（环境工程专业论文）脉冲等离子体对还原脱硫催化剂活性成分影响的基础研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要+ 当前，人们对等离子体与催化剂之间的研究主要集中在两个方面，即如何利用等 离子体技术制各高性能催化剂和在等离子体作用下催化剂出现增效现象以及与此相关 的影响因素；而对等离子体如何提高催化剂的活性、如何影响催化剂成分、含量以及 在温度条件下和温度一等离子体条件下，催化剂成分、含量邪活性的变化有何不同， 不同的原因研究甚少。本文对此进行了相关研究。 首先，我们开发了一套高频高压毫微秒级开关电源，该电源利用i g b t 开关管组 成两级桥式逆变电路，通过p i c l 6 c 7 4 和p i c l 6 c 7 3 单片机产生的p w m 信号控制i g b t 的导通从而达到稳压、变频输出。针对出现的浪涌问题，通过r c 吸收回路，不仅解 决了浪涌问题，而且还减少了电流、电压的振荡。 我们以针网电极作反应器、以稀土l a 2 0 3 为催化剂，利用c o 来原位催化还原s o ： 作为实验研究对象。l a 2 0 3 催化剂水解预处理后，分别在温度、温度一等离子体共同作 用下处理2 小时并对其进行x r d 测量通过图谱确定催化剂的物相组成并计算出各 物相的相对含量。研究表明：温度对催化剂的活性、成分变化起主要作用，而等离子 体仅影响各物相的相对含量。从温度与等离子体条件来看，脉冲等离子体要发挥增效 作用，存在一个最佳温度。在不同的温度下，放电电压的变化对同物相的影响不同， 作用效果也不同，对活性相l a ：0 。s 而言，在4 5 0 。c 时，先减少再增加，等离子体效果 较常规好；而在5 0 0 c 时，则一直增加，较常规作用则其含量有所下降。在不同温度 下，流速对同一物相的影响是不同的，对活性相l a ：o ：s 而言，在4 5 0 c 时，等离子体 作用下，随流速的增加而先增加再减少；在5 0 0 c 时，随流速的增加而先略增再缓慢 降低。在同一温度下，流速对同物相在两种不同的作用方式下的影响也不同，对活 性相l a ：0 ：s 而言，在4 5 0 。c 时，常规下，随流量增加先增加再缓降协同下，随流量的 增加而先增加再减少：在5 0 0 “c 时，常规下随流量增加而先减少再缓慢增加，协同下， 随流量的增加而先略增再缓慢降低。对活性相l a a 0 2 s 而言，在等离子体作用下，存在一 最佳流速，在此流速下，对其生成有利，等离子体作用和常规作用表现出最佳配合。 美键字：脉冲等离子体稀土催化剂x r i ) 开关电源单片机浪涌 国家自然科学基金资助项目，项日编号为5 0 1 7 7 0 1 2 华中科技大学硕士学位论文 一- 一= = = = = = = = = = = ；= = = = = = = = = = = = = = = = = = = = 一 a b s t r a c t a tp r e s e n t ，t w oa s p e c t sa b o u tr e s e a r c h e sb e t w e e np l a s m aa n dc a t a l y s tw e r ed i s c u s s e d f o ro n et h i n g ，h o ww e r eh i g h e rp e r f o r m a n c ec a t a l y s t sp r e p a r e db yp l a s m at e c h n o l o g i e s ? f o r a n o t h e lp l a s m a c a ne n h a n c e c a t a l y t i ca c t i v a t i o n ，a n d w h i c he l e m e n t sc a ni n f l u e n c e a c t i v a t i o n ? h o w e v e ll i t t l e a r er e s e a r c h e da sb e l o w ：h o wd o e sp l a s m ae n h a n c ec a t a l y t i c a c t i v a t i o n ，h o wd o e sp l a s m ai n f l u e n c ec a t a l y t i cc o m p o n e n t sa n dt h e i rc o n t e n t s ，a n dh o w d o c a t a l y t i cc o m p o n e n t s , t h e i rc o n t e n t sa n da c t i v a t i o nc h a n g eu n d e rt e m p e r a t u r ea n dp l a s m a ， a n dw h a ta r ed i f f e r e n ta s p e c t s ? a b o v e q u e s t i o n sw i l lb ed i s c u s s e di nt h i st h e s i s a