（电工理论与新技术专业论文）用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制.pdf

用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 d e v e l o p m e n to fa p u l s e dp o w e rs o u r c ea p p l i e di nw a s t ew a t e r t r e a t m e n t u s i n gc a t a l y s i so no z o n e0 x i d i z a t i o n a b s t r a c t i i lt 1 1 i sp 印e r ，an e ww a s t e w a l e r 订e a 恤e mt e c h n o l o g y ，w b i c h 印p l i e sh y d r o e l e c t r i ce f f e c t c a t a l y s i st 0o z o n eo ) 【i d i z a t i o n ，i sp u tf o r w a r d t oc o n d u c t 也ee x p e r i m e n t ，a1 0 w e n e r g y p l l l s e dp o w c rs o u r c ei sd e v e l o p e d ，a sw e l la saw h o l es e to fe x p 幽e n t a lf a c i l i 妙t h e e x p 甜m e n tr e s m tt u m so u tg o o d t h ep l l l s e dp o 、v e rs o u r c ei sd e v e l o p e do nt h ep 血c i p l e so fs m a l ls i z e ，1 0 wc o s t ， c o n v e i l i e mo p e r a 缸o na n dh i g hp e r f b m a n c er e l i a b i l i 哆t h em a i ne ) ( p e n m e n t a lp r o c e s si n c l u d e ： e x a i l l i l l i n g 趾da n a l y z i i l gt h ec h a r g e 趾dd i s c l l a r g ep r o c e s so ft h em a i nd i s c h a r g ec i r c u “a n d ， ) e c i a l l yr e s e a r c l l i n g 也e 仃i g g e rc i r c u i tw i 血恤et h r e ee l e c t r o d es p a r ! kg a p a f c c rc a l c u l a d o a n dt e s t ，t l l ee x p e r i m e n to b t 醯【1 s 也er e g u l a rp a t t e m sr e s u l t 丘o md i 摄h e i l te l e c 仃i cp a r 锄e t e r s a st o 协et r i g g e r p u l s ea n d ，f 如n do u th o w t oc h o o s ee l e c 砸cp a r a m e t e ra 1 1 da 哇j u s tm e p o l a r i t y o fp o l 盯a c c o r d i n gt os h o r tt i i n eb r e a k d o w p r o c e s sa l l dl o n g 血eb r e a k - d o w np r o c e s s m e 卸w l l i l e ，as e l f _ i n d u c t i o ns t 印- u p 廿a n s f o n n e ri s 印p l i e di 1 1t h ee ) 币e r i m e mt 0r e d u c ef h c i l i 够 s i z ea n ds a v ec o s t t h cm c u ，a p p l i e da s 吐l cc o r el 】n i t ，i st or e a l i z e 也er e a lt i m ea 由u s 锄e n to f p a r 卸【n e t e r s a t1 a s t ，ar e l i a b l ee m c i sd e s i g n e di nb o t l lh 卸d w a r ca n ds o 靠w w e w i 血m e p 1 1 1 s e dp o w e rs o u r c ed e v e l o p e d ，aw h o l e l a be x p e 血n e n t a l 加i l 埘i ss e tu p t o t e s t 也ed y ew a s t ew a 把r 打e a 恤c n tb ya