完整高功率脉冲电源.docx

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完整高功率脉冲电源

HK系列高功率脉冲电源

一．概述

所谓高功率并不是指电源的输出功率大，而是指将低功率存贮压缩后，在瞬间释放出大能量脉冲。

该项技术主要是用在具有激发性质的负载上，用以在瞬间获得更高的激发效果。

由于功率在存储期间不消耗能量，因此电源效率得到大大增强，电能利用率比传统电源高1个甚至几个量级，负载上几乎不会产生热量损耗。

由于实现原理复杂，对原器件要求苛刻等原因，目前国内几乎没有商业化产品，只限在大功率微波源、激光器、电磁轨道炮、电子对撞机等军事科技领域。

但小型化产品已经开始出现在相关院校和各种实验室中。

我们就是在这种情况下开发出类似功能的实用化脉冲电源。

所谓类似是因为我们采用的是前级压缩技术，用压缩后的脉冲驱动功率元件，比直接末级压缩仍有一定的差距，因为末级压缩技术需要更高地研发成本。

还有就是我们针对的应用对象不具备那样高的价值。

当然与传统电源相比它仍然具有很高的效率，各项指标超过1倍以上。

仍属于高功率电源范畴。

二．电路组成

1、处理器

微处理器是采用意法半导体（ST）公司生产的STM32F系列Cortex-M3内核的32位产品。

处理器主用来产生基准时钟频率和各种信号的采集和运算。

根据采集到的各种包括键盘输入、运行中的电压、电流、频率、占空比、主元件运行中的温度等信号，判断电源的工作状态，根据运算结果指挥整个电路完成保护、跟踪调整等工作，并将结果显示在控制面板上。

2、控制电路

控制电路通过两个控制面板完成对电源的控制和参数读取。

主控制面板包括5个按键，分别是占空比+、占空比-、频率+、频率-和频率位选择。

分别用来调整占空比和频率，其中频率位选择是用来选择调整个位、十位、百位、千位或万位的哪一位来调整，以节约调整时间。

副控制面板包括上下两个翻页，分别用来翻阅运行中的电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率等运行参数。

3、显示电路

显示电路通过2个显示面板来显示运行中的参数。

主显示面板用来显示运行频率和占空比、副显示面板用来显示运行中的电气参数。

4、整流电路

整流电路是由大功率半导体整流模块组成，把三相交流电变换成直流电，并由电力滤波电容进行滤波，以保证功率输出电路正常工作。

5、脉冲压缩电路

脉冲压缩电路是采用微分电路对从CPU经过分频后得到的脉冲信号进行压缩整形，得到理想的信号前沿，保证信号质量。

6、驱动电路

驱动电路是采用瑞士CONCEPT公司原装进口2SD315AI专用IGBT驱动模块。

适用于1200V和1700V耐压的IGBT，具有短路保护和过电流保护，具有极高的可靠性和长使用寿命。

能适用恶劣的工作环境。

7、功率输出电路

功率输出电路采用德国Infineon公司生产的IGBT模块组成桥式逆变电路，将整流电路得到的直流电转换成具有频率和占空比可调的高功率脉冲，输出到脉冲变压器或直接作用在负载上。

