（高电压与绝缘技术专业论文）脉冲放电等离子体催化还原脱硫技术研究.pdf

华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 a b s t r a c t 叮 t h e d i s s e r t a t i o n m a k e s a d e t a i l e d s t u d y o f t 卜t e c h n i q u e d e v e l o p e d b y u s f o r r e d u c t i o n o f s u l f u r d i o x i d e f r o m f l u e g a s w i t h h i g h v o l t a g e p u l s e g a s d i s c h a r g e p l a s m a u n d e r l o w e r t e m p e r a t u r e . a i i r e s e a r c h i n c l u d e s t h r e e p a r t s . i n p a r t o n e , a d a t a i l e d s t u d y o f h i g h v o l t a g e p u l s e g e n e r a t o r h a s b e e n i n v o l v e d . a c t i v e p o w e r f a c t o r c o r r e c t i o n c i r c u i t i s u s e d t o r e d u c e t h e p o l l u t i o n o f g e n e r a t o r t o p o w e r l i n e， t o m a k e o u t p u t v o l t a g e s t a b l e a n d t o r e g u l a t e o u t p u t v o l t a g e a s n e c e s s a r y . m u c h a t t e n t i o n h a s b e e n p a i d t o h i g h v o l t a g e t r a n s f o r m e r w o r k i n g i n m i d d l e f r e q u e n c y . t h e r e s u l t s s h o w : r e d u c i n g l e a k i n d u c t o r a n d d i s t r i b u t i o n c a p a c i t o r , c u r r e n t t h r o u g h i g b t c a n b e r e d u c e d ， t h e s t u d y o n t h e f i e l d d i s t o r t i o n s p a r k g a p s h o w s : t h e e l e c t r o d e s d e s i g n e d w i t h r o t a t i n g e 川 p s e c o r r e c t e d m e t h o d - w o r k s w e l l . m o v i n g c o n t r o l e l e c t r o d e d o w n p r o p e r l y a n d r a i s i n g t r i g g e r i n g v o l t a g e p e a k c a n m a k e t h e r a n g e o f m a i n v o l t a g e w i d e r . m a i n v o l t a g e i s a m a i n f a c t o r i n f l u e n c i n g s w i t c h d e l a y , u s i n g p r o p e r b l o w i n g c a n r a i s e w o r k i n g f r e q u e n c y o f g a p . a v o l t a g e m u l t i p 歹 n g c i r c u i t w i t h s m a l c a p a c i t o y i s u s e d t o s o l v e t h e p r o b l e m i n d e s i g n i n g h i g h v o l t a g e t r a n s f o r m e r w e i . t w o m a n - m a d e t r a n s m i s s i o n l i n e a r e u s e d t o g i v e o u t r e q u i r e d p u