高功率脈沖電源

1、HK系列高功率脈沖電源一概述所謂高功率并不是指電源的輸出功率大，而是指將低功率存貯壓縮后，在瞬間釋放出大能量脈沖。該項技術(shù)主要是用在具有激發(fā)性質(zhì)的負(fù)載上，用以在瞬間獲得更高的激發(fā)效果。由于功率在存儲期間不消耗能量，因此電源效率得到大大增強(qiáng)，電能利用率比傳統(tǒng)電源高1個甚至幾個量級，負(fù)載上幾乎不會產(chǎn)生熱量損耗。由于實現(xiàn)原理復(fù)雜，對原器件要求苛刻等原因，目前國內(nèi)幾乎沒有商業(yè)化產(chǎn)品，只限在大功率微波源、激光器、電磁軌道炮、電子對撞機(jī)等軍事科技領(lǐng)域。但小型化產(chǎn)品已經(jīng)開始出現(xiàn)在相關(guān)院校和各種實驗室中。我們就是在這種情況下開發(fā)出類似功能的實用化脈沖電源。所謂類似是因為我們采用的是前級壓縮技術(shù)，用壓縮后的脈沖

2、驅(qū)動功率元件，比直接末級壓縮仍有一定的差距，因為末級壓縮技術(shù)需要更高地研發(fā)成本。還有就是我們針對的應(yīng)用對象不具備那樣高的價值。當(dāng)然與傳統(tǒng)電源相比它仍然具有很高的效率，各項指標(biāo)超過1倍以上。仍屬于高功率電源范疇。二電路組成1、處理器微處理器是采用意法半導(dǎo)體（ST）公司生產(chǎn)的STM32F系列Cortex-M3內(nèi)核的32位產(chǎn)品。處理器主用來產(chǎn)生基準(zhǔn)時鐘頻率和各種信號的采集和運算。根據(jù)采集到的各種包括鍵盤輸入、運行中的電壓、電流、頻率、占空比、主元件運行中的溫度等信號，判斷電源的工作狀態(tài)，根據(jù)運算結(jié)果指揮整個電路完成保護(hù)、跟蹤調(diào)整等工作，并將結(jié)果顯示在控制面板上。2、控制電路控制電路通過兩個控制面板完

3、成對電源的控制和參數(shù)讀取。主控制面板包括5個按鍵，分別是占空比+、占空比-、頻率+、頻率-和頻率位選擇。分別用來調(diào)整占空比和頻率，其中頻率位選擇是用來選擇調(diào)整個位、十位、百位、千位或萬位的哪一位來調(diào)整，以節(jié)約調(diào)整時間。副控制面板包括上下兩個翻頁，分別用來翻閱運行中的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率等運行參數(shù)。3、顯示電路顯示電路通過2個顯示面板來顯示運行中的參數(shù)。主顯示面板用來顯示運行頻率和占空比、副顯示面板用來顯示運行中的電氣參數(shù)。4、整流電路整流電路是由大功率半導(dǎo)體整流模塊組成，把三相交流電變換成直流電，并由電力濾波電容進(jìn)行濾波，以保證功率輸出電路正常工作。5、脈沖壓縮電路脈沖壓縮

4、電路是采用微分電路對從CPU經(jīng)過分頻后得到的脈沖信號進(jìn)行壓縮整形，得到理想的信號前沿，保證信號質(zhì)量。6、驅(qū)動電路驅(qū)動電路是采用瑞士CONCEPT 公司原裝進(jìn)口2SD315AI專用IGBT驅(qū)動模塊。適用于 1200V和1700V耐壓的IGBT，具有短路保護(hù)和過電流保護(hù)，具有極高的可靠性和長使用壽命。 能適用惡劣的工作環(huán)境。7、功率輸出電路功率輸出電路采用德國Infineon公司生產(chǎn)的IGBT模塊組成橋式逆變電路，將整流電路得到的直流電轉(zhuǎn)換成具有頻率和占空比可調(diào)的高功率脈沖，輸出到脈沖變壓器或直接作用在負(fù)載上。8、通訊電路通訊電路采用485通訊模塊，可以直接和電腦進(jìn)行通信，也可以通過發(fā)射模塊經(jīng)過移

