ) 电缆寿命严重影响了该电源的运行寿命，现阶段无故障时间为3 5 0 小时， 作者计划提高到2 5 0 0 小时。这与用户所要求一年的维修周期还有一定差距。 ( 2 ) 电源效率还有待进一步提高。在低压滤波整流环节，可考虑利用开关电源 技术，通过有源滤波，一方面降低对电网的污染：另一方面，在电源的体积、重量和 效率上得到优化。 本课题组在总结以往烟气脱硫中所用电源的问题( 体积大，高噪声、电源参数不 易调节等等) ，基于开关电源具有的诸多优点以及脉冲电晕放电应用中在高压脉冲电 源的参数( 放电电压幅值、重复频率脉宽等) 选取上有一个最优选择的问题，决定采 l o 华中科技大学硕士学位论文 用功率变换技术，提出了一套实用化脉冲电源的总体设计方案。其中，按照模块化设 计的思想，使电源的各个组成部分能够独立出来单独使用。如此，不仅便于凋试以及 将来的维护，还利于增强电源的可靠性、灵活性和可扩展性。 1 3 课题的来源和本论文的主要工作 近二十年来，随着我国工业化进程，能源结构不合理造成的燃煤烟气超量s o ：和 典型工业、生活污水的排放已严重威胁着人民的身体健康。华中科技大学环境工程系 李劲教授提出了用脉冲电晕等离子体水处理和烟气脱硫的新思路。本课题组主要从事 等离子体烟气脱硫及污水处理的应用研究。 华中科技大学环境工程系于1 9 9 3 年提出了放电等离子体氧化还原脱硫技术的新 构想，利用流注电晕产生的非平衡等离子体的活化作用加氨去除烟气中的s 0 2 ，于 1 9 9 5 年得到了国家环境保护局科技司立项支持。随后，广东省电力试验研究所又对此 项目给予横向立项支持，后因氨的制备和泄漏经济上难以解决，反应产物经济价值和 利用的价值低，而研究中发现存在如下反应： 附2 c o 整皇竺堑竺- 2 c t h + s 催化剂 。 根据此原理，本课题组由氧化脱硫转到还原脱硫的思路上来，并连续数年得到武 汉市科委的立项支持，这是本课题的项目来源之一。 对于如垃圾场渗滤液这样的污水，成份复杂，难以降解、有毒、致癌、致突变， 一般的水处理技术又达不到很好的效果。目前基于强氧化基团作用机理提出了光氧化 法、非平衡等离子体脉冲电晕放电法。本课题的另一来源就是广东省中山市公共事业 局垃圾场渗滤液处理技术改造中放电等离予体预处理装置的研制项目。 目前，脉冲电晕脱硫、处理废水的技术还不成熟，电源各项电参数对等离子体反 应的产物的影响还不是很明朗，现在所用的电源可控性差、运行不稳定、不易搬运， 不利于现场试运行。有必要总结以往的探索，结合当前研究的新要求，研究一套新的 脉冲电源，并为电源的实用化做前期工作。 由于课题有一定难度，而时间又有限，必须分阶段完成。根据课题组的计划，作 者的主要工作是研制一套实用化水处理用高压脉冲电源；针对目前所用电源的缺陷， 利用电力电子技术研究研究一套新的高压脉冲电源：然后，将电源与催化剂相结合， 研究催化剂载体与电晕放电的配合问题。本论文完成的主要内容如下： 华中科技大学硕士学位论文 ( 1 ) 中山市渗滤液处理用高压脉冲电源的研制： ( 2 ) 研究高压纳秒级脉冲电源的前级充电回路部分( 包括整流、逆变、倍压整 流部分) ： ( 3 ) 研究逆变电路所用中频高压脉冲变压器： ( 4 ) 对电源的进一步研究开发提出建议，并对全文的工作进行总结。 1 2 华中科技大学硕士学位论文 2 实用化废水处理用毫微秒高压脉冲电源的研制 2 1 前言 传统的废水处理方法主要有物理方法、化学方法及生物化学方法。生物方法用于 处理工业污水和生活废水，虽有其成本低、操作运行管理方便等特点，但同时法存在 着占地面积大、污泥处理及二次污染等问题，在一些难生物降解的工业废水及对生物 有毒性的污水处理方面问题尤其突出。 近年来，将高电压脉冲功率技术应用于难处理的工业污染物及其污水的深度处理 的研究，引起了国内外学者们的广泛关注 2 6 - 2 哪。