tf i r s t ，w ed e v e l o p e dah i g h e rf r e q u e n c ya n d h i g h e rv o l t a g em i l l i m i c r og r a d es w i t c h i n g p o w e rs u p p l yi tc o m p r i s e d t w o b r i d g e t y p ei n v e r t e rc i r c u i t sb yu s i n gi g b t s e m i c o n d u c t o r s i tc a nk e e po u t p u tv o l t a g es t e a d ya n dc h a n g eo u t p u tv o l t a g ef r e q u e n c yb yp i c16 c 7 4 & p i c l 6 c 7 3s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e rg e n e r a t i n gp w m s i g n a l sb yu s i n gr ca b s o r b i n g c i r c u i t ，n o to n l ys u r g i n gw a sr e s o l v e d ，b u tc u r r e n ta n dv o l t a g es u r g i n gw e r ea t t e n u a t e d a n e e d l e - - - g a u z er e a c t o rw a su s e di nt h i st h e s i s t h er e a c t i o nw a sc a r r i e do u tb yr a r e e a r t hc a t a l y s tl a 2 0 3 r e d u c i n gs o ib yc of i r s t l y ，l a 2 0 3w a sp r e t r e a t e db yh y d r o l y z a t i o n s e c o n d l y , c a t a l y s t w a ss u b j e c t e dt o t e m p e r a t u r ea n dt e m p e r a t u r e - - - p l a s m a f o r2h o u r s ， r e s p e c t i v e l y a f t e rt h a t ，c a t a l y s tw a sm e a s u r e db yx r di no r d e rt od e t e r m i n i n gt h e i rp h a s e c o m p o n e n t s a n d c a l c u l a t i n gp h a s e c o n t e n t st h er e s u l t sw e r ea s b e l o w ：t e m p e r a t u r e d e t e r m i n e d c a t a l y s ta c t i v a t i o na n dp h a s ec o m p o n e n t s ，a n dp l a s m ao n l yi n f l u e n c e dp h a s e c o n t e n t s t e m p e r a t u r ea n dp l a s m am u s tb o t hm a t c hm u t u a l l y i fs o ，p l a s m ac a ne n h a n c e c a t a l ) r s ta c t i v a t i o ni nt h em o s ts u i t a b l et e m p e r a t u r et h e r ew e r ed i f i e r e n ti n f l u e n c ea n d e f f e c tf o rt h es a m ec a t a l y t i cp h a s ei nad i f f e r e n tt e m p e r a t u r ew h i l ev o l t a g ei n c r e a s i n gf o r a c t i v a t i o np h a s el a 2 0 2 s ，p l a s m ae x h i b i t e dab e t t e re f f e c tt h a nt e m p e r a t u r e ，a n dl a 2 0 2 s c o n t e n td r o p p e di n i t i a l l ya n di n c r e a s e dl a t t e r l yw h i l e v o l t a g ei n c r e a s i n gi n4 5 0 。