l s e v o l t a g e w a v e f o r m i n p a r t t w o , w r i t e r a n a l y s e s t h e e l e c t r i c f i e l d w i t h c a t a l y s t t h e o r i c a l l y.t h e r e s u l t s s h o w : t h e m o s t i n t e n s i v e e l e c t r i c f i e l d o f p e l l e t s i n t h e e l e c t r i c f i e l d o c c u r s a t t h e t w o e n d s a l o n g e l e c t r i c f i e l d , a n d t h e l a r g e r t h e d i e l e c t r i c c o n s t a n t。 t h e m o r e i n t e n s i v e t h e e l e c t r i c f i e l d . f o r t w o l a y e r p e 日e t s , o u t e r d i e l e c t r i c m a t e r i a l s h a v e m a i n l y i n f l u e n c e o n t h e e l e c t r i c f i e l d a t t h e s u r f a c e a n d t h e t h i c k n e s s o f o u t e r d i e l e c t r i c m a t e r i a l s d o n o t . i n t h e m a n y p e l l e t s c a s e s , t h e p e a k o f e l e c t r i c f i e l d o c c u r s a t t h e c o n t a c t p o i n t o f t w o p e i l e t s . t h e s m a 日e r t h e a n g l e b e t w e e n t h e i n e l i n k i n g t w o p e l l e t c e n t e r s a n d e x t e r n a l e l e c t r i c f i e l d a p p l i e d , t h e m o r e i n t e n s i v e t h e e l e c t r i c f i e l d . t h e s t u d y o f d i s c h a r g e w i t h p e l l e t s s h o w : t h e c o n t e n t o f w a t e r i n p e l l e t s h a s l a r g e i n f l u e n c e o n t h e d i s c h a r g e b e t w e e n p e l l e t s . t h e m o r e w a t e r t h e p e l l e t s c o n t a i n s , t h e m o r e i n t e n s i v e t h e d i s c h a r g e. t h e r e g u l a r i t y f o r i n f l u e n c e o f p u l s e v o l t a g e w a v e f o r m a r e : u n d e r p o s i t i v e o s c i l l a t i n g p u l s e v o l t a g e a n d r e c t a n g l e p u l s e v o l t a g e ， d i s c h a r g e i s s t r o n g e r , e s p e c i a l l y f o r t h e r e c t a n g l e p u l s e v o l t a g e . t h e c o n t e n t o f p e l l e t s h a s a l i t t l e e f f e c t o n d i s c h a r g e , a n d t h e s t r u c t u r e o f e l e c t r o d e s h a s l i t t l e i 一- 一一 一一 一一 一一一一币i ， 一- - -一 e f f e c t o n 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 t h e d i s c h a r g e b