该方法利用放电产生的低温等离子体， 以及高能电子激发产生高氧化活性强氧化物质( o h 、o 等自由基) 的作用和紫外光 辐射，达到破坏污染物分子结构，降解难生物降解的污染物，提高可生化性和处理效 率。该法对处理对象无选择性，适用范围广，通常可以有效地将污染物彻底氧化降解， 而且不依赖于环境温度和压力，不存在二次污染问题，展现出良好的应用前景【3 “。 由于水的直流电阻很低，根据要在水中施加足够高的电压，放电产生瞬时高能电 子束，需要一个可以产生纳秒级陡脉冲前沿的高压电源。 2 2 高压脉冲电源的基本原理 脉冲电源工作的实质，就是将能量储存起来，再由开关瞬时释放。根据储能元件， 脉冲电源可分为电感储能和电容储能，后者作为产生高压强电流脉冲放电的脉冲功率 成熟技术，再配合脉冲放电成形回路，可将输出脉冲的前沿控制在一百多纳秒以内， 整个脉冲半高宽大约数百纳秒左右。原理如图2 1 叩，在充电回路中，经自耦变压 器和高压变压器升压输出后，通过高压硅堆整流。将能量储存在电容器c 中；在放电 回路中，利用间隙开关的击穿场强触发接通，使已充电的电容器对负载放电，在负载 上产生高压的大电流脉冲。 华中科技大学硕士学位论文 a c t 1 ：自耦调压器；t 2 ：高压变压器；d ：高压硅堆：r o ：充电电阻 c l ：储能电容器；g ：隔离间隙开关；b ：波尾电阻， 图2 1电容储能式高压脉冲电源原理 2 3 高压脉冲电源的数值分析 间隙击穿导通之后的瞬间，反应器尚未起晕，可视为一个静态电容；隔离间隙击 穿之后，由于击穿电流在它上面造成的热效应，可等效为一个低值电阻：传输线按分 布参数考虑，得到图2 - - 2 所示近似等效电路。其中，c l 为储能电容，墨为隔离间隙 的等效电阻，l 、c 、r 分别为考虑分布参数和等效因素之后传输线和负载的电感、电 容与电阻之和。 i l + c i ：储能电容：r i ：隔离间隙等效电阻；岛：波尾电阻；：传输线的分布电感； c ：传输线与反应器的分布电容之和；r ：传输线与反应器的电阻之和； 图2 - 2 初放电时回路等效电路模型 由上述脉冲放电的等值电路模型，作如下的数值分析口8 】： 由于在脉冲触发初期，岛远大于线路的阻抗，可视为开路。令墨+ r = r o ， 1 4 感 d t 华中科技大学硕士学位论文 虬：善+ 晾讽 a t f _ c 鱼 出 i = - c l 堕 西 初始条件：t = o 时，u c ( o ) = ，u o ( o ) = o ，i ( o ) = o 解此方程组，得： 式中 万d 2 i + 民罢+ 丁i = 。 则 当例 c o o ，处于过阻尼状态时，有 砸) = ( k l 三- l k ：) o l ( e x ：_ e t c 2 t ) 州归南( 等一等 ( 2 1 ) 油等弓2 丽地糯卢廊， 当蚓 o j o ，处于欠阻尼状态时，有 f ( f ) = e 8 t $ i i l 耐 州归器一器a , o i i i ( 耐卅 厅 石f，c 2 i 国。i 4 l - 菰q 2 。 刊厨：( c l + c ) 一一鑫q _ 了o ) o 譬， k 。：= 一6 t t 蕊。= t 砑t 9 8 ：一| 6 t ，：脉冲前沿上升时间 但是，当d o 升至负载( 也即反应器) 的起晕电压，流注贯穿之前，反应器内的放电间隙 l s 华中科技大学硕士学位论文 分解为两部分，如图2 - - 3 ，其一是高压电极与发展的主流注前沿之间的部分，它是流 注发展的部分，视为导电区域，等效电阻彤( r ) ，承受的电压为“。( r ) ；其二是主流注 头与地电极之间的部分，呈容性( c ，) ，压降为如( ，) 。 