c ；h o w e v e r , i t sc o n t e n td e c r e a s e di np l a s m at h a ni nt e m p e r a t u r e , b u ti tr o s eu pa sv o l t a g ei n c r e a s i n gi n 5 0 0 1 2 f l o w i n gv o l u m er e s u l t e di n ad i f f e r e n tr e s u l tf o rt h es a m ep h a s ei nad i f f e r e n t t e m p e r a t u r e ，e v e ni ft h e r ew a sa l s oad i f f e r e n c ei nt h es a m et e m p e r a t u r eu n d e rt e m p e r a t u r e 华中科技大学硕士学位论文 a n d p l a s m a - t e m p e r a t u r e f o r a c t i v a t i o n p h a s el a 2 0 2 s ，i tf i r m l y i n c r e a s e da n dl a t e r d e c r e a s e ds l o w l yi nt e m p e r a t u r e ，a n dt h a ti ta l s of i r s t l yi n c r e a s e da n dl a t e rd e c r e a s e di n p l a s m a t e m p e r a t u r e w h i l e f l o w i n g v o l u m e i n c r e a s i n g i n4 5 0 。c h o w e v e r , i tf i r s t l y d e c r e a s e da n dl a t e ri n c r e a s e ds l o w l yi nt e m p e r a t u r e , a n dt h a ti ti n c r e a s e ds l i g h t l ya tf i r s ta n d d e c r e a s e d s l o w l ys e c o n d l y i n p l a s m a t e m p e r a t u r e w h i l e f l o w i n g v o l u m e i n c r e a s i n g i n 5 0 0 ct h e r ew a st h em o s ts u i t a b l ef l o w i n gv o l u m e i nt h i sf l o w i n gv o l u m el a 2 0 2 sc o n t e n t w a s h i g h e r ，a n dp l a s m aa n dt e m p e r a t u r es h o w e dt h eb e s te f f e c t k e yw o r d s ：p u l s ep l a s m a r a r ee a r t h s c a t a l y s t x r d s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s i n g l ec h i pm i c r o c o n t r o l l e rs u r g e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包 含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：；如。彬 日期：删年f 月驴日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权华中科技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，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段 保存和汇编本学位论文。 保密口，在 年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密团。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名： | 5 平衫 日期：沁悔，月孑日 华中科技大学硕士学位论文 l 绪论 1 1 等离子体在催化剂中的应用 等离子体技术作为一种非常规手段，在低温化学气相沉积、化学聚合、阳极氧化 及干法刻蚀等领域得到广泛的研究和应用。在低温等离子体中含有各种具有化学活性 的粒子，这些粒子具有不同的能量，能在固体表面发生各种物理、化学作用。它作为一 种特殊的工艺，在现代工业中得到应用。当前，人们将等离子体与催化剂结合在起 应用，主要用于两个方面：第一、等离子体应用于催化剂的制各、改性及再生：第二、 等离子体与催化剂一起应用于催化反应u 6 i 。 