p p l y i n gh y d r o - e l e c t 五ce 征b c tt oc a t a 王y s i so no z o n e o x i d i z a t i o n t h et e s tr e s l l l ti n d i c a t e s 也ec a t a l y s i so fh j 曲v o l 诅g ep l l l s ed i 曲a r g ci no z o n e o x i d i z a t i o ni m p r o v e sb o t l lm ed e c 0 1 0 rr a t ea n dm ec o dr e m o v a lm t c ，a sc o l p a r e dw i t ht 1 1 e m e r eo z o n eo x i d i z a t i o n t om a l ( et 1 1 ed e c o l o rr a t er e a c h9 0 ，4 1 o fe l e 砌ce i l c r g ym d 4 4 o f 0 2c a nb es a v c d 谢也也en e w 印p m a c h t h er e p e a t e de x p e r i m e l l 乜i 1 1 廿l ep a s to n ey e a rh a v ep r o v e d ( i ) t h i sp l l l s e dp o w e rs o l l r c e i so f g r e a tp e r f o m a l l c er e l i a b i l i 眈0 p e r 撕o n a lc o n v e l l i e n c e ，s m a l l e rs i z ea n d l o wc o s ta n d ，( i i ) m i sn e wt e c h n o l o g yo fw a t 蹦订e a 恤e n td i s t i l l c yi m p r o v e sd e c o l o re f 凳c t ，r e d l l c e sf a c i l i 够 s i z e ，a 工】ds a v e s 1 ec o s t t h e r e f o r e ，t h en e wt e c h n 0 1 0 9 yi so f p r o m i s i l l ga p p l i c a t i o np r o 印e c t k e yw o r d s ：p u l s e dp a w e rs o u r c e ；王l y d r o e l e c t r i ce 由f e c t o 即n eo x i d i z a t i o n ；t r i g g e rp u l s e 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， 论文中不包含其它人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其它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=日期：型：f 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 导师签名 、， & 盹 幽鞋陋 2 1 生年 月一日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 高级氧化技术国内外现状及发展趋势 水是工农业生产重要资源。在工业生产中，水具有冷却、加工、沸腾、蒸发、传送 等一系列功能。没有水，工业生产就无法进行。其次，由于水资源的不可再生性，其在 国民经济发展中的地位日益重要。然而随着经济的发展，工业化进程加快，排入水体的 废水污染负荷不断增加，尤其是化学工业和石油化工、轻纺、制药、食品等工业中所排 放的大量工业废水具有种类多、成分复杂、c 0 d ( 化学需氧量) 浓度高、可生化性差、 有毒害等特点，若未能进行有效的治理，必将对环境造成十分严重的污染与破坏，开展这 类工业废水的综合治理已成为当代环境化工亟待解决的重大问题之一i l j 。为解决这一问 题，国内外开展了大量的研究。 高级氧化技术( a d v a n c e do x i d a t i o np r o c e s s e s ，简称a o p s ) 是2 0 世纪8 0 年代开始 形成的处理有毒污染物技术，它的特点是通过反应生成羟基自由基( o h ) ，该自由 基具有极强的氧化性( 其氧化还原电位2 8 0 v ) 。通过自由基反应能够将有机污染物有 效的分解，甚至彻底地转化为无害无机物，如二氧化碳和水等。由于高级氧化工艺具有 氧化性强、操作条件易于控制的优点，因此引起世界各国的重视，并相继开展了该方向 的研究和开发工作【2 。国内外对于高级氧化技术已开展了大量的研究工作【粥l ，其中胡文 容啊等对超声强化臭氧氧化偶氮染料的脱色效能进行了研究薛向东【4 】对紫外光助氧化 法处理t n t 废水进行了研究，b e l t r a n 【5 j 对紫外光和过氧化氢与臭氧协同作用处理工业 废水进行了研究。 