5、動或網(wǎng)通網(wǎng)絡(luò)直接與手機(jī)通信，用來適時讀取電源工作信息和所授權(quán)操作。三應(yīng)用HK系列高功率脈沖電源可以適應(yīng)絕大多數(shù)傳統(tǒng)電源所能應(yīng)用的范圍，它比傳統(tǒng)電源具有更小的消耗，更多的功能和更長的壽命。下面我們分別針對該電源在臭氧發(fā)生器、低溫等離子、電絮凝等應(yīng)用場合進(jìn)行重點介紹。1、 臭氧發(fā)生器1.1.臭氧的產(chǎn)生臭氧是氧的同素異形體，是氧氣分子吸收能量后被激發(fā)為原子狀態(tài)，再由原子狀態(tài)還原為氧氣過程中產(chǎn)生的一種過度產(chǎn)物，隨著時間的推移它最終還要還原為氧氣。如果激發(fā)一直存在，它就會一直存在著產(chǎn)生-還原這個不斷重復(fù)的過程，最后達(dá)到平衡狀態(tài)。這個過程所產(chǎn)生的氧氣、臭氧以及空氣中的其它氣體混合體稱任臭氧氧化氣體。簡稱臭

6、氧。大氣層中的臭氧是空氣中的氧氣吸收太陽紫外線能量而激發(fā)產(chǎn)生，而臭氧發(fā)生器通常是用高能量電場來激發(fā)空氣中的氧氣來產(chǎn)生臭氧。1.2臭氧發(fā)生器基本原理空氣或氧氣有預(yù)地經(jīng)過一個人為產(chǎn)生的高壓電場，氧氣在這里獲得足夠的能量被激發(fā)，就發(fā)生了上述“產(chǎn)生-還原”的過程，于是臭氧就被源源不斷產(chǎn)生出來。無論是空氣還是氧氣，最后形成的臭氧化氣體都不是純臭氧，而是一種混合體。因此控制臭氧產(chǎn)生和還原的過程是臭氧發(fā)生器效率的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，也是掌控臭氧產(chǎn)生技術(shù)的關(guān)鍵所在。各臭氧發(fā)生器制造商生產(chǎn)臭氧發(fā)生器的水平高低，往往就是對這個關(guān)鍵技術(shù)掌控程度的具體體現(xiàn)。1.3 影響臭氧產(chǎn)生因素臭氧產(chǎn)生的過程是氧分子和氧原子結(jié)合的過程，氧分

7、子可以被源源不斷地送到臭氧發(fā)生器中，量非常大，因此產(chǎn)生臭氧的決定因素是氧原子的數(shù)量。氧分子吸收能量后就會發(fā)生離解現(xiàn)象，氧分子會分裂成為氧原子，這個過程可以用e+O2O+O來表示。其中e表示氧分子吸收的能量，稱為氧氣的離解能。實驗結(jié)果顯示e=6eV。如果氧原子繼續(xù)吸收能量，當(dāng)e大于8.4eV，就會產(chǎn)生電離，失去電子成為離子態(tài)，失去氧原子的性質(zhì)。由此可見當(dāng)氧分子吸收能量小于6eV，不會發(fā)生離解現(xiàn)象，出現(xiàn)不了氧原子，因此也就不會產(chǎn)生臭氧。當(dāng)吸收能量大于8.4eV時，氧原子失去應(yīng)有的性質(zhì)，當(dāng)然也不會產(chǎn)生臭氧。因此臭氧產(chǎn)生的效率是如何快速把氧分子離解成氧原子。影響臭氧產(chǎn)生的因素很多，其中高壓電場的放電面

8、積大小、通氣量的多少、放電環(huán)境的溫度和濕度等都是關(guān)鍵因素。這些因素一般生產(chǎn)臭氧發(fā)生器的廠商都可以通過反復(fù)試驗得到解決。但這些因素不能影響氧分子的離解效率，影響離解效率的關(guān)鍵因素是電場強(qiáng)度的高低，阻擋介質(zhì)的類型和放電間隙的大小。但這些因素雖然對離解效果有影響卻不是關(guān)鍵因素，真正的決定因素就是臭氧發(fā)生器的電源，這就是我們開發(fā)的高功率脈沖電源。我們通過電路控制，讓臭氧發(fā)生器不產(chǎn)生低于6eV和不高于8.4eV能量級別，很顯然，低于6eV時，不僅不能離解氧分子，還會白白消耗能量，產(chǎn)生熱量加速已經(jīng)形成的臭氧熱分解。而高于8.4eV會消耗大量的氧原子，同時會產(chǎn)生更高的熱量而分解已經(jīng)形成的臭氧。1.4 高功率