e t w e e n p e l l e t s . i n p a r t t h r e e , f i r s t l y , w e s t u d i e d t h e r e g u l a r i t y o f c o , t r a n s f o r m e d i n t o c o u n d e r p u l s e d i s c h a r g e . t h e r e s u l t s s h o w : w h e n t h e r e i s c a t a l y s t , t h e m o r e c o i s p r o d u c e d , a n d t h e c o n c e n t r a t i o n o f c o , h a s l i t t l e i n f l u e n c e o n t h e c o n c e n t r a t i o n o f c o p r o d u c e d . w i t h c a t a l y s t , t h e e f f e c t o f t h e c o n c e n t r a t i o n o f o x y g e n o n c o p r o d u c e d c a n b e r e d u c e d . t h e r e s u l t s o b t a i n e d b y r e d u c t i o n o f s 0 , w i t h c a t a l y s t a n d p u l s e d i s c h a r g e p l a s m a s h o w : u n d e r l o w e r t e m p e r a t u r e , t h e r e d u c t i o n o f s 几b y c o c a n b e f i n ! s h e d u n d e r c a t a l y s t a n d p u l s e d i s c h a r g e p l a s m a . t h e r e a s o n s p o s s i b l l y a r e f o l l o w i n g : t h e e q u i l i b r i u m c o n c e n t r a t i o n o f t h e p r o d u c t s i s c h a n g e d b y p u l s e d i s c h a r g e p l a s m a . r e a c t a n t s a r e a c t t e d u n d e r p u l s e d i s c h a r g e p l a s m a ( e x c i t i n g , i o n i z i n g a n d r 创 i c a l s p r o d u c e d ) . ma t t h e c a t a l y s t s u r f a c e , o x y g e n v a c a n c y i s p r o d u c e d t h r o u g h t h e c o l i i d i n g o f h i g h e n e r g y e l e c t r o n . t h e m o v e o f e l e c t r o n s i n t h e c a t a l y s t i s s p e e d u p b y i n t e n s i v e e l e c t r i c f i e l d . a m o n g t h e c a t a l y s t s w e u s e d , m o c o / y - a 1 , 0 , s u i p h u r i z e d a n d p e r o v s k i t o t y p e o x i d e c o n t a i n i n g i a n t h a n u m h a v e w e l l e f f e c t f o r t h e r e d u c t i o n o f s o , b y c o u n d e r p u l s e d i s c h a r g e p l a s m a . r a i s i n g t h e a d s o r p t i o n o f r e a c t a n t s o n t h e c a t a l y s t c a n r a i s e r e a c t i n g a m o u n t o b v i o u s l y k e y w o r d s : p u l s e g a s d i s c h a r g e , r e d u c t i o n b y c a t a l y s i s , d e s u l f u r i z a t i o n c a t a l y s t . 