等离子体应用于催化剂的制备、改性及再生主要在以下几个方面： l 直接合成超细颗粒催化剂 超细颗粒催化剂，由于其本身具有独特的表面结构、晶体结构及电子结构，从丽显 示出与常规催化剂明显不同的催化特性。随着物质的超微粒化、不仅表面积增加，而且 表面晶格与块状物质不同。低配位数增加，局域态密度和电荷密度电发生变化，因而 可以生成更多的催化活性中心，同时它的超j 顷磁性及久保效应等也对催i 乜效应产生影 响。 等离子体制各超细颗粒催化剂的过程中，原料以气雾状随载气进入反应器，在等离 子体区中电子温度极高，原料很快反应生成超细颗粒前驱体。由于等离子体区比较窄， 前驱体立刻进入低温段，其温度梯度可达1 0 5 1 0 6 影s ，从而使过饱和度急剧增大，瞬间 发生均相成核过程，形成催化剂超细颗粒，并在收集器中分离出来。 2 利用等离子体喷涂技术制备负载型催化剂 通过等离子体喷射技术把催化剂活性组分沉淀到载体上是催化剂制各的另一种形 式，它可以增加催化剂的机械性和热稳定性。它的工作原理是将催化剂活性颗粒通过 送粉器送入高速运动的等离子体流中，颗粒在高温下迅速熔化，并随等离子体流与催 化剂基层充分接触，在极短的时间内固化。一般认为喷射涂层的多孔结构主要取决于 等离子体流的类型、等离子体工作气体的化学性质和流速、等离子体输入能量、喷射 华中科技大学硕士学位论文 距离等。 等离子体喷射合成催化剂有两种方式：( 1 ) 先在基层上用各种添加剂进行预喷射， 再把催化剂活性成分沉淀上去。( 2 ) 将催化剂活性成分直接喷射到载体表面上。 3 等离子体表面处理与催化剂表面改性 低气压下的直流辉光放电、高频放电、微波放电及常压下的电晕放电都可以产生 低温等离子体。它的主要特点是电子温度可以达到l o k ，而离子和中性分子温度只有 4 0 0 k 左右，因此系统整体温度很低。电子在电场中加速获得能量，与周围气体分子、 原子发生碰撞，能量就可以通过碰撞传递，使它们电离产生新的离子、电子或使它们变 为激发态并很快又跳回基态，发出光子，生成自由基。在这样的环境中，加入各种材料， 就可以起到表面改性的效果。 催化剂在冷等离子体中经过改性后，其物理化学性质发生了很大的改变。把添加 了活性组分的金属氧化物载体直接放入等离子体中进行还原分解，不但可以保持催化 剂骨架，去除模板剂等有机杂质，防止金属簇烧结变大，同时物理化学性质也发生很大 变化，如表面颜色( 即金属元素价态) 改变，常温下有新物相和非稳定相生成，还原温度 降低，表面品格缺陷增加，酸性或碱性增强等等。 4 催化剂再生 等离子体技术再生催化荆是指利用低温等离子体再生由于积炭而失活的催化剂。 结焦是催化剂失活的主要原因，去除负载型金属催化剂上积炭的通常办法是先通过加 热处理，然后通过氧化还原处理催化剂的表面。缺点在于一旦晶体结构发生了不可逆 转的改变，催化性能将无法保持，它的弊端来源于再生时温度过高，严重地影响了催化 剂的结构。 鉴于等离子体的独特性质，有人提出了利用0 ：辉光放电对失活催化剂进行再生。 因为0 2 在等离子体状态下电离为0 2 。、0 、0 2 2 等高活性粒子，它们可以与催化剂表面 上的积碳等反应生成c o ；、n o 。、s 0 2 等，以气态形式离开反应器，这样就不会对催化剂 产生不利影响。 而且，在进行催化剂再生实验的同时，科学家还发现经过等离子体再 生过的催化剂比反应前的催化剂具有更高的活性。 较其它再生方法相比，等离子体再生具有再生迅速、能耗少、提高催化剂的催化 2 华中科技大学硕士学位论文 性能的特点。 总之：同传统催化剂制备方法相比，等离子体技术制备催化剂具有操作简便、工 艺流程短、催化剂变化过程直观易控、催化剂活性高、稳定性好、清洁无污染等优点， 具有更广阔的应用前景。 人们研究更多的是等离子体与催化剂一起作用于催化反应。等离子体中自由基非 常活泼，反应具有很强的随机性，最终产物难以控制，需要利用催化剂来提高反应选 择性，使其化学反应朝一定的方向进行。本文主要方向是有关等离子体与催化剂一起 应用于催化反应的相关研究。 1 2 国内外等离子体技术与催化剂共同作用下相关研究概况 脉冲等离子体本身可以认为是一种催化手段，但是其催化方式是非选择性的。为 了在放电等离子体作用下实现有选择性的化学反应，就必须加入合适的催化剂，利用 催化剂对特有粒子的选择性来实现所希望的化学反应。当前，人们就等离子体与催化 剂协同作用进行了许多的研究。主要包括如下内容：等离子体与催化剂增效现象、原 因的椎测以及在电场存在下，对催化剂吸附、活睦影响和结构要求。 h y e o n g s a nl e e ：! 等人在处理汽车尾气中的n o 。时发现，在等离子体协同作用下 催化剂对o 。的转化率能在较低的温度下得到显著提高。等离子体? 催化剂( h g a 1 1 0 。) 与等离子体r a l o ，相比，n 0 。的转化率较高，对沁的生成有较好的选择性。与单独的 催化剂相比，等离子体协同作用下，催化剂的活性得到提高，n o 、的转化率能在较低的 温度下开始转化。 e 1 i a s s o n ”1 在利用等离子体通过c 跳加氢还原制甲醇反应时发现，在1 0 0 时，常规 催化无法反应：等离子体反应下c o 。