c o ：传输线分布电容；c l ：储能电容；c j ：流注头到低压电极的等效电容； r i ：隔离间隙等效电阻：r 2 ：波尾电阻；也：流注等离子体的等效电阻； 三：传输线的分布电感；r ：传输线的电阻 图2 - 3 反应器起晕后放电回路等效电路模型 根据图2 4 所采用的电极结构，当电晕稳定发生时， ( r ) = e d ( t ) ， d ( f ) = o t 式中e ，：流注电晕内部场强( 正极性时，e s s = 7 k v s ；负极性时，e = l o k v s ) ， d ( o ：流注电晕发展的长度， u ：流注发展的速度，且u = u ( e 。) 在流注电晕发展的时候，仍可将垦视为开路，令墨+ 震= 民，图2 3 电路的数值方 程式如下： u o = u i + “2 ，u 1 = 瓦o r f ：一c 坐 d t f = c 。d 出u o c ，d 出u z - 虬= 池+ 哮+ c ，鲁 ( 2 - 2 ) 华中科技大学硕士学位论文 得到f ( ，) 的方程： 工孑d 2 i + 民面d + 了i = 瓯c ，u ( 其中，c 。= ( c + c 1 ) ，c = c o i i c ：) ( 2 3 ) 由此，可见，式( 2 - 1 ) 与式( 2 - - 2 ) 有相同的特征值，式( 2 - - 2 ) 的数值解类同于 式( 2 - - 1 ) 。 由以上分析可知，反应器所承受的电压和电流的最大陡度与放电回路的品质因数 q 和分布电感l 密切相关，在电路欠阻尼时，电感的作用尤其显著。 2 4 基于p s p i c e 仿真分析的电源参数研究 高压脉冲电源作为脉冲电晕放电水处理的关键设备，其性能和电参数决定了反应 器内等离子体状态，并最终影响着预处理的效果和能量利用效率。根据国内外实验研 究表明，脉冲电源电参数的设计应主要考虑脉冲的峰值电压和电流、脉冲前沿、脉冲 宽度、脉冲脱尾、脉冲重复时间、脉冲极性等。课题组总结了以前的研究结果，对脉 冲电源提出如下设计要求： ( 1 ) 利用正极性的脉冲电压激发的高能电予，获得较大的活性区； ， ( 2 ) 脉冲电压的前沿和脱尾应尽可能降低，在节能的同时，将能量压缩于更短 的时间内，获得更大的脉冲功率； ( 3 ) 脉冲峰值电压要略高于反应器的火花击穿电压临界值，提高电源的利用率； ( 4 ) 脉冲宽度应保证在数百纳秒之内，根据反应器的火花放电电压来决定。 脉冲的极性、峰值可以通过改变储能元件的充电方式以及高压脉冲开关和反应器 的设计来保证，而脉冲的前沿和拖尾不仅与主回路的元件参数有关，还受电路中分布 参数的影响。本文用p s p i c e ( s i m u l a t i o np r o g r a m w i t h i n t e g r a t e d c i r c u i te m p h a s i s ) 电 路仿真软件 3 9 , 4 0 1 的9 2 3 版本，以图2 - - 1 电源原理图和上一节中的数值分析为参考， 从仿真的角度对回路进行暂态分析，研究影响脉冲波形的电源参数。由上一节的暂态 数值分析了解到，电路图2 2 和2 3 有相同的特征值，脉冲的变化是相似的，因此 以下就以图2 2 来分析。 2 4 1 仿真基准参数的选择 ( 1 ) 传输线的电感、电容与电阻的计算公式如下： ” 华中科技大学项士学位论文 厶= 尝h 等螽 2 p 专 其中口：导磁系数；占：介电场数：r ：线径： h ：导线对地平均高度：z ：导线长度 以传输线采用铜材，以线长2 m 、线高2 m 、线径6 m m 为例， 驴1 4 r t x l - o - 7 x 2 k 而2 x 2 乩6 8 咄肌印舞9 2 x 2 堋2 3 衙 凡= 1 7 2 4 x 1 0 _ o _ = 丢= 1 2 1 9 ，n ” 万x 0 0 3 2 ( 2 ) 由实验数据表明反应器的视在电容值在1 0 0 0 多p f 的范围之内 ( 3 ) 隔离间隙放电击穿时等效的火花电阻冠与放电电流和时间有关， 峙_ 再丽 ( d ：间隙距离；口：火花常数，对于空气取值为 o 8 x l o 。