9、脈沖電源應(yīng)用效果我們是在一臺設(shè)計產(chǎn)量為150g/h的傳統(tǒng)臭氧發(fā)生器上進(jìn)行的試驗，這臺臭氧發(fā)生器采用直徑50mm的石英管作為介質(zhì)材料，電極是用直徑38mm的304不銹鋼圓管，電極長度為1100mm，共7個放電單元，放電面積為0.92m2。電源采用變頻器改制，工作頻率為600Hz，以及空氣作為氣源，臭氧檢測是以碘化鉀滴定法和臭氧在線檢測儀表同時進(jìn)行，檢測結(jié)果為128克/小時。單位面積臭氧產(chǎn)率為140g/m2。能量損耗為15.1KWh/Kg.O3。換用我們開發(fā)的高功率脈沖電源后，檢測條件相同的情況下，檢測結(jié)果是270g/h，單位面積臭氧產(chǎn)量為293g/m2。能量損耗為10.6KWh/Kg.O3。臭氧

10、產(chǎn)率提高了109%，電量消耗下降了29.8%。這還是在電源、變壓器和臭氧發(fā)生器都不匹配的情況下檢測的結(jié)果，理論上可以達(dá)到單位臭氧產(chǎn)率700g/ g/m2。2、 低溫等離子體發(fā)生器2.1 低溫等離子體低溫等離子體是繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的物質(zhì)的第四態(tài)。當(dāng)物體吸收能量后，物體將由固態(tài)轉(zhuǎn)化成液態(tài)，繼續(xù)吸收能量將轉(zhuǎn)化為氣態(tài)，如果再繼續(xù)吸收能量則進(jìn)入等離子態(tài)。等離子態(tài)的物體是包括大量吸收能量后被激發(fā)的電子、各種離子、原子和自由基在內(nèi)的混合體。在等離子體中，電子的質(zhì)量遠(yuǎn)小于各種離子，很容易被加熱，而各種離子的溫度卻很低，這時的等離子處在不平衡狀態(tài)，整個等離子處在較低的溫度狀態(tài)，因此又稱為低溫等離子體。由于

11、低溫等離子體是物質(zhì)被激發(fā)后轉(zhuǎn)化成的自由電子，各種帶電離子和中性離子的混合體，因此失去了原有物質(zhì)的性質(zhì)，并且?guī)в袠O高的活性?？梢匝杆傺趸头纸膺€沒有被激發(fā)為等離子態(tài)的其它物質(zhì)，因此在處理工業(yè)廢氣中有著極佳的處理效果和非常廣闊的應(yīng)用前景。2.2 高溫等離子體當(dāng)?shù)入x子體大量吸收能量后，使得等離子體內(nèi)的離子和自由基溫度快速升高，達(dá)到和電子相同的溫度時，等離子體達(dá)到平衡狀態(tài)，這時的等離子體溫度可達(dá)到數(shù)千甚至上萬度的高溫，因此處在這種狀態(tài)下的等離子體又稱做高溫等離子體，通常被用來熱核反應(yīng)發(fā)電、金屬切割等 領(lǐng)域。2.3 低溫等離子產(chǎn)生由于低溫等離子具有極強(qiáng)的氧化活性，并且可以自身改變性質(zhì)，因此在工業(yè)廢氣處理

12、過程中是直接讓廢氣吸收能量轉(zhuǎn)化為等 離子態(tài)，沒有被轉(zhuǎn)化的廢氣也會被已經(jīng)轉(zhuǎn)化的等離子氧化分解為原子狀態(tài)，廢氣分子不復(fù)存在。達(dá)到完美治理效果。低溫等離子產(chǎn)生過程和臭氧產(chǎn)生過程非常類似，是依靠高能量電場放電來吸收能量。前者是氧分子分解和臭氧合成的過程，后者是廢氣轉(zhuǎn)化成低溫等離子體和等離子氧化分解廢氣的過程。所不同的是臭氧的氣源是空氣或氧氣，低溫等離子的氣源就是廢氣本向。很顯然在臭氧發(fā)生器也存在著由氧氣、氮氣和其它氣體轉(zhuǎn)化的低溫等離子體，這些等離子體也有和臭氧一樣甚至更高的氧化能力，同樣可以在廢氣和廢水治理中發(fā)揮作用，但這些等離子產(chǎn)生在高效的臭氧發(fā)生器中被限制了，原因是低溫等離子體會破壞已經(jīng)分解的氧原