转化率为1 2 4 9 6 ，甲醇选择性为0 4 9 ，生成物中 c 0 含量为9 6 ( 体积分数，下同) 和c k 为3 2 ：催化剂存在下的等离子体反应的c 铙转 化率为1 4 ，甲醇选择性为7 l 0 ，生成物中c o 含量为7 6 8 0 ，c h 为1 2 1 3 。 在等离子体条件下，催化剂的高活性温度大大降低。 c h a n g - j u nl i u 0 1 在利用等离子体一沸石催化剂将甲烷转化碳二烃时就等离子 体与催化剂相互作用进行了实验研究。他发现：n a x 、n a z s m - - 5 、n a y 和n a a 催化剂在 华中科技大学硕士学位论文 5 0 时c h , 没有参加反应，而在有等离子体作用下上述催化剂均发生了化学反应，c 心 转化率和g 的选择性都有较大的提高。他得出的结论是：催化剂之所以能发生反应是 因为在等离子体作用下，沸石的碱性、极性积活性都得到了改变，这种改变是由于沸 石的静电效应和沸石在等离子体作用下产生辐射，沸石的o h 基团得到明显的增强。 等离子体中活性物种对高碳氢化合物的形成很有帮助，而等离子体中的氢对高碳氢化 合物的具有较高选择性。 k a z u os h i m i z u t ”i 在利用非热等离子体和催化剂脱除n o 。时，研究水和碳氢化合物 对其影响时发现：在1 0 的水蒸气存在时，n a - z s m - 5 催化剂在2 0 0 - - 3 0 0 c 时，脱除 废气中n o 最多达7 0 ；两在非热等离子体作用下，n a - z s m - 5 催化剂能在任何温度 下提高含有水蒸气烟气的n o x 脱除率，而且在单纯的n a - z s m - 5 催化剂不能发挥作用 时，在非热等离子体作用下，催化剂也能发挥作用。 d e ，r a p a k o u l i a s 1 1 - 1 2 1 等在研究辉光放电传递到固体表面的能量分布时认为，活性物 种的振动激励是将辉光放电产生的能量传递到固体表面的主要途径，平动和旋转激励 有一定的贡献。原子的复合也是将等离子体中的能量传递到固体表面的一条重要途径， 离子和亚稳态的分子其作用则显得非常微小， m a t a s 。”等人在研究等离子体诱导催化剂进行脱氮时认为，等离子俸的活性物种 的寿命决定了催化剂的形状大小、孔结构，同时提出了氧空位增效理论。并且提出了 q u e n c h i n g 协同增效模型，用于摸拟反应机理，并提出了m o n t ec a r i o 算法，亲估计 活性物种的浓度。但是，在用于实际中时，其理论还有不足之处。 “l i n c o i n 和0 1 i n g e r 系统地研究了交流电场对岛h 4 在n i 催化剂上的吸附。他们 的结论是：电场对催化剂表面吸附性能有影响，对于乙烯，无论在2 5 或9 l ，2 c ，施 加电场后可使吸附量大大增加。进一步的研究表明，电场对化学吸附的影响大于对物 理吸附的影响，不但在吸附量上而且在吸附速率上都大大提高。通过研究乙烯加氢反 应，认为电场对动力学控制的反应过程影响较大，不但可提高反应速率，甚至会使反 应机理有所改变。h o e n i g 和l a n e 研究了直流电场对0 2 在z n 0 上的吸附的影响，研 究表明：电场越强，对氧的吸附的影响越大。电场对气一固系统的影响可表现在这样 几个方面，酋先，电场的存在对吸附质在气相的扩散_ 秘在固体表面的扩散速率产生影 华中科技大学硕士学位论文 响；其次是对吸附质分子极化产生偶极矩，研究表明，容易被电场极化的吸附质，吸 附速率就会明显提高，如水一硅胶，水在电场作用下极性变大，对于非极性的气一固 系统，尤其在吸附质的极化率较小时，电场对其性能的影响就较小：第三是固体表面 的电性能受电场的影响，如半导体催化剂，施加正电场可增加施主分瑚吸附，力l 负 电场可增加受主分子的吸附。 电场对催化剂活性也有影响，多相催化过程涉及反应物的扩散、吸附、表面反应 和产物的脱附及扩散，所以决定催化反应速度的因索除了反应物的吸附外，还与许多 因素有关t 众因素的作用结果反映在催化剂的活性高低上。v l a d o v 等人研究了直流电 场对n h 3 在p t r h p d 丝催化剂分解反应的影响。当电场的势能差为0 时， n h ， 在1 1 5 5 4 c 、1 0 5 0 。c 和9 9 2 。c 时的分解率分别为9 0 5 、6 6 3 和4 9 2 ，当系统加入 外电场后，氨分解的速率明显随电场强度的增加而增加，而且当操作时间在前1 5 2 j 小时内，电场效应最大，随着时间的增加，场效应逐渐变弱。 另外，李胜利教授“1 从理论上计算了有球形催化剂放置的情况下，反应器空间的 电场强度的变化，其结论为：均匀浸渍和沉淀法制备的催化剂，活性成份均匀分布在 载体表面( 包括内表面) ，在设计催化剂时，合理选择材料，可使催化剂内、外气隙中 场强接近，从而增大了气体放电与催化剂的接触面当采用载体表面涂覆或分次浸渍 方式制备陛化剂时，活性成份只存在于催化剂表面或表面层，此时，在没计催化剂 时为了达到增大放电等离子体与催化剂的接触面，充分发挥等离子体与催化剂的综 合作用效果的目的，应合理选择外层介电常数低的活性成份，使外层活性成份气隙中 场强与表面场强接近，由此可提高等离子体与催化剂活性成份的接触面。 