随着电工技术向环境工程领域的渗透，高压脉冲放电已经成为水处理技术的研究热 点，国内外研究表明，高压脉冲放电是水处理的强有力手段7 4 4 。胡祺吴等f 8 】对高压脉 冲放电降解染料废水进行了研究。研究表明，经过高压脉冲放电处理后，染料废水脱色 效果明显，同时其试品含沉淀后的清液化学需氧量t c 值有明显升高，说明高压脉冲 放电所产生的臭氧、超声以及紫外辐射等可以有效地破坏染料废水中染料分子的发色基 团和染料分子的苯环和萘环，有利于提高染料溶液的可生化性。高压脉冲是处理染料废 水潜在的有效途径。陈银生等【9 1 对高压脉冲电晕放电等离子体降解废水中苯酚进行了研 究，研究表明，对1 0 0m g l 。1 苯酚废水溶液放电处理1 8 0m j n ，最高降解率达6 7 3 。 当放电处理4 2 0 m i n 时，废水的t o c 下降8 3 8 。 国内外对于水中高压脉冲放电与臭氧协同作用进行废水处理的研究开始成为热点 “”j ，已有研究报道中以高压脉冲放电作为主要处理手段，臭氧作为辅助手段。研究表 用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 明单独脉冲放电处理与加入0 3 作为辅助手段联用对比，后者效果更好。但是没有关于以 臭氧作为主要手段，高压脉冲放电作为催化手段的研究报道a 1 2 脉冲功率电源国内外现状 脉冲功率电源根据储能组件，脉冲成形回路和触发开关的不同，主要有电容器储能 的脉冲发生器( 其中马克斯吉尔曼发生器应用最为广泛) 、利用传输线原理的脉冲发 生器、电感储能的脉冲发生器和脉冲变压器式电源等。 国内外关于脉冲功率电源的已经进行了大量的研究1 8 2 8 】。德克萨斯大学的 f d a v a n l o o 等对研制的布鲁姆莱恩脉冲功率电源的性能作了报道1 1 9 】。该电源可以将较低 的充电电压进行倍压以达到所需放电电压，而不需要复杂的马克斯储能电路。e j m v a n h e e s c h 等研制了一种快速脉冲功率电源【2 0 l ，并应用于处理导电液体和空气。该脉冲功 率电源可提供上升时间1 0 n s 脉冲宽度1 5 0 n s ，峰值1 0 0 k v 的高压脉冲，效率可达到8 0 。 电路采用脉冲变压器向储能电容充电至3 2 k v ，再利用火花间隙使储能电容向传输线变 压器( t l t ) 放电，从而得到1 0 0k v 的高压脉冲。 国内有关高压脉冲放电水处理用脉冲功率电源的详细报道并不多。已有文献中脉冲 功率电源大部分采用旋转电极式间隙开关作为开关【2 1 也】。旋转电极式间隙开关在实际应 用中的缺点在于，首先，开关体积比较大，不易实现脉冲功率电源的小型化。其次，由 于电极是由电机带动旋转，其自身的电磁干扰问题不易解决。再次，使用旋转电极式间 隙开关的脉冲功率电源在工作时，电机能耗比较大，在小功率脉冲功率电源中所占能耗 比中不容忽视。 1 3 论文选题及研究内容 本课题来源于辽宁省自然科学基金项目液电效应催化臭氧氧化治理废水的试验研 究。 臭氧氧化技术单独应用于废水处理，存在着诸如发生成本高，利用率低，处理费用 高等问题；加之臭氧与有机物的反应选择性较强，在低剂量和短时间内臭氧不可能完全 矿化污染物，且分解生成的中间产物会阻止臭氧的进一步氧化。高级氧化技术，如臭氧 ，紫外、臭氧超声、臭氧电子束等在工程实际中遇到的问题有：大功率超声波发生器、 紫外光源等关键设备的制造维护存在问题；紫外、超声波均存在电能转换的利用效率偏 低的问题；紫外光在水中特别在污水中作用半径短等。高压脉冲放电在实际工程应用中 若单独作为废水处理手段，其能耗和水处理成本很高。且高压脉冲放电水处理横跨电工、 环境、化学、微生物、物理、工程等多门学科，是典型的学科综合交叉，迄今的研究还 很不够。实际应用中的工艺、机理尚存在很多问题。 大连理工大学硕士学位论文 综上，为了能够节约水处理费用、减少能耗和装置体积、增强水处理效果。迫切需 要一种新的水处理方案的提出。本文基于高压脉冲放电水处理和臭氧水处理的机理和发 展趋势，提出了在臭氧气水混合装置中施加高压脉冲产生力、热、声、光等液电效应， 替代紫外光源、超声波发生器等，提高臭氧分解有机污染的作用效果，节约废水处理成 本，实现催化臭氧氧化的新的水处理工艺。与以往的研究f 1 5 。1 。7 】不同，这种新的水处理工 艺具以臭氧氧化作为主要处理手段，高压脉冲放电作为催化手段。研制低成本、小功率、 小体积，操作方便、运行可靠、满足水处理工艺要求的小能量脉冲功率电源。通过本项 目的研究，开发自主知识产权的实用先进技术，不仅对臭氧水处理技术的发展具有重要 的现实意义，而且将会拓宽脉冲功率技术的应用领域，为化工、化学气液反应过程的催 化强化提供新的途径，特别对于治理有机废水的难题提供技术先进、经济合理的技术 手段。 本文在了解国内外废水处理和脉冲功率电源发展现状和趋势的基础上，结合辽宁省 科技基金项目，研制了用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源，并用该电源进行了催化 臭氧废水处理的试验，对试验结果进行了讨论。文章主要包括如下几个方面的内容： ( 1 ) 提出在臭氧气水混合装置中旖加高压脉冲产生液电效应实现催化臭氧化废水处 理的新工艺方案。 ( 2 ) 研制小体积、低成本、操作方便、运行可靠的小能量脉冲功率电源。其中包括主 放电回路的设计，触发回路的设计，电气控制部分的设计和e m c 设计。研究脉冲功率 电源触发回路的触发特性，包括对三电极开关工作过程的研究，对电路工作过程进行分 析计算，以及用示波器采集不同参数下的放电电压波形，考察各电路参数对触发脉冲的 影响规律。 ( 4 ) 将所研制脉冲功率电源应用在染料废水处理的试验中，并对废水处理试验结果进 行分析和讨论。 用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 2 试验方案与装置介绍 2 1 试验方案的提出 在各种废水处理技术中，臭氧氧化技术单独应用于废水处理，存在着诸如发生成本 高，利用率低，处理费用高等问题；加之臭氧与有机物的反应选择性较强，在低剂量和 短时间内臭氧不可能完全矿化污染物，且分解生成的中间产物会阻止臭氧的进一步氧 化。高级氧化技术，如臭氧紫外、臭氧超声、臭氧，电子束等在工程实际中遇到的问题 有：大功率超声波发生器、紫外光源等关键设备的制造维护存在问题；紫外、超声波均 存在电能转换的利用效率偏低的问题；紫外光在水中特别在污水中作用半径短等。高压 脉冲放电在实际工程应用中若单独作为废水处理手段，其能耗和水处理成本很高。且高 压脉冲放电水处理横跨电工、环境、化学、微生物、物理、工程等多门学科，是典型的 学科综合交叉，迄今的研究还很不够。实际应用中的工艺、机理尚存在很多问题。 为了能够克服已有废水处理技术的不足，节约水处理费用、减少能耗和装置体积、 增强水处理效果。本文基于脉冲放电水处理和臭氧水处理的机理和发展趋势，提出了在 臭氧气水混合装置中施加高压脉冲产生力、热、声、光等液电效应，替代紫外光源、超 声波发生器等的新的水处理工艺。这种新的水处理工艺以臭氧氧化作为主要处理手段， 高压脉冲放电作为催化手段。同时研制低成本、小功率、小体积，操作方便、运行可靠、 满足水处理工艺要求的小能量脉冲功率电源。从而达到提高臭氧分解有机污染的作用效 果，节约废水处理成本的目的。 2 2 试验装置 图2 1 试验装置 f 培2 1e x p e r i m e n td e v i c e s 大连理工大学硕士学位论文 图2 2 试验装置 f i g f2 2e x p e r i i n e n td e v i c e s 如图2 1 和图2 2 所示，试验装置包括四部分：脉冲功率电源、电压电流测量装置、 反应器、臭氧发生装置、和臭氧尾气排放装置。其中臭氧发生装置选用b d o 3 型制氧 机和f d x _ 2 型臭氧发生器配合产生臭氧。臭氧尾气排放装置由排风管道和排风扇组成。 脉冲功率电源和反应器为自行设计研制。 2 2 1 脉冲功率电源 总结国内外脉冲功率电源研究发展情况，结合课题中试验对脉冲功率电源性能、技 术参数的具体要求，确定设计要求如下。 首先，为了研究高压脉冲放电作为臭氧氧化水处理催化手段的作用，需要考察各种 试验条件下的水处理效果。这些试验条件包括：放电电压，储能脉冲电容，放电能量， 放电电极距离，臭氧投加量等。以上试验条件几乎均由脉冲功率电源的技术参数所决定， 这就要求所设计的脉冲功率电源具有方便调节以上参数的功能。其次，为方便试验的进 行，有必要实现放电的手动和自动两种工作方式。再次，脉冲功率电源需具有必要的保 护电路。最后，脉冲功率电源需实现小能量，小型化，低成本的设计要求。 本课题所研制的脉冲功率电源( 如图2 3 ) 以电能作为初始能源，用升压变压器升 压，脉冲电容器存储电能，三电极间隙作为开关，触发控制回路为三电极间隙提供触发 脉冲，反应器内待处理的废水作为负载。所研制的脉冲功率电源由主放电回路、触发回 路( 包括触发回路的控制电路) 和电气控制部分组成。 用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 n # * # 图2 3 脉冲功率电源机柜内部结构 f i g 2 3p i l l s e dp o w e rs o u r c ec a b i n e ti 1 1 1 1 e rs 帅c t i | r e 2 2 2 反应器 反应器为圆柱形容器，具有足够的机械强度和绝缘强度，外壳为有机玻璃筒，设计 容积为8 l ，设计处理废水容积为3 l 7l 。反应器如图2 4 。 反应器侧壁分别有循环注水口、循环排水口、0 3 排气口和取样口。循环注水口和循 环排水口分别与水泵的输入和输出相连接。0 3 排气口通过管道将反应剩余的臭氧导入尾 气排放装置排出。取样口的设计原则是方便取样，并且前一次取样遗留在管口内的废水 要尽量少。 端盖部分分别有注水口、地线入口和放电电极接口。注水口是反应用废水的注入口。 注水完毕后，此口可以关闭，且密封要好。地线入口使用防水接口卡将高压线( 地线) 送到放电电极的低压端。 放电电极主体与反应器端盖通过螺纹结合，可以方便调节放电电极整体在反应器内 部的位置。低压电极固定在放电电极主体之上。放电电极的高压电极部分由尼龙棒和铜 棒组成，尼龙棒和铜棒之间通过螺纹用环氧树脂胶合，只露出铜棒端部与反应器内废水 接触，接触面积越小，越有利于放电。高压电极部分和电极主体之间的相对位置可以通 过旋转进行调节，即电极间距可调。 