13、子，影響了臭氧產(chǎn)生的效率，畢竟臭氧發(fā)生器的檢測指標(biāo)是臭氧而不是低溫等離子或者兩者的總量。2.4 影響低溫等離子產(chǎn)生的因素和臭氧發(fā)生器一樣，高壓電場的放電面積大小、通氣量的多少、放電環(huán)境的溫度等都是關(guān)鍵因素。和臭氧不同的是濕度不會對低溫等離子子產(chǎn)生影響，在臭氧發(fā)生器中，空氣或氧氣中的水份會被激發(fā)成低溫等離子，破壞氧原子。而在低溫等離子發(fā)生器中卻增加了等離子的濃度，是件好事。同時濕度的增加會氧化效果。電場強(qiáng)度的高低，阻擋介質(zhì)的類型和放電間隙的大小。也是影響準(zhǔn)備就緒的關(guān)鍵因素。等離子體的產(chǎn)生也是廢氣分子的離解過程，也是達(dá)到廢氣分子的離解能后才開始產(chǎn)生等離子。所以真正的決定因素還是的電源，控制電源不產(chǎn)

14、生低于離解能以下的電場能量，會大大提高等離子產(chǎn)生效率。與臭氧不同的是它不用控制分子達(dá)到電解能量的高限值。3、電絮凝3.1電絮凝基本原理電絮凝的反應(yīng)原理是以鋁、鐵等金屬為陽極，在直流電的作用下，陽極被溶蝕，產(chǎn)生Al、Fe等離子，在經(jīng)一系列水解、聚合及亞鐵的氧化過程，發(fā)展成為各種羥基絡(luò)合物、多核羥基絡(luò)合物以至氫氧化物，使廢水中的膠態(tài)雜質(zhì)、懸浮雜質(zhì)凝聚沉淀而分離.同時，帶電的污染物顆粒在電場中泳動，其部分電荷被電極中和而促使其脫穩(wěn)聚沉。廢水進(jìn)行電解絮凝處理時，不僅對膠態(tài)雜質(zhì)及懸浮雜質(zhì)有凝聚沉淀作用，而且由于陽極的氧化作用和陰極的還原作用，能去除水中多種污染物。電絮凝是一個復(fù)雜的過程，在電場的作用下金

15、屬電極產(chǎn)生陽離子在進(jìn)入水體時包括許多物理化學(xué)現(xiàn)象，從離子的產(chǎn)生到形成絮體主要包括四個連續(xù)的階段：(1)電解氧化 電解過程中的氧化作用可以分為直接氧化，即污染物直接在陽極失去電子而發(fā)生氧化；和間接氧化 ，利用溶液中的電極電勢較低的陰離子，例如 OH-、Cl- 在陽極失去電子生成新的較強(qiáng)的氧化劑的活性物質(zhì)如O、OH、Cl2 等 。利用這些活性物質(zhì)氧化分解水中的BOD5、COD、NH3-N等。(2)電解還原 電解過程中的還原作用也可以分為兩類。一類是直接還原，即污染物直接在陰極上 得到電子而發(fā)生還原作用。另一類是間接還原，污染物中的陽離子首先在陰極得到電子，使得電解質(zhì)中高價或低價金屬陽離子在陰極得到

16、電子直接被還原為低價陽離子或金屬沉淀。(3) 電解絮凝 可溶性陽極如鐵鋁等 ，通以直流電后，陽極失去電子，形成金屬陽離子Fe2+、Al3+ ，與溶液中的OH-結(jié)合生成高活性的絮凝基團(tuán)，其吸附能力極強(qiáng)，絮凝效果優(yōu)于普通絮凝劑，利用其吸附架橋和網(wǎng)捕卷掃等作用，可將廢水中的污染物質(zhì)吸附共沉而將其去除。(4)電解氣浮 電解氣浮是對廢水進(jìn)行電解，水分子電離產(chǎn)生H+和OH-，在電場驅(qū)動下定向遷移，并在陰極板和陽極板表面分別析出氫氣和氧氣。新生成的氣泡直徑非常微小，氫氣泡約為1030m，氧氣泡約為2060m；而加壓溶氣氣浮時產(chǎn)生的氣泡直徑為100150m，機(jī)械攪拌時產(chǎn)生的氣泡直徑為8001000m。由此可見