考 一 一 万 r 分. .只翻 . 口习 区牙一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章 绪论 i 圣 1 . 1 烟气脱硫技术研究的目的和意义 1 . 1 . 1 s o : 排放及酸雨现状 从目前世界发达国家大气污染控制的发展趋势看，控制氮化物的排放己提到 了相当重要的地位，s o , 排放己不是重要问题。这一方面是由于发达国家相关控制 法规的完善和能源结构的特点，另一方面， 用。而在我国，当前巫待解决的重大环境问题之一仍是s 0 2 的超量排放及山此引起 的酸雨问题，原因一方面是山于我国相关控制法规和措施的不完善性，另一方面 是山干我国能源结构的特残性。图 卜1 所示为一些国家能源结构的比较 1 1 , 2 , j . 4 ) 我国的能源结构 ( 9 0 年统计) 关国 1 9 5 0 年能源结构关国 1 9 7 0年能源结构 摩洛哥、挪威能源结构日 本 1 9 5 5 年能源结构日 本 1 9 7 5 年能源结构 图1 - 1一些国家能源结构比 较 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 我国每年用于发电的煤炭占全国煤碳产量的1 / 4 以上， 且高硫煤占很大比例， 特别是西南地区，高硫煤占全部消耗量的 6 2 % ，含硫量一般为 2 % - 4 % ,硫多以硫 铁矿形式存在2 。 虽然用于发电的煤炭消耗量仅占总消耗量的1 / 4 左右， 但由于 所燃煤中含硫量高于平均水平，且集中排放，强度大，造成的危害也大。因此， 治理s %污染，控制电厂排放，是重要方面。根据 煤炭工业 “ 九五” 及2 0 1 0 年 发展规划 ，到 2 0 0 0 年和 2 0 1 0 年，我国煤炭产量将分别达到 1 4 . 5 和 1 8 亿吨， 2 0 2 0 年将达到2 1 亿吨， 其中煤炭增加量主要用于发电。1 9 9 5 年底，我国火电装 机容量为1 6 0 , no w, s o ， 排放量占全国总排放量的3 5 % : 到2 0 0 0 年， 火电装机容 量将达到 2 2 0 , o o o m w , s o , 排放量接近全国总排放量的一半;预计到 2 0 1 0年，火 电装机容量达到3 7 0 , o o o m w , s o : 排放量将达到全国总量的2 / 3 “ ， 。 1 9 9 7 年， 全国 二氧化硫排放量为2 3 4 6 万吨5 ) ， 如果在2 0 1 0 年， 全国 煤炭需求量达到1 8 亿吨， 则5 0 z 排放量将达到3 0 0 0 万吨左右。 值小于5 . 6 的酸性降雨 占统计城市的4 7 . 8 % e 。1 9 9 7 年统计6 1，降雨 年均p h 值小于 其中，7 5 % 的南方城市 长江以南)降 “ “ l m lk j i . 。 r a = n l f 1 1 r i i 1 14 m -y 4 . b e%if ff cc 沙、 遵义、 杭州和宜宾。 在统计的城市中，7 1 . 7 % 的南方城市出现过酸雨。华中是酸雨污染最严重的区域， 降水年均 p h 值小于5 . 0 ,酸雨出现频率大于7 0 % ;另外，西南和华南也是酸雨污 染较严重的区域，西南除重庆外，中心区域降水年均p h 值低于5 . 0 ，酸雨出现频 率为7 0 % ;华南酸雨区主要分布于珠江三角洲及广西中部，且有日 趋严重的趋势。 我国酸性降雨中硫酸根与硝酸根当量浓度比大约为 6 4 : 1 ，硫酸根的原生物主 要是 s o , ;二氧化硫排放量与煤炭消耗量自1 9 8 3年到 1 9 9 5年h)的相关系数达到 。9 6 ， 这表明二氧化硫排放是降雨呈酸性的主要原因之一c:e 因此，鉴于我国能 源资源、能源生产和消耗的特点，未来煤炭消费增长量、消耗方式和控制二氧化 硫的政黄为度是冷定中国二氧化硫和醉雨污染发展趋势的主要因素。 1 . 1 . 2 s o : 和酸雨造成的危害 环境空气中 据英国 1 9 9 8 s o , 的主要危害是引起人体呼吸系统疾病， 年的评估报告，英国每年有多达2 4 造成人群死亡率增加。 中， s 0 2 引起的死亡人数为3 , 5 0 0 人: ， 0 0 0 人由于大气污染而早死，其 s 0 ， 被吸收进入体内后，首先在体液中转化成为它的代谢衍生物一亚硫酸盐和 亚硫酸氢盐， 这些物质对组织、 细胞及生物大分子产生损伤。 研究表明: 接触s o , 污染的工人其血淋巴 细胞染 色体畸变、 姐妹染色单体交换及微核率 均显著 提高( :, e 7 酸雨也会对农作物和生态系统造成极大危害。 据张林波等人对7 省农业危害研 究表明 9 7 : 7 省受酸沉降影响， 造成主要农作物的经济损失每年约合人民币3 6 . 9 8 9 亿元.冯宗炜等人的研究表明 !， :酸雨引起池塘中浮游生物明显减少，底栖生物 中的0 1 论o c h a e t a 现存量减少; 户缘绩等的研究表明: 酸雨明显抑制了马尾松和香 樟的生长，引起森林衰亡。 