8、通讯电路

通讯电路采用485通讯模块，可以直接和电脑进行通信，也可以通过发射模块经过移动或网通网络直接与手机通信，用来适时读取电源工作信息和所授权操作。

三．应用

HK系列高功率脉冲电源可以适应绝大多数传统电源所能应用的范围，它比传统电源具有更小的消耗，更多的功能和更长的寿命。

下面我们分别针对该电源在臭氧发生器、低温等离子、电絮凝等应用场合进行重点介绍。

1、臭氧发生器

1.1.臭氧的产生

臭氧是氧的同素异形体，是氧气分子吸收能量后被激发为原子状态，再由原子状态还原为氧气过程中产生的一种过度产物，随着时间的推移它最终还要还原为氧气。

如果激发一直存在，它就会一直存在着产生-还原这个不断重复的过程，最后达到平衡状态。

这个过程所产生的氧气、臭氧以及空气中的其它气体混合体称任臭氧氧化气体。

简称臭氧。

大气层中的臭氧是空气中的氧气吸收太阳紫外线能量而激发产生，而臭氧发生器通常是用高能量电场来激发空气中的氧气来产生臭氧。

1.2臭氧发生器基本原理

空气或氧气有预地经过一个人为产生的高压电场，氧气在这里获得足够的能量被激发，就发生了上述“产生-还原”的过程，于是臭氧就被源源不断产生出来。

无论是空气还是氧气，最后形成的臭氧化气体都不是纯臭氧，而是一种混合体。

因此控制臭氧产生和还原的过程是臭氧发生器效率的关键环节，也是掌控臭氧产生技术的关键所在。

各臭氧发生器制造商生产臭氧发生器的水平高低，往往就是对这个关键技术掌控程度的具体体现。

1.3影响臭氧产生因素

臭氧产生的过程是氧分子和氧原子结合的过程，氧分子可以被源源不断地送到臭氧发生器中，量非常大，因此产生臭氧的决定因素是氧原子的数量。

氧分子吸收能量后就会发生离解现象，氧分子会分裂成为氧原子，这个过程可以用e+O2—O+O来表示。

其中e表示氧分子吸收的能量，称为氧气的离解能。

实验结果显示e=6eV。

如果氧原子继续吸收能量，当e大于8.4eV，就会产生电离，失去电子成为离子态，失去氧原子的性质。

由此可见当氧分子吸收能量小于6eV，不会发生离解现象，出现不了氧原子，因此也就不会产生臭氧。

当吸收能量大于8.4eV时，氧原子失去应有的性质，当然也不会产生臭氧。

因此臭氧产生的效率是如何快速把氧分子离解成氧原子。

影响臭氧产生的因素很多，其中高压电场的放电面积大小、通气量的多少、放电环境的温度和湿度等都是关键因素。

这些因素一般生产臭氧发生器的厂商都可以通过反复试验得到解决。

但这些因素不能影响氧分子的离解效率，影响离解效率的关键因素是电场强度的高低，阻挡介质的类型和放电间隙的大小。

但这些因素虽然对离解效果有影响却不是关键因素，真正的决定因素就是臭氧发生器的电源，这就是我们开发的高功率脉冲电源。

我们通过电路控制，让臭氧发生器不产生低于6eV和不高于8.4eV能量级别，很显然，低于6eV时，不仅不能离解氧分子，还会白白消耗能量，产生热量加速已经形成的臭氧热分解。

而高于8.4eV会消耗大量的氧原子，同时会产生更高的热量而分解已经形成的臭氧。

1.4高功率脉冲电源应用效果

我们是在一台设计产量为150g/h的传统臭氧发生器上进行的试验，这台臭氧发生器采用直径50mm的石英管作为介质材料，电极是用直径38mm的304不锈钢圆管，电极长度为1100mm，共7个放电单元，放电面积为0.92m2。

电源采用变频器改制，工作频率为600Hz，以及空气作为气源，臭氧检测是以碘化钾滴定法和臭氧在线检测仪表同时进行，检测结果为128克/小时。

单位面积臭氧产率为140g/m2。

能量损耗为15.1KWh/Kg.O3。

换用我们开发的高功率脉冲电源后，检测条件相同的情况下，检测结果是270g/h，单位面积臭氧产量为293g/m2。

能量损耗为10.6KWh/Kg.O3。

臭氧产率提高了109%，电量消耗下降了29.8%。

这还是在电源、变压器和臭氧发生器都不匹配的情况下检测的结果，理论上可以达到单位臭氧产率700g/g/m2。

2、低温等离子体发生器

2.1低温等离子体

低温等离子体是继固态、液态、气态之后的物质的第四态。

当物体吸收能量后，物体将由固态转化成液态，继续吸收能量将转化为气态，如果再继续吸收能量则进入等离子态。

等离子态的物体是包括大量吸收能量后被激发的电子、各种离子、原子和自由基在内的混合体。

在等离子体中，电子的质量远小于各种离子，很容易被加热，而各种离子的温度却很低，这时的等离子处在不平衡状态，整个等离子处在较低的温度状态，因此又称为低温等离子体。

由于低温等离子体是物质被激发后转化成的自由电子，各种带电离子和中性离子的混合体，因此失去了原有物质的性质，并且带有极高的活性。

可以迅速氧化和分解还没有被激发为等离子态的其它物质，因此在处理工业废气中有着极佳的处理效果和非常广阔的应用前景。

2.2高温等离子体

当等离子体大量吸收能量后，使得等离子体内的离子和自由基温度快速升高，达到和电子相同的温度时，等离子体达到平衡状态，这时的等离子体温度可达到数千甚至上万度的高温，因此处在这种状态下的等离子体又称做高温等离子体，通常被用来热核反应发电、金属切割等领域。