17、，電解產(chǎn)生的氣泡捕獲雜質(zhì)微粒的能力比后兩者為高，且氣泡的分散度高，作為載體粘附水中的懸浮固體而上浮，這樣很容易將污染物質(zhì)去除。電解氣浮既可以去除廢水中的疏水性污染物，也可以去除廢水中的親水性污染物。3.2 影響電絮凝效果的因素應(yīng)用電絮凝法有效處理廢水，需要解決電極鈍化和電解極化等問題，保證電流效率和絮凝效果，控制槽壓和能耗。電極鈍化主要由陽極溶出產(chǎn)生的金屬離子氧化成膜并附著于陽極引起，電解極化則包括濃差極化、電化學(xué)極化和金屬陽極表面極化。（1） 極板的影響 通常鐵電極產(chǎn)生的絮體粒徑小、沉淀密實、沉降快，但出水因含F(xiàn)e3+而顯黃色，斷電時電極易繼續(xù)銹蝕。而鋁電極產(chǎn)生絮體速度快、無色度生成、絮體顆

18、粒大且吸附能力強(qiáng)，但沉淀松散、沉降緩慢不利于后續(xù)處理。常用的極板材料有鐵、鋁、石墨、鐵鈦合金，不同的污染物選用不同的電極材料，可查閱相關(guān)資料。另外極板間距、流向和極板接線樣式（單極或雙極）都會影響處理效果。（2） pH 的影響 廢水pH 會影響絮凝劑的生成和除污效率。聚鋁或聚鐵絮凝劑在較高pH 下吸附架橋能力會更強(qiáng)，混凝效果更好。一般情況下，pH 過低不利于絮凝劑的生成，另一方面，在強(qiáng)堿性條件下，鋁或鐵的氫氧化物又會溶解，抑制其聚合生成絮凝劑。因此通常電絮凝劑生長適宜的pH 為中性或弱堿性（pH 在 68）。然而，pH 還影響污染物和絮凝劑表面電荷的分布，而各種絮凝劑在水中等電位所對應(yīng)pH 不

19、同，因此pH 的選取還應(yīng)視具體水質(zhì)而定。（3）水中污染物的影響 廢水電導(dǎo)率低會增加電絮凝處理時的能耗和導(dǎo)致電極過度極化，降低除污效率和電極壽命。電絮凝技術(shù)對于去除由懸浮顆粒引起的高化學(xué)需氧量（COD）十分有效，但對于可溶解COD則效果較差。（4）電流密度的影響 電絮凝過程中極板溶出、絮凝和氣浮作用的動力來源于電流，通常電流密度大電絮凝效率就高。然而電流密度過大易引起電極過度極化，加速電極鈍化和增加槽壓，引起更多的副反應(yīng)，陽極產(chǎn)生過多的金屬陽離子，影響絮凝劑的生成；陰極析氫過多，干擾和削弱絮凝作用。通常電流密度選擇在50-80A/m3為宜。（5）電場施加方式的影響 目前研究有效抑制極板鈍化的方法

20、是采用脈沖電流替代直流電流，降低電解極化的方法為極板換相。脈沖電流產(chǎn)生的電解間歇期可使電解出的金屬離子與水體中的 OH- 充分反應(yīng)，生成絮凝劑并隨水流遷出電極區(qū)，從而減少金屬離子氧化成膜的幾率。極板換相可周期性更換極化方向，破壞固定極化區(qū)域并有效抑制鈍化。將直流電源改為脈沖電源對含鉻廢水進(jìn)行測試時，脈沖電流的除鉻率比直流電流的高6.27%，能耗比直流電流的低65.2%。另外采用脈沖電源后，電極的鈍化率會得到極大的改善。3.3 高功率脈沖電源優(yōu)點高壓脈沖電絮凝與直流電絮凝相比,由于脈沖周期為脈沖寬度和脈沖間歇之和,通過占空比(脈沖寬度與脈沖周期之比)的調(diào)節(jié)可以達(dá)到不同節(jié)能效果。脈沖供電除了可以大大地節(jié)約電能之外,高壓脈沖在電極的反應(yīng)時斷時續(xù),有利于擴(kuò)散,降低濃差極化,增強(qiáng)廢水的處理效果。高功率脈沖電源不僅可以靈活的進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)（調(diào)占空比），還可根據(jù)需要進(jìn)行頻率調(diào)節(jié)，適應(yīng)不同工藝的要求，相比直流電源，有著更高的輸出電壓（0-600V可調(diào)），因此輸出電流大大降低，對導(dǎo)線的要求更低