l x l o _ 5 伽2 ( s v 2 ) ：p ：大气压强) 。由此，开关击穿导通时火花电阻焉 宜取值在数欧姆到数十欧姆之间。 ( 4 ) 储能电容器的选择 由图2 2 ，并忽略c i 经坞泄放的电荷，则放电回路的电压利用系数 叩z 石潞，为保证脉冲发生器有足够的利用系数，c l 至少比c 大5 l o 倍， 这里取5 倍左右，为6 1 ，l f 。根据水处理的需要和反应器的设计，储能电容器的初始 电压取5 0 k v 。 2 4 2 仿真分析 根据前面计算得到的参数，以图2 4 的基准电路图，对电路进行仿真分析得到 图2 5 的输出波形。其视在波头时间4 7 8 n s ，峰值电压在3 5 1 k v 。显然脉冲的前沿 过长，峰值电压过高，与前面的设计要求不符。据此主要针对分布电感l 对脉冲前沿 和峰值电压的影响进行考核。 1 3 华中科技大学硕士学位论文 c 图2 - - 4 仿真分析基准电路图 2 3 n o -2 0 -a 帅0 4 啪i z o n -l 0 n ， jv t ， t t _ 图2 5 反应器上的脉冲电压波形 根据仿真的数据如图2 6 和图2 7 显示随着回路中的电感增大，脉冲的波头时 间迅速增加，同时脉冲的峰值电压也在增长。根据电源的设计原则，这种情况显然是 要极力避免的，需要根据影响分布电感的因素，综合考虑脉冲峰值和前沿时间来调整， 比如：调低引线高度，增大线路上的电阻等等方法，一方面要满足脉冲陡峭的要求， 圈2 - - 6 仅当电感变化时的反应器脉冲电压峰值 1 9 华中科技大学硕士学位论文 另一方面又要保证脉冲峰值适当，既可产生电晕等离子体，又不至于发生强烈的击穿 放电。中山的电源正是基于这些原则，对回路参数进行调整，如：尽可能缩短引线路 径、采用线径较大的铜导线、降低引线高度等降低电感值；在引线和反应器之间串入 电阻，将脉冲峰值削低) 。此外，储能电容器也要使用低电感( - 寺a t l ( 3 - - 5 ) 二 i g b t 导通期间 u u o = 三兰( 3 - - 6 ) “l 其中，。为输出最小电流值。 以电感不饱和为前提，由式( 3 3 ) 、式( 3 5 ) 得到 工笔盟o ( 3 7 ) m # 由于b u c k 回路采用p p m 控制，i g b t 的导通时间固定，我们设定v f c 3 2 输出的 脉冲宽度为( 3 3 0 0 + 4 4 ) p f x 6 7 k f l - 2 2 4 脚，取k = 只u = 1 2 0 0 2 1 0 a 5 7 a ，则 华中科技大学硕士学位论文 l 应不小于3 6 8 - 2 1 2 5 0 7 0 3 0 2 2 4 x 1 旷a o 6 4 m 日。取l = o 7 m h ，则有电感电流最大脉 动值出= 訾= 器 1 3 1 a 【5 7 】，流经i g b t 电流的最大值为3 0 + o 5 x 1 3 1 * 3 6 6 a 0 9 5 ； 所用u 型磁芯九= 6 3 8 e m 2 ，a c = 2 8 c m z ，则功率容量乘积以= 4 4 = 1 7 8 6 4 c m 4 。当 开关频率为l k h z 时，取d = 0 5 、j = 2 x 1 0 6a m 2 ，k = o 8 ，由式( 3 - - 1 2 ) 求得 铲矗鬻籍=一103。(1+0s) - - 4 9 3 c 5 x 4 x 2 。1 0 x l ox9 5 x 08 x1 5 m 4 9 叩d k 皿k 最 o 8 0 63 o