大连理工大学硕士学位论文 图2 4 反应器 f 培2 4r c a c 6 n gd e v i c e 端盖 臭氧捧艘口 反应器底部安装曝气膜，曝气膜孔隙为微米级，允许气体分子通过，不允许水分子 通过，其输入端通过管道与臭氧发生器相连。臭氧通过曝气膜以分散小气泡的形式进入 反应器中参与反应。 2 2 3 电压电流测量装置 本试验对电压的测量选用泰克t d s 一2 0 2 4 数字示波器配合高压探头，对电流的测量 选用示波器、罗戈夫斯基线圈【2 9 _ 3 2 】配合高压探头测量。 示波器使用泰克t d s 一2 0 2 4 数字示波器属轻小型便携式产品，可随身携带。具有高 效率的前面板和生动的彩色显示，探头校验向导，上下文相关帮助以及1 1 种标准自动 测量。具有以下特点和优点：带宽：6 0 m h z 、1 0 0 m h z 、2 0 0 删z ；取样速率可达2 g s s ，2 或4 通道；四种捕获方式：峰值检测( 1 2 n s 毛刺) 、采样、平均、单次；彩色或单色l c d 显示( 1 4 ”v g a ，无源) ：“自动设置”菜单和波形选择；探头校验向导可确保探头的正 确使用；上下文相关帮助：双时基；高级触发( 含脉宽触发，时限范围3 3 n s 一1 0 n s ) ；1 1 项自动测量；多语言用户界面( 含中文) ：波形和设置存储器( 二或四个2 5 0 0 点参考波 形，l o 个前面板设置) ；所有机型都具备f f t 功能；选用t d s 2 c m a 模块、w a v e s t a r t m 软 件和探头可设计各种应用方案。高压探头使用t e k t r o n i x 公司的产品p 6 0 1 5 a 型1 0 0 0 x 高压探头( 1 0 0 0 xh i g hv 0 1 t a g ep r o b e ) 。p 6 0 1 5 a 型高压探头的参数如下：输入电阻为 1 0 0 m q ，输入容抗3 p f ，衰减比为：1 0 0 0 x 。作用是提高示波器和其它测量仪器( 输入电阻 用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 为1m o ，输入容抗为7 p f 至9 p f ) 的高电压测量容量。p 6 0 1 5 a 型高压探头由两个主要 装置组成：探头主体和补偿装置。附件包括：接地线及鳄鱼夹、勾形探头、香蕉插头式 探头、携带式仪器箱 罗戈夫斯基线圈是利用被测电流产生的磁场在线圈内感应的电压来测量电流。它实 际上是一种电流互感器测量系统。其一次侧为单根载流导线，二次侧为罗戈夫斯基线圈。 考虑到所测电流的等效频率很高，所以大多是采用空心的互感器，这样可以避免使用铁 心时所带来的损耗及非线性影响。不过现在也已发展采用带铁氧体磁芯的罗戈夫斯基线 圈，国外的商品之一为p e a r s o n 线圈。此外，在测量平板上分布脉冲电流时，可采用非 环形的直线式罗戈夫斯基线圈。 本试验采用自制的空心互感器的罗戈夫斯基线圈。 大连理工大学硕士学位论文 3 脉冲功率电源的研制 3 1 概述 脉冲功率系统一般包括下列几部分：初始能源、功率调整系统、能量储存单元、脉 冲形成回路、开关和负载。如图3 1 所示： 图3 1 脉冲功率系统 f i 9 3 1p u l s e d p o w e rs y s t e m 初始能源可以是化学能、电能或其它形式的能源。功率调整系统是用来将初始功率 转换成能量储存单元要求的具有特定形式的功率。能量储存单元在一定时问内储存能 量，然后很快将能量释放到脉冲形成回路，脉宽一般在微秒数量级。脉冲形成回路将脉 冲整形( 使其变得更陡，其脉冲的上升时间在纳秒数量级) ，并使其达到定幅值后输 送给负载。采用炸药、电池、磁流体发电机等做初始能源的缺点是体积大、重量大、投 资也大。采用炸药做初始能源时，还有安全问题。现在，常用的初始能源主要是储能电 容器和冲击发电机。般说来，所有各种初始能源都不能直接将能量以很陡的脉冲形式 输送给负载，另外，负载一般要求高电压，而脉冲初始能源不能输出很高电压的脉冲。 功率调整系统的作用主要是；第一，将由初始能源输入的功率进行调整，使其达到较高 的电压；第二，将输入给功率调整系统的功率变成脉冲形式，使能量易于输送给能量储 存单元。能量储存单元的作用主要是两个：一是为功率调整系统提供恒定的负载，起隔 离功率调整系统和脉冲形成回路的作用：二是在输出一个脉冲到脉冲形成回路之后，为 产生下一个脉冲储存能量。脉冲形成回路的作用是将能量储存单元输送来的能量转换成 陡的脉冲，以便经过开关输送给负载。开关是脉挣功率系统中的关键组件，开关性能的 好坏，最直接影响输出脉冲的技术参数，尤其是输出脉冲的上升时间”目。 本课题所研制的脉冲功率电源以电能作为初始能源，用升压变压器升压，脉冲电容 器存储电能，三电极间隙作为开关，触发控制回路为三电极间隙提供触发脉冲，反应器 内待处理的废水作为负载。此脉冲功率电源的工作过程如下：交流2 2 ( ) v 经过由升压变 压器升压后在通过整流得到十千伏左右高压，电能存储在脉冲电容器中。