1 3 研究问题的提出及意义 脉冲放电等离子体与催化剂协同作用提高催化剂活性已有不少文献报道f 拍1 ”。研 究者也发现一些问题，例如在常规催化反应中，l i m g o 、s m ：0 3 催化剂在甲烷氧化偶 联反应中具有高活性，而与脉冲等离子体同时作用在该反应中时，健化剂却来显示出 催化活性f l ”，这一事实说明协同催化与常规催化存在明显的区别，两者作用机理不尽 相同，同时，该事实也为人们深入研究等离子体与催化剂协同作用的机理提供了研究 华中科技大学硕士学位论文 方向。但是，协同催化与常规催化反应机理有何不同，在脉冲等离子体协同作用下催 化剂结构、催化剂成份及其含量、催化剂活性物种等的变化与常规催化有何不同，这 些问题都需要人们进行探索。 对该问题的研究，为人们深入研究脉冲放电等离子体与催化剂协同作用的机理提 供依据，也为人们研究等离子体与催化剂协同作用提供一条思路。 1 4 课题来源以及本课题的主要工作 本课题来源于国家自然科学基金资助项目放电等离子体与固态催化剂共同作用 中若干基础问题研究，项目编号为5 0 1 7 7 0 1 2 。 本课题研究目的：通过对脉冲等离子体与催化剂协同配合以及相互之间影响的研 究，设计一种与脉冲电源最佳配合的反应器：设计一种形状合理、结构最优、活性成 分最佳分布的催化剂；探讨脉冲放电加催化剂系统协同增效的反应机理；并以c o 还 原脱硫为研究对象，具体研究脉冲放电加催化剂协同增效机理、相互影响的关系。 脉冲放电等离子体与催化剂的合理配合以及协同增效问题。是脉冲放电等离子体 加催化剂体系走向应用的必然方向，对该问题的研究，必将推动该领域的快速发展。 本论文主要的工作和研究内容有： ( 1 ) 根据实验要求，我们开发、设计了一套实验用开关电源，该电源需能实现调压 和调频功能，并具有自动保护功能和显示参数、工作状态功能。 ( 2 ) 在总结、比较前人对不同脉冲放电等离子体反应器结构特点研究的基础上，结 合实际设计、制作和优化放电反应器，构建套实验装置和气体流动通道、测量单元。 ( 3 ) 脉冲等离子体作用下祁常规作用下，催化剂在不同温度、不同电压、不同流量 下的实验研究。考察温度条件下和等离子体一一温度条件下，催化剂活性成分的特点 和交化规律，揭示两者的不同之处并探讨两者不同的反应机理。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 实验用脉冲电源设计 脉冲电源是本研究的关键，它的好坏直接决定脉冲等离子体的作用状况。对于脉 冲电源，它有两个基本问题需要解决，一是脉冲电源本身的性能如能量转换效率、输 出功率和输出脉冲电压的上升时间和脉宽等。另一个是如何使脉冲电源和反应器负载 达到有效的匹配。本文着重研究脉冲电源的设计。 2 1 实验用脉冲电源设计目的和意义1 2 0 1 脉冲放电等离子体技术的关键设备之就是脉冲电源，它的幅值、脉宽、前沿等 直接影响处理效果。根据非平衡等离子体理论，要在常压下产生非平衡等离子体，需 要电极间的反应物充分电离，得到足够多的高能活睦成份，同时选择合理的电压作用 时间，在该时间内，电子得到较高的能量，而其他离子还没来得及加速又恢复到原来 的位置，有效防止离子在电场中的加速而引起能量的损耗，满足这些要求的唯一途径 就是采用窄脉冲高压电源供电。开发和设计出脉冲电压陡，电压上升快( 几十纳秒) ， 频率可调的脉冲电源显得尤为必要。 开发和设计出高性能的高频高压笮脉冲电源，不仅是为等离子体技术推广怍了有 益的尝试，也是打破阻碍脉冲等离子体在工业中应用瓶颈的必然要求。 2 2 实验用脉冲电源的硬件设计 2 2 1 现有实验电源的分析【2 l j 目前，我们采用的实验用脉冲电源经优化后其示意图如2 1 所示。该毫微秒脉冲 电源结构简单、实用。但在实际应用中，存在一些问题。 1 ) 充电回路能耗大。 2 ) 电压调整相当困难。在放电间隙一定的情况下，要给反应器加上稳定的任意电压， 就必须调整火花间隙的距离，然而通过调节火花间距是很难快速、准确达到所需电 压，有时在火花间隙一定的情况下，由于外界条件的变化，加在反应器上的电压会 华中科技大学硕士学位论文 发生变化。 3 ) 有研究表明，提高脉冲电源的频率可提高脉冲等离子体的作用效果。对于该电源无 法调整实验所要求的频率参数。 图2l 脉冲电源示意图 其中：r 0 ：限流电阻 g a p ：可调火花间隙 r l ：脉冲成形电阻 d l ：硅堆 s t ：工频高压变压器虚线框内为人工成型线 反 应 器 4 ) 产生一定的噪音，污染生活环境。 鉴于此，我们设计了一套新型开关电源，不仅能满足原来电源的性能，而且电压恒定， 频率可变，操作简单、实用。 2 2 2 新型高频脉冲电源的设计瞄2 8 1 随着电力电子技术的发展，以功率m o s f e t 和 g b t 为代表的的集高频、高压和 大电流于一体的功率半导体复合器件将功率变换技术的应用由低压拓展到高压领域。 理论和实践表明，这些器件的应用，脉冲电源的体积和重量可降低同时功率转换的 效率会有较大的提高，电源的能耗也大幅下降，节能在3 0 以上。 我们开发设计的高频高压开关电源总体框图如图2 2 所示。 工频电源首先经整流滤波电路，变为直流电源。