高浓度s 0 : 和粉尘污染的协同作用， 每年造成对人体健康损害的经济损失约为 .- -一-，一一一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 9 5 0 亿元 ( 1 9 9 5 ) ，占g d p 的1 . 6 % ; 接经济损失达几百亿元 13 1 9 9 5 年仅酸雨污染给森林和农作物造成的直 酸雨除危害人体健康 每年造成的损失难以估计 ，破坏生态环境外，还会腐蚀建筑材料，破坏工业设备， 3 我国的s o : 控制对策 1 9 9 8 年1 月1 2 日， 国务院正式批准了 酸雨控制区 和二氧化硫污染控制区 划 阳 分方案 ，明确划定了酸雨和二氧化硫控制区域 ( 下称两控区) 。酸雨控制区划分 原则为: 现状检测降雨p h -4 . 5 , 硫沉降 超过临界负荷， s o , 排放量较大。 s 0 2 控制区的划分原则为: 近年来空气s 0 2 平均浓度超过国家二级标准， 日 平均浓 度超过国家三级标准，3os o z 排放量大，以城市为基本控制单元。根据上述原则 划定的两控区总面积占国土面积1 1 . 4 % ， 其中酸雨区占国土面积8 . 4 % , s o z 控制区约 占3 % 。两控区中s o , 排放量在 1 9 9 5 年约占全国总排放量的6 0 % 。因此，重点控制 两控区，可基本控制全国酸雨和二氧化硫污染恶化趋势 ” 。 根据 国务院关于环境保护若干问题的决定 ，国家环保局在 国家环境保 护 “ 九五”计划和 2 0 1 0年远景目 标中，明确规定了两控区控制方案:到 2 0 0 0 年， s o : 排放量控制在 1 9 9 5 年水平; 环境保护重点城市空气中 s 0 2 浓度达到国家环 境质量标准;到2 0 1 0 年， s o : 排放量要比2 0 0 0 年排放量减少 1 0 % ; 所有城市空气 中 s o , 浓度达到国家环境质量标准:降水 p h -然后， 在回路2中，一旦i7 流管t h l 动作， 就通过变压器几产 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 卜 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，由于晶闸管的开通时间较长 ( 一般为几个到几十 u s e 2 1 ) ，导致晶闸管损耗较大，使得电 源效率难以 提高， 高压大电流闸流管的 寿命一般较短 ( 通常为 1 0 0 0 - 2 0 0 0小时) ，并且价格昂贵，使得该电源在使用中维 修频繁，可靠性有限，运行费用大大增加。 较新发表的脉冲电 源由e r w i n h . w. m. s m u l d e r s 等人设计完成5 3 j 。其回路如 图 2 - 1 . 4 所示: 此回路利用 t , , l . 给 c , 谐振充电，再通过t ， 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 h v 充电。 在高 压开关s . 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 输出脉冲电压的反向电压来触发高压开关。存在的问题有: 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， 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。 一. . . . . . . . . . . ， 网. . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . .， 一一一一一. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 一 i i 作者计 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 图2 - 1 . 4 电源效率还有待进一步提高。 前面所提到的电源都没有考虑电源对电网的谐波污染问题，e r w i n h . w m. s m u l d e r s等人设计电源可能在主滤波回路中考虑了对电网谐波污染问题，但使用 的也许是无源滤波器。无源滤波器的缺点是:尺寸大、难以达到高功率因数 ( 一 般要求 0 . 9 左右) 。 夸 2 . 2 我们所设计的电源。 在我们所设计的脉冲电源中，采用最先进的电力电子器件和回路，使用有源 功率因数校正回路，使功率因数达 0 .9 8;低压控制部分的开关均采用高速i g b t , 大大减小了开关损耗。所设计高压毫微秒脉冲电源的总体框图如图2 - 2 . 1 所示: 图2 一 21 下面我们对每一部的设计与调试进行说明。 2 . 2 . 