此日t ，触发控 制回路向三电极间隙的点火针和低压电极之间提供一个峰值1 5 k v 3 0 k v 的触发脉冲， 点火针和低压电极之间的空气间隙首先导通，随后高压电极和低压电极之闻的窄气间隙 点火针和低压电极之间的空气间隙首先导通，随后高压电极和低压电极之问的空气间隙 用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 被触发导通，此时脉冲电容器所存储的能量就通过三电极间隙加在负载上，使负载得到 极大的瞬时功率。 试验用脉冲功率电源的设计要求如下：1 放电电压，放电能量，放电电极距离，放 电时间间隔可以方便调节。2 具有手动和自动两种工作方式。3 具有必要的保护电路。 4 ，j 、能量，小型化，低成本。 所研制的脉冲功率电源由主放电回路、触发回路和电气控制部分组成，下面分别予 以说明。 3 2 主放电回路 图3 2 主放电回路原理图 f i 9 3 2 m j 砸d i s c h a t 醇c i r c l l i t 图3 3 主放电回路器件布置 f i g 3 3m a i l l d i s c h a r g ec i r c u i tc o m p o n 蚰tl a y o u t 主放电回路如图3 2 和图3 3 所示，图中a c 2 2 0 v 为交流2 2 0 v ，t 1 为接触调压器， 1 0 一 大连理工大学硕士学位论文 t 2 为升压变压器，d 为高压整流硅堆，r 为充电电阻，c 为储能电容，k g 为三电极开关， f y q 为反应器。将主放电回路视为充电回路和放电回路的组合。在充电回路中，交流2 2 0 v 经接触调压器t 1 和升压变压器t 2 输出，由高压整流硅堆d 整流后，将能量储存在脉 冲电容器c 中；在放电回路中，从触发回路得到的高压触发脉冲( 2 0 k v 以上) 使三电 极间隙开关k g 的触发极与低压极之间的空气间隙首先接通，进面触发高压极与低压极 之间的空气间隙接通，使己充电的电容器对负载放电，在负载上得到极大的瞬时功率。 ( 2 ) 充电过程： 交流电网电压： “= 如s i i l w f 接触调压器输出： “1 = 妇= 七而s i n w r 其中k 为接触调压器的调压系数。 升压变压器输出： “2 = 以“l = 以七互d s i n w r 其中n 为升压变压器的变比。 升压变压器的输出u 2 通过高压整流硅堆d 进行单相半波整流。 稳态时脉冲电容器上电压： u ：面 脉冲电容器上的储能： 职= 昙c u 。2 ( 3 ) 放电过程： 当三电极开关触发极与低压球极之间的空气间隙在触发脉冲作用下接通后，脉冲电 容c 开始对负载放电，表现为水的击穿过程。 水的击穿过程，可以用图3 3 的模型和等效电路表示。图中、c 。分别为流注发展前 水的电阻和电容值。 图3 4 ( a ) 是间隙中流注发展( 从阳极到阴极) 的描述。 图3 4 ( b ) 为流注发展前的等效电路，图中如、c 。分别为流注发展前水的电阻和电 容值。 当水中的流注开始发展以后，、c ，便发生变化。这时，间隙可以用含有、c 。 l s 、r s 的等效电路表示，该电路如图3 4 ( c ) 所示，图中所有参数都是随时间变化的。 用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 r 。代表流注发展后的水的电阻，c 。代表流注头部与阴极之间的电容；r 。和l 。分别代表流 注的电阻和电感。 a 流注发展 c ar s ( a ) 一 ( d ) 图3 4 水的击穿过程 f i g 3 4b r e a l ( o u tp r o c e s so f w a t e r 图3 5 主放电回路放电过程 f ”5d i s c h a r g ep m c e s so f m a i l ld i s c h a r g ec i 删t 动作 鲤 格式 衄 4 删沁k 一、一k 一时一 关千 存图像 选择 文件夹 储存 t e k 0 0 0 8 b m 图3 6 电流波形 f 培3 6 c u r r e n t w a v e f b l 1 2 一 a 扣 大连理工大学硕士学位论文 当流注发展到达阴极，即放电间隙导通对，和为零。这时，等效电路如图3 4 ( d ) 所示。 参数岛、c 。、艮、c 。l s 和r 。均随时间变化，代表了间隙击穿的动态过程。但是这些 参数是不易测得的。所以，以上三种等效电路只是一种定性的说明【l 趴。 设放电间隙导通后回路中的等效电阻为r 。，等效电感为l 。，则储能电容c 与r d ，l d 构成 r l c 二阶电路，如图3 5 所示。 放电过程如下：储能电容c 通过等效电阻r 。和等效电感放电，为一衰减振荡放电过程。 在此振荡放电过程中电容c 和电感l 。之间进行储能的转换。若将半个周期分为三个阶段， 则第一阶段，电容释放储能，一部分供电阻消耗，另一部分转换为电感储能，第二阶段， 电容电感均释放储能供电阻消耗，第三阶段，电感释放储能供电阻消耗外，其余转换为 电容储能。如此周而复始，由于电阻不断消耗能量，电容中的电能和电感中的磁能不断 减少，因此u 。和i 的振幅不断衰减直到能量消耗完毕，u c 和i 都衰减到零。放电电流波形 如图3 6 。 3 3 触发回路 触发回路为主放电回路中三电极开关的触发极提供峰值为2 0 k v 以上的高压脉冲。 触发回路的性能决定了脉冲功率电源能否可靠运行，是脉冲功率电源中最重要的部分。 