然后通过全桥逆变器变化为高频 方波脉冲电压，再经中间脉冲变压器、整流滤波电路，反馈控制电路又变为电压恒定 的直流电源。通过二次全桥逆变，来实现频率可变的方波脉冲电压，最后通过高频高 压变压器、整流滤波、脉冲成形回路，产生毫秒级脉冲电压来对反应器供电。 本脉冲电压的设计包括两部分，一部分为硬件的设计，另一部分为软件妁设计。 华中科技大学硕士学位论文 本节着重硬件的设计，其中主要是图2 2 点划线方框部分的硬件设计，对于软件部分 在下一节介绍。 图2 , 2 脉冲电源总体设计框图 2 2 2 1 脉冲电源工作原理与功能 1 ) 本电源主电路原理图如图23 所示。 。l 碡几 一群鞫= 一(蕊一】 - 旋c 1 = o - 避l 、盎 _ j 噩婚 高压 输出 电流、电压 反赜信号 图2 3 主电路原理图 一一 9 华中科技大学硕士学位论文 其中u l 为整流桥，t l 为中间高频变压器，t 2 为外接高频高压变压器。q 1 0 8 为 g b t 开关管，自带续流二极管。前级逆变器由q i q 4 组成，q l 和q 4 两者同时导 通时组成一回路，两管开始工作，此时q 2 和q 3 则截至；反之则亦然。第二级逆变器 由q s - q 8 组成，q 5 和q 8 为一回路，q 6 和q 7 则组成另一回路，工作原理同前级。 2 ) 该电源的调压稳压、调频原理 工频交流经整流、滤波后，可认为是一稳定直流电源v f m 。为了阐述方便，将前级 逆变调压电路与单片机调压、稳压控制原理图绘制在起，如图2 4 所示，该电路的 、1一一 o 辆一 二：1 6 c 7 4 图24 简化的电路图 输出电压为：v 。= n v ，。t 。，汀。n 为变压器的匝比，t 。为开关管的导通时间，t ；为开 关管的工作周期。逆变器的输入电压v 。基本保持不变，在变压器的匝比一定。通过 p 1 c 1 6 c 7 4 单片机输出一工作频率( 1 厂r ：) 恒定，导通时间t 。n 可变的p w m 信号控制i g b t q i q 4 开关管导通，从而改变v o 的值，达到调压的目的。 逆变器输出的电压经电压、电流传感器将输出的电压信号反馈回单片机，经单片机 的a d 端口，将模拟信号转化为数字信号，然后与外界给定信号相比较，根据比较结 果，单片机调用相应的脉宽调节程序。大于零时，输出的电压过低，必须增大脉宽， 调用脉宽增加程序，通过输出宽度增加的p w m 信号控制i g b t 的导通时间，减少 o 华中科技大学硕士学位论文 与输入电压的偏差；小于零时，输出的电压过高，必须减少脉宽，调用脉宽减少程序， 通过输出宽度降低的p w m 信号，控制i g b t 的导通时间，减少与输入电压的偏。由 于单片机在不断检测输出回路的调用，在不断调节p w m 的脉冲宽度从而达到电压稳 定。另外在v i 。变化时，通过调节输出信号p w m 的脉宽，也可保持输出电压的恒定。 前级逆变器为后级逆变器提供一稳定的工作电源，通过p i c l 6 c 7 3 单片机产生 频率( 1 t ：) 可变，而t 饥厂r 。值恒定的p w m 信号控制i g b tq 5 q 8 开关管导通，从而达 到调频的目的。 3 ) 电源的保护功能 开关电源电路担负着向整个电子设备各单元电路提供电压和功率的任务，因此、 开关电源电路一旦发生故障，整个电子设备就不能正常工作，严重时还会引起一系列 的烧坏元器件事故，其后果极其严重，为此必须设置一些必要的保护电路，使其在一 旦出现故障或故障先兆时迅速切断电源或限制电压上升，以免故障蔓延，损坏更多的 元器件。该电源具有如下保护功能： 快过流保护电路。 快过流保护电路是在电源过载或输出短路时僳护电源装置。快过流信号直接取自 前级逆变器输出回路。通过电流传感器反馈回的信号，与一电流比较器设定值相比较， 若超过设定值，就产生中断信号，p i c l 6 c 7 4 单片机接受信号后。发出切断电源控制信 号，立即关断开关管。 快过压保护电路。 开关电源出现故障时输出电压可能超过规定值，这样，有可能损坏负载，为此要 增设快过压保护电路。快过压信号直接取自前级逆变器输出回路。通过电压传感器反 馈回的信号，与一电压比较器设定值相比较，若超过设定值，就产生中断信号， p i c l 6 c 7 4 单片机接受信号后，发出切断电源控制信号，立即关断开关管。 慢过流保护电路。 当输出的电流超过设定的参数但超调量又不很大时，此时没有必要切断电源，而 影响电源的正常工作，又不能让其长期工作在超过设定值上，为此设定了慢过流保护 电路，限制电流的增加。具体原理是：通过电流传感器反馈回的信号，与另一电流比 华中科技大学硕士学位论文 较器设定值相比较，若超过设定值，就产生中断信号，p i c l 6 c 7 4 单片机接受信号后， 发出调用减少脉宽程序，通过输出宽度降低的p w m 信号，控制i g b t 的导通时间， 降低输出电压而限制电流的增加。 慢过压保护电路 当输出的电压超过设定的参数但超调量又不很大时，此时没有必要切断电源，而 影响电源的正常工作，又不能让其长期工作在超过设定值上，为此设定了慢过压保护 电路，限制电压的增加。