1 电源输入回路的设计与调试 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 我们采用平均电流控制的 b o o s t功率因数校正器。其主要特点是用电流误差 放大器作电流比较器，以输入整流电压和输出电压误差放大信号的乘积为电流基 准，电流环调节输入电流平均值，使输入电流与输入整流电压同相位，并接近正 弦波。由于电流环有较高的增益和带宽。使跟踪误差产生的畸变小于 1 %，容易实 现接近于 1 的功率因数s 4 。平均电流控制有源功率因数校正的原理图如图2 - 2 . 2 所 不 。 叫i v . v 。 入g t p v 门 功 执 va ” v 图2 - 2 . 2 平均电 流控制的b o o s t 功率因数校正器电 路原理图 控制芯片采用美国 u n i t r o d e 集成电路公司生产的u c 3 8 5 4 b ，其结构框图见附 录2 所示。此电路的设计参量为: 输入电 压范围:1 6 0 - 2 6 0 v 输入电 压频率: 5 0 r z 输出电压中心值:4 0 0 v d c 最大输出电 流:2 a 电 源效电率:9 5 % 图2 - 2 . 3 -. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 行 . ， . ， . ， ，. . .-. . . . . . . 一 . . ， . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .- 1 3 一， 尸- 勺 一 - 一 - . 尸 r 呀 1 匀 日 ， r ， . ， ， ，一 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 电 源工作频率:1 o o k h z 功率因数校正电路设计的关键是电感 l的设计，具体设计数据与步骤见附录 3 。 u c 3 8 5 4 b的应用电路如图2 - 2 . 3 所示。如果电感设计不合理，不但输出电压不正常， 还会出现烧开关的现象。图2 - 2 .4 为电感出现饱和时的电压电流波形。 由于 b o o s t 转换器的工作过程是:开关导通时电 感储存能量，当开关关断时， 电 感能量通过d向输出电容c o 输送能量。 如果在开关导通期间， 电感进入饱和状态， 则其就不能存贮足够能量，结果是输出达不到设计功率。对于正常设计的电感，其 电感电流波形如图2 - 2 .5 所示。整流桥后电压和电流波形如图2 - 2 .6 所示，由此可看 出:电压电流基本上同相位。 另 外，在此电 路中为了 实现一定的调压功能， 输出 取样电阻的低压部分 r x 采用 美国x i c o r 公司生产的非易失性数字电位器x 9 3 1 2 w ( 1 0 k , 1 0 0 个抽头) ， 控制信号 来自 单片机控制部分，由单片机控制部分对反应器电 流状态的判断来决定r , 阻值。 ) ch i2 o a vv .比 100 、1 的胜1 ， 1 . 图2 - 2 .4 电感饱和时电流波形 l) c卜i : 幻肚盆 一 图 2 - 2 . 5正常工作电感电流 ! 一 ! (!脚 图2 - 2 . 6 整流桥后电压电流波形 一 . . . . . . . . . . . . . . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 4 -下二 一 ，丁一-一一一丁下丁丁m oir i 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 互 2 . 2 . 2 功率变换部分的设计 2 . 2 . 2 - 1 功率变换回路。 功率变换回路采用半桥式电路， 其原理图如图2 - 2 . 7 所示。 逆变回路之所以采用半桥式电路是因为:此回路中，变压器的原边在整个周期 高压直流输出 图2 - 2 . 7 逆变回路框图 中都流过电流，磁芯充分得到利用:并且功率开关管的理论耐压只有供电电压的 一半，省去了推挽回路中对功率管高耐压的要求，大大降低了功率开关管的成本: 与全桥式回路相比，半桥回路驱动简单，节省了一半功率开关管。理论上讲，半 桥式回路的功率可做到 5 k w，而我们目前所要求的最大功率不到 1 k w。逆变回 路的振荡器采用 s g 3 5 2 5 开关电源芯片，其最高振荡频率达 1 0 0 k h z以上，我们取 振荡频率为4 0 k h z o开关管选用英国mi t e l公司生产的i g b t ( i t h 2 3 f 0 6 p , 6 0 0 v , 2 3 a , 带续流二极管) ; i g b t 驱动器采用t l p 2 5 0 e 我们设计的功率变换回路最大特点是:采用了逐个脉冲限流回路 ( s g 3 5 2 5具 有此功能) 。使用瑞士莱姆公司生产的多极电流传感器 l t s 2 5 - n p拾取变压器原边 电流，通过电流信号处理电路，判断电流大小。当变压器原边电流超过设定值时， 给出过流信号，关闭振荡器。