3 3 1 触发回路的组成与工作原理 a c 习厂 1 7 广- k ( ：qr f 11 扣 图3 7 触发回路原理图 f i g 3 7t r i g g e rc i r c u n 触发回路的工作原理是：来自控制回路的触发脉冲信号加在可控硅q 1 的门极，从 而控制可控硅q 1 的导通( 脉冲为高电平) 和关断( 触发脉冲为低电平，且阳极和阴极 用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 之间电压低于可控硅正向管压降) ，进而控制脉冲电容器c 1 进行充放电，所产生的脉 冲高压经过点火线圈( 升压变压器l 1 一l 2 ) 输出，为主放电回路中的三电极开关的触 发极提供触发脉冲。 电路组成如图3 7 和图3 8 所示，包括隔离变压器t 2 、整流二极管d l 、充电电阻 r 1 、储能电容c 1 、可控硅q l 、点火线圈l l l 2 、限流电阻r 2 、高压侧触发电容c 2 和三电极开关k g 。”。 图3 8 触发回路器件布置 f l g 3 8t 啦g e rc l r c u j tc o m p o n e m1 a y o u t ( 1 ) 自感式升压脉冲变压器 为减小脉冲功率电源体积，同时降低成本，本脉冲功率电源选用点火线圈作自感式 升压脉冲变压器。 通常的点火线圈里面有两组线圈，初级线圈和次级线圈。初级线圈用较粗的漆包线， 通常用0 5 1 毫米左右的漆包线绕2 0 0 5 0 0 匝左右；次级线圈用较细的漆包线，通常用 o 1 毫米左右的漆包线绕1 5 0 0 0 一2 5 0 0 0 匝左右。初级线圈一端与车上低压电源( + ) 联接， 另一端与开关装置( 断电器) 联接。次级线圈一端与初级线圈联接，另一端与高压线输 出端联接输出高压电。点火线圈之所以能将车上低压电变成高电压，是由于有与普通变 压器相同的形式，初级线圈与次级线圈的匝数比大。但点火线圈工作方式却与普通变压 器不一样，普通变压器是连续工作的，而点火线圈则是断续工作的，它根据发动机不同 的转速以不同的频率反复进行储能及放能。当初级线圈接通电源时，随着电流的增长四 大连理工大学硕士学位论文 周产生一个很强的磁场，铁芯储存了磁场能；当开关装置使初级线圈电路断开时，初级 线圈的磁场迅速衰减，次级线圈就会感应出很高的电压。初级线圈的磁场消失速度越快， 电流断开瞬间的电流越大，两个线圈的匝比越大，则次级线圈感应出来的电压越高。点 火线圈依照磁路分为开磁式及闭磁式两种。传统的点火线圈是用开磁式，其铁芯用o 3 毫米左右的硅钢片叠成，铁芯上绕有次级与初级线圈。 可见，选用点火线圈作自感式升压脉冲变压器体积小，满足装置小型化设计要求， 且性能可靠，性价比高。 ( 2 ) 晶闸管作为开关 晶闸管( 1 1 1 y t i s t o r ) ，又称作可控硅整流器( s i l i c o n c o n 仃0 1 1 e dr e c d f i e r ) ，以前被 简称为可控硅。以晶闸管为代表的电力半导体器件的广泛应用曾经开辟了电力电子技术 迅速发展和广泛应用的崭新时代。与全控型器件相比，晶闸管所能承受的电压和电流容 量是目前电力电子器件中最高的，而且工作可靠，价格相对较低。所以在满足功能要求 的条件下，选择晶闸管作为开关组件是比较合理的。本脉冲功率电源对于开关器件的开 关速度、开关频率和开关损耗不做过高要求，因此综合考虑器件的功能、可靠性和性价 比，选择晶闸管作为开关器件。 本脉冲功率电源选用的开关器件为晶闸管，其断态重复峰值电压u d r m 满足电路工 作要求。 晶闸管正常工作时的特性如下：1 当晶闸管承受反向电压时，不论门极是否有触发 电流，晶闸管都不会导通。2 当晶闸管承受正向电压时，仅在门极有触发电流的情况下 晶闸管才能够导通。3 晶闸管一旦导通，门极就失去控制作用，不论门极触发电流是 否还存在，晶闸管都保持导通。4 若要使已导通的晶闸管关断，只能利用外加电压和外 电路的作用使流过晶闸管的电流降到接近于零的某一数值以下。或者移走正向电压。 ( 3 ) 三电极间隙开关作为脉冲放电开关。 作为电容器组连续脉冲放电用的开关组件，有旋转开关、引燃管、真空开关、固体 介质开关和三电极间隙开关( 又称为火花隙开关) 等。旋转开关的结构简单，耐用，但 电感大。引燃管作为电容器放电开关时，其起动电压低( 数十伏) ，重复频率较高，但 耐压较低( 只有2 5 k v ) ，且价格昂贵。真空开关可取较高的击穿强度，间隙距离小，电感 低，但它需要抽真空系统，使用不方便，而且寿命也不够长。固体介质开关的电极距离 小，电感低，但每次放电后必须更换固体介质薄膜，不能用于重复频率的场合。三电极 点火开关比旋转开关电感低，比引燃管价格低、耐压高，比真空开关寿命长，比固体介 质开关可连续运行，且重复频率高。三电极点火开关可依据实际情况自行设计和进行加 工【l 。因此本课题使用三电极点火开关作为脉冲放电开关。 用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 ( 4 ) 触发回路的触发特性详见第4 章 3 3 2 触发回路的控制电路 ( 1 ) 控制电路实现的功能 控制电路为触发回路中晶闸管的门极提供电压方波脉冲。高电平时，晶闸管被触发 导通，进而储能电容放电；低电平时，晶闸管自行关断，储能电容充电。 