具体原理是：通过电压传感器反馈回的信号与另一电压比 较器设定值相比较，若超过设定值，就产生中断信号，p i c l 6 c 7 4 单片机接受信号后， 发出调用减少脉宽程序，通过输出宽度降低的p w m 信号，控制i g b t 的导通时间， 降低输出电压而限制电压的增加。 过功率保护电路 为了防止电源长期工作在超过额定功率的状态，为此设定了过功率保护电路。通 过功率传感器，将信号传回，通过与设定的功率比较后，若超过设定值，就产生中断 信号，p i c l 6 c 7 4 单片机接受信号后，发出调用减少脉宽程序通过输出宽度降低的 p w m 信号，控制i g b t 的导通时间，降低输出电压而限制电源工作在过功率的状态。 4 ) 外部信息输入和显示功能 外部信息的输入是通过控制面板的触点开关来进行的。外部信号产生后，产生中 断请求，经p i c l 6 c 7 4 单片机去抖后，判断是何种服务功能，并调用相应的服务程序，达 到与外界通讯的目的。数据的输入是采取逐步增加或减少方式进行的，触点开关接触 后，单片机经判断后，调用参数增加或减少程序，触点开关每接触一次，其参数就增 加或减少一步长值，步长值的大小，根据精度要求和单片机的量化单位来确定，在数 据输入时，液晶显示屏显示的参数也在不断变化，直到显示参数为所需为止。面板的 控制触点开关有：恒流、匣压、背光显示、启动和停止等：数据输入触点开关有：升 压、降压、增加频率、降低频率、增加脉宽和降低脉宽等。 显示功能共有如下参数显示：输出电压、电流、脉宽、频率、占空比和功率等。输 出电流和电压的显示通过电流、电压传感器反馈回的信号，经a d 转换后，将数据保 存在寄存器中，并计算出电流、电压均值和功率，然后调用显示程序经液晶显示出来： 华中科技大学硕士学位论文 脉宽、频率通过p i c l 6 c 7 4 的捕捉端口对p w m 信号进行捕捉，记录触发时间，然后 调用相应程序求出脉宽、频率和占空比。最后调用显示程序经液晶显示出。 2 2 2 2 重要元件参数的设计和选型 由于本研究主要进行了前级逆变器的相关设计工作。本文着重讨论主电路重要元件 参数的设计和选型。 1 ) 高频中间变压器的设计 设计参数如下： 输入交流电压：1 6 0 2 5 0 v 工作频率：1 5 k h z 最大输出功率2 0 0 0 w 输出电压：0 4 0 0 v d c 电源效率：7 0 输出电压：4 0 0 v d c 磁芯材料的选取 为了保证足够的窗口空间。变压器磁芯通常选得较大，能够满足对铁芯功率得要 求。采用的磁芯材料为铁氧体，型号为e e i l o 。其有效截面为a 。= 1 2 8 0 m m 二 初级线圈匝数的计算 根据文献【2 2 】，可采用如下计算公式 ，：兰型：! ! ： 4 j b a 。 通过计算得n 。= 3 0 7 匝，取n p = 3 l 匝。 变压器匝比得计算 根据公式v 。i m i n = d y x n o f n p d y 占空比取为o 7 ，v 。通过公式【2 2 | ：k 。= 计算得v i 。= t 9 7 ，5 v 瓦j 甄历面 p ! 一一- ( 塑篆 与 华中科技大学硕士学位论文 通过计算n 。，n 。= 2 8 9 次级匝数的计算 n o = 2 8 9 x n p = 9 9 ，6 ，取n 。= 9 0 匝 最大的初级电流 i c = 1 6 p 。t v i n = 1 6 x 2 1 0 3 n 6 0 14 1 4 ) = 1 4 1 4 a 次级电流为i o = i c 2 8 9 = 1 41 4 2 8 9 = 48 9 a 股数的确定 考虑到电流较大和线圈的集肤效应，采取多股铜芯线合并成一匝线。取中= 08 4 铜芯 线，电流密度为4 a r a m 2 ，则初级圈数为1 4 1 4 ，( 4 x o 4 2 04 2 x 31 4 ) = 79 8 ，取8 股。 次级为48 9 17 7 = 27 6 股，通过参数调整取2 股。 2 ) 滤波电感的设计 由于流过滤波电感l t 的电流不能发生突变，在开关截止对仍给负载供电，起到了 滤波、稳压的作用。当电感量过低，使得开关刚截止，储存的能量也释放完毕，则输 出的直流电压将会不稳定，甚至振荡：当电感过大，则在开关管截止瞬间感应的电势， 与输入电压叠加，会在整流管上产生一个高压脉冲，严重的会击穿整流管，令其烧毁。 因此，必须合理地选择电感值。 根据公式口2】2上2x2 f f l o m v l - 万i 概j 经计算得l 。= 8l 1 0 3 u h ，采用环形铁芯， 素为6 3 8 0 n h n 2 ，由公式l l n 2 = 6 3 8 0 1 0 ， 3 ) 开关管和快恢复管的选型 其规格为击1 0 0 中5 0 2 0 ，经查表得电感因 计算得n = 3 5 6 匝，取n = 3 6 匝。 开关管最重要的是具有快速的开关作用和输出功率大，由于输入端的电压较高， 输出侧又有电感存在( 可产生感应反向电动势) ，因此选择i g b t 的反向击穿电压要足 够高。根据输入侧最大电压约为2 5 0 x2 “：= 3 5 4 v ，按2 3 倍输入电压考虑电感的反 向电势，则v 。不小于1 0 5 0 v ，我们取1 2 0 0 v ；电路最大输出电流1 5 a ，考虑输出滤 波电感电流脉动幅值的影响，i g b