l t s 2 5 - n p电流传感器的主要参数如下: 原边有效电 流: 2 5 a 电源电压:5 v 反应时间 ( )1 0 %o f i , ) : -沐斌钾仑卜国钾 口卜 e : l一门声月、月il r / l币 双j / : 洲 片:。 月 。of 7 1 v父 y 阅 口 忍召 图2 - 2 . 1 0变压器 1 测量波形 刚间 姗秒) 图2 - 2 . 1 1 变压器 1 计 算波形 ( 原方输入电压为 ” . ， ， . . . . ， . . . . . . . . . . . . . . . .、. . . . . . . . ， . . . . . . . . 一. ，. ， . . -一- 一一一一 i s 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 之 5 2 1 . 5 1 0 5 0 舰 5 l 1 . 5 一 2 门 率习一-(匡 一一 仁 1 而k . 厂1 切 人 。 .曰 v 门 巧 叮j以 (卜 曰曰j， 尸 一一一 侧已浑/分写于闪日宁 时间 ( 徽砂) 图2 一 2 . 12变压器2 侧量波形图2 一 2 ， 13 变压器2 计算波形 ( 原方输入电压为 1) 图中所计算的波形是从开关起始零点开始的，而测量波形记录的是稳态波形。 从计算波形可看出:在起始阶段，振荡电压的峰值为稳态电压的2( 变压器 功 和 1 .6( 变压器2) 倍， 而一旦处于稳态， 最高电压达稳态电压的2 .4( 变压器 1)和2 3 ( 变压器2) 倍。因此，在设计高压变压器的付方绝缘结构时，应充分考虑这一因 素。 从变压器的测量波形可看出:励磁电流所占的比例很小，在测量波形中反映不 出。这主要是因为励磁电感较大的缘故。如我们所设计的变压器，励磁电感和单位 电压下的峰值励磁电流与付方动态参数产生的峰值电流比较如下: 变 压 器 ，: lm= 50 ，zmh ， t 一 ， 。 “ 队 “ “ 、 二 贵 了 计 “ 出 ” 大 励 磁 电 “ “ : 1 x = .oo05a， 付方 最大振荡电 流 ( 折算到 原方 ) 为 1 、一 刀 。 22a 。 变 压 器2 : 瑞= 3 0 2 m h ， 卜3 0 林 5 ， 1 ，: = 0 刀 oo 9 9 a，i o ax 二 0 刀 1 2 a 。 可见，在变压器设计中，应充分考虑分布参数的影响，采取简便合理的方案 减小付方分布参数产生的电流。图2 一 2 14为输入单位电压时，输出电压最大值、 付方电流最大值随付方分布参数的变化趋势。由图中可看出:当付方分布电容不 变时，输出电 压的最大值随付方漏感的增加而增加，漏电 感由i o p h增加到6 00 p h时， 输出峰值电压最大值为理论值的1 86倍 (c z 二 3 o 0 0po ;付方电 流随漏电 感的增加而迅速减小。当漏电感大于l oop h后，付方电流减小趋势变缓;付方 分布电容的影响规律是:当付方漏电感不变时，分布电容增大，输出峰值电压减 小，同时，峰值电流增加，分布电容的影响不如漏电感的影响显著。因此，在设 计高压中频变压器时，应充分考虑付方漏电感对输出电压和电流的影响，适当增 加付方漏电感，输出电压峰值增加不多，但峰值电流可大大减小，这可有效减轻 驱动回路的电流耐受能力。另一方面，对高压中频变压器进行动态分析，可为我 们设计驱动保护回路提供有效的设计数据，例如:在设计过流保护回路时，根据 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 10八ij5n曰cjc 争户q.1 粥懈驾于板扭 - c 2 = 5 0 0 p f + c 2 = 1 0 0 0 p f - c 2 = 2 0 0 0 p f - . 一c 2 = 3 0 0 0 p f 一 . 一c 4 = 4 0 0 0 p f 生 + iooopfc2-cz-2 pft c2-3ooopft c2-4000pf 一士=50dpfc2 x11二 凰 000- 于昭 曰 即 卜月 卜c z 二 4 1义 洲 f f浅 贩 触 _一 娜 瓦泛 d占qdg1 书田留刃薄 0 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 付方漏电感( 微亨) 图2 - 2 . 1 4变压器付方分布参数的影响 2 0 0 4 0 0 6 0 0 8 0 0 付方漏电感( 微亨) 付方分布参数产生振荡波形的频率，设计适当的滤波回路，从而避免这一振荡产 生的保护误动作。 2 . 3 小电容倍压回路的设计 从前面分析可知:高压中频变压器的变比不能设计的太高，否则，变压器分布 参数的影响较大，给逆变驱动回路的设计带来极大困难，并且也影响变压器转换效 率。为此，我们所设计变压器变比 取为3 0 左右， 逆变回 路输入电 压为4 00v时， 变压器输出峰值电压只有6 ,0 0 0 v 。为了提高输出电压，我们使用1 小电容倍压回 路，电路如图2 - 3 . 1 所示。