电压方波脉冲的三种产生方式：1 手动按键产生单次电压方波脉冲；2 利用单片机 内部定时器计数器输出相位频率可调的p 嘲脉宽调制输出；3 储能电容经过电阻分压锝 到5 v 电压，该电压反馈至单片机内部电压比较器，自动产生电压方波脉冲。 ( 2 ) 控制电路组成及各部分原理 控制电路由m e g a 8 单片机及其外围电路组成，如图3 9 所示。外围电路包括电源部 分、l c d 显示部分、面膜按键、在线编程端口、反馈电压比较、光耦隔离等。下面分别 对各部分电路进行说明。 图3 9 控制电路原理图 f i g 3 9c 0 n t r o lc i r c u i t 电源部分 电源作为电子设计的心脏，对电子设备的安全可靠运行有着至关重要的作用，因此 大连理工大学硕士学位论文 在系统的开发设计时要选择优良的电源。尤其是本课题试验过程中，高压脉冲放电产生 很强的电磁干扰，对电源的性能提出更严格的要求。 本课题所研制脉冲功率电源选用开关电源模块产品。该电源模块特点是，采用进口 元器件，可靠性高；直流纹波小，工作效率高；设计软启动电路，交流浪涌电流限制： 工作温度低，使用寿命长；具有良好的抗干扰性能。选用两路独立的+ 5 v 电源分别给高 低压部分供电。两部分之间采用光耦隔离，防止高压电路部分对低压部分的干扰。反复 试验证明所选用开关电源模块工作可靠，满足设计要求。 l c d 显示部分 显示部分原理图如图3 1 0 所示。由液晶显示模块、m e g a 8 单片机及其外围器件组成。 显示部分选用带国标中文字库图形液晶显示模块。该中文液晶显示模块的特点是： 显示模块的字型r o m 内含有8 1 9 2 个1 6 丰1 6 点中文字型和1 2 8 个1 6 $ 8 半宽的字母符号字 型；另外绘图显示画面提供一个6 4 2 5 6 点的绘图区域g d r a m ；而且内含c g r a m 提供4 组软件可编程的1 6 $ 1 6 点阵造字功能。电源操作范围宽( 2 7 vt o5 5 v ) ；低功耗设计 可满足产品的省电要求。同时，与单片机等微控器的接口界面灵活( 三种模式：并行8 位4 位，串行3 线2 线) 。 图3 ，l o 显示部分原理图 f 培3 1 0d i s p l a yc i r c u i t 中文液晶显示模块可实现汉字、a s ci i 码、点阵图形的同屏显示。具有上下左右 移动当前显示屏幕及清除屏幕的命令，具有光标显示闪烁控制命令及液晶睡眠唤醒 关闭显示命令。预留多种控制线( 复位串并选择亮度调整) 供用户灵活使用。 用于催化臭氧废水处理的脉冲功率电源的研制 显示模块的电性能参数为：模块电压5 v ，模块电流2 m a ，输入电压0 v v d d 。 如图3 1 0 所示，选择4 一b i t 并行传输模式( p s b 脚接高电平，并由指令位d lf l a g 来选择) ，在4 一b i t 并行传输模式中，每一位八位的指令或资料都被分为二组：较高4 位( d b 7 d b 4 ) 的资料被放在第一组的( d b 7 d b 4 ) 部分，而较低4 位( d b 3 d b 0 ) 的 资料则被放在第二组的( d b 7 d b 4 ) 部分。 v o 和v r 脚功能为l c d 亮度调整，外接可变电阻v r l 。l a 和l k 为背光源正负极，外 接可变电阻v r 2 。d 4 d 7 脚为数据输入输出脚。 显示模块所显示的参数为：p w m 脉宽调制输出的频率和占空比，以便于接下来的触 发回路触发特性的研究。 按键部分 通过按键操作，首先可以选择工作方式为手动触发、电压反馈自动触发或者p w m 脉 宽调制输出；其次当工作方式为p w m 脉宽调制输出时，可以改变其频率和占空比。以上 功能主要由软件实现。硬件电路简单，如图3 1 l 所示。 图3 1 l 按键部分原理图 f i g 3 1 1k e ) 审r e s sc i r c u i t 电压反馈比较部分 如图3 1 2 所示，电压反馈比较部分的关键部分是运算放大器及其外围器件构成的电 压比较器，参考电压v r e f 由电阻r 1 3 和r 1 5 分压得到，加于运放的反相端。输入信号 v l 由一只高压电阻和一只普通电阻分压得到，分压值略高于参考电压，加于运放的同相 1 8 大连理工大学硕士学位论文 端。这时，运放处于开环工作状态，具有很高的开环电压增益。当输入信号电压v i 小 于参考电压v r e f 时，运放处于负饱和状态，v o = v o l ；当输入信号电压v l 大于参考电压 v r e f 时，运放立即转为正饱和状态，v 0 _ v o h ；此时，光耦u 3 动作，发射极输出一定幅 值的电压。此电压再作为m e g a 8 单片机内部电压比较器的输入信号与r 1 3 和r 1 5 分压得 到的参考电压进行比较，输出由软件识别，随后执行相关程序。 图3 1 2 电压反馈比较部分原理图 f i g | 3 1 2v 0 1 t a g ef e e d b a c kc o m p 州n gc i r c 伍t 3 4 电气控制与e m c 设计 3 4 1 电气控制 电气控制所要实现的功能主要是：控制脉冲功率电源各部分( 主回路，触发回路， 控制回路，电其控制) 电路的