脉冲成型回路在充电期间也等效为一个电容，其电容量 视对脉冲宽度的要求及负载情况而定。 图2 - 3 .2 所示为倍压回路采用不同电容量时，脉冲成型线充电电压变化波形。 毫 微 秒 脉 冲 成 型 回 路 高 压 开 关 ! 脉 冲 反 射 回 路 图2 - 3 . i高压脉冲回路 2 0 一一一-. 一-一 ， 一 - 尸 - 1 户 飞口 甚 1飞轰 华 中 科 技 大 学 博 从上向下倍压回路电容量依次为 2 0 0 p f , 3 0 0 p f , 5 0 0 p f , 1 0 0 0 p f e脉冲成型线电容 充电的最小时间依次为:7 m s , 8 m s , i o m s , 1 2 m s 。这一充电时间就决定了 输出脉冲的最 大重复周期。可见:为了提高输出脉冲的重 复频率，倍压回路宜采用小电容。充电延迟 时间的存在是由于高压硅堆存在较大正向导 通电阻的缘故，此波形所采用的硅堆其正向 导通电阻约为6 k q o 另外，倍压回路采用小电容，可大大减 小能耗。因为，高压开关的每次开通，都 会使倍压回路左、右柱电容失去全部能量， 设倍压回路电容为 c ，级数为n ，输出电压 士学 位 论 文 x - 2 m i b , . y - i wa, 图2 - 3 . 2脉冲成型线充电 波形 为u o ，则倍压回路左、 右柱电 容储存的能量分别为: 量越小，每次损失的能量就越小。 1 c_ ，_ 。二一 w =-u。 一 。刚见 :电谷 2 n 2 . 4 高压开关的研究 高压开关也是毫微秒高压脉冲电源的关键部分，其性能的好坏直接影响到脉 冲电源的性能及寿命。目前，高压脉冲发生器大多采用气体间隙开关，这些开关 的类型包括: 压缩气体自 击穿间隙和可控间隙，真空自 击穿间隙和可控间隙，常 压气体自 击穿和可控间隙等。自 击穿间隙开关是最简单的开关，但由于不可控而 限制了其广泛应用;三间隙可控开关 ( 包括真空和气体开关)存在可控工作电压 范围 窄， 触发电 压高， 触发 可靠性差 等缺点， 往 往难以 满 足实际需要( 5 6 . 5 7 1 。前面 我们介绍过，早期脱硫用脉冲电源多使用旋转火花间隙开关，以 后的研究者都采 用球隙开关，这些开关由于存在可控性差、 烧蚀点集中 ( 影响输出 脉冲稳定性及 寿命)等缺点，并不是最佳的选择。御所康七首先提出了场畸变间隙开关，并对 三球隙触发开关和场畸变间隙开关进行了比 较研究p q ，发现场畸变间隙开关动作 时延明显较小，可控电压范围较大，击穿特性优于前两者。因此，我们选择场畸 变间隙开关作为脱硫电源的主开关。为此，我们从设计入手，对场畸变间隙开关 的电 极进行了优化设计， 研究了 触发电 压对主间隙工作电 压范围 及触发时延的影 响规律;对提高开关动作频率的措施进行了初步研究。 互 2 . 4 . 1 场畸变火花开关的工作原理 图2 - 4 . 1 为场畸变间隙开关的原理示意图。1 , 2 电 极为主电极，在其电 场中 沿某一等位面插入触发电极3 。若电极3 的形状与等位面相符，则可认为:电极 3的插入基本不影响 1 , 2 电极间的电场分布 ( 图2 - 4 . 1 b ) 。当电极3 上加上触发 一 一一一一 一 2 1 . 华 中 科 技 大 学 博 士 学 位 论 文 脉冲后，由于电极3 的电位发生变化，致使整个电场发生变化，此时电位分布如 图2 - 4 . 1 c 所示;1 , 3 间电场得以加强，2 , 3电极间电场被削弱，由此引起 1 , 3 间发生击穿;接着，由于 1 , 3 间接通，整个间隙电压全部加在 2 , 3 之间，在这 一过电压和先期击穿 所产生大 量电子及光辐射的联合作用 下，整个电极系统很快击穿， 从而完成了开关的导通。 2 . 4 . 2 主电极形状的优化设 计 进行主电极形状优化设计 的目的是:使电极表面击穿点 分布均匀，避免某些部分严重 烧蚀，引起开关性能的变坏、 寿命的缩短，并改善开关触发 特性。 根据上述要求，我们选用 b o r d a电 极 ( 电极表面场强处 处相等)作为优化设计的目 i 、 二 3 一 一 ， 二 二 二 i : - 誉一。 图2 -4 . 1 场崎变间除开关原理示意图 标。 设计b o r d a 电 极较常见的方法是s i n g e r 近似法+ . s o ， 其计算步骤如下: 1 . 给出初始电极形状; 2 . 用模拟电荷法计算电极表面选取点的电场强度; 3 . 将计算出的电极表面电场强度与期望值进行比较，根据电极表面曲率变化与场强 变化的关系式: _ c8 e l 兰 - 二 一 石份r e 计 算 出 电 极 表 面 的 曲 率 变 化 量 。 在 旋 转 对 称 场 中 ， 曲 率 c 取 为 r - : 平 面 曲 率 粤 和 r 垂 直 面 曲 率 l 的 平 均 值 : 。 = 喜 爬 十 1 ) ， 并 认 为 与 r - z 平 面 垂 直 亩 的 曲 率 在 修 正 一s- - 一2 戈 r s 少， ， - -， - - - - 一 一 一 一 - 研 一. 一 一 过程中保持不变，由 此可计算出新的可值;