2.3低温等离子产生

由于低温等离子具有极强的氧化活性，并且可以自身改变性质，因此在工业废气处理过程中是直接让废气吸收能量转化为等离子态，没有被转化的废气也会被已经转化的等离子氧化分解为原子状态，废气分子不复存在。

达到完美治理效果。

低温等离子产生过程和臭氧产生过程非常类似，是依靠高能量电场放电来吸收能量。

前者是氧分子分解和臭氧合成的过程，后者是废气转化成低温等离子体和等离子氧化分解废气的过程。

所不同的是臭氧的气源是空气或氧气，低温等离子的气源就是废气本向。

很显然在臭氧发生器也存在着由氧气、氮气和其它气体转化的低温等离子体，这些等离子体也有和臭氧一样甚至更高的氧化能力，同样可以在废气和废水治理中发挥作用，但这些等离子产生在高效的臭氧发生器中被限制了，原因是低温等离子体会破坏已经分解的氧原子，影响了臭氧产生的效率，毕竟臭氧发生器的检测指标是臭氧而不是低温等离子或者两者的总量。

2.4影响低温等离子产生的因素

和臭氧发生器一样，高压电场的放电面积大小、通气量的多少、放电环境的温度等都是关键因素。

和臭氧不同的是湿度不会对低温等离子子产生影响，在臭氧发生器中，空气或氧气中的水份会被激发成低温等离子，破坏氧原子。

而在低温等离子发生器中却增加了等离子的浓度，是件好事。

同时湿度的增加会氧化效果。

电场强度的高低，阻挡介质的类型和放电间隙的大小。

也是影响准备就绪的关键因素。

等离子体的产生也是废气分子的离解过程，也是达到废气分子的离解能后才开始产生等离子。

所以真正的决定因素还是的电源，控制电源不产生低于离解能以下的电场能量，会大大提高等离子产生效率。

与臭氧不同的是它不用控制分子达到电解能量的高限值。

3、电絮凝

3.1电絮凝基本原理

电絮凝的反应原理是以铝、铁等金属为阳极，在直流电的作用下，阳极被溶蚀，产生Al、Fe等离子，在经一系列水解、聚合及亚铁的氧化过程，发展成为各种羟基络合物、多核羟基络合物以至氢氧化物，使废水中的胶态杂质、悬浮杂质凝聚沉淀而分离.同时，带电的污染物颗粒在电场中泳动，其部分电荷被电极中和而促使其脱稳聚沉。

废水进行电解絮凝处理时，不仅对胶态杂质及悬浮杂质有凝聚沉淀作用，而且由于阳极的氧化作用和阴极的还原作用，能去除水中多种污染物。

电絮凝是一个复杂的过程，在电场的作用下金属电极产生阳离子在进入水体时包括许多物理化学现象，从离子的产生到形成絮体主要包括四个连续的阶段：

（1）电解氧化电解过程中的氧化作用可以分为直接氧化，即污染物直接在阳极失去电子而发生氧化；和间接氧化，利用溶液中的电极电势较低的阴离子，例如OH-、Cl-在阳极失去电子生成新的较强的氧化剂的活性物质如[O]、[OH]、Cl2等。

利用这些活性物质氧化分解水中的BOD5、COD、NH3-N等。

（2）电解还原电解过程中的还原作用也可以分为两类。

一类是直接还原，即污染物直接在阴极上得到电子而发生还原作用。

另一类是间接还原，污染物中的阳离子首先在阴极得到电子，使得电解质中高价或低价金属阳离子在阴极得到电子直接被还原为低价阳离子或金属沉淀。

（3）电解絮凝可溶性阳极如铁铝等，通以直流电后，阳极失去电子，形成金属阳离子Fe2+、Al3+，与溶液中的OH-结合生成高活性的絮凝基团，其吸附能力极强，絮凝效果优于普通絮凝剂，利用其吸附架桥和网捕卷扫等作用，可将废水中的污染物质吸附共沉而将其去除。

（4）电解气浮电解气浮是对废水进行电解，水分子电离产生H+和OH-，在电场驱动下定向迁移，并在阴极板和阳极板表面分别析出氢气和氧气。

新生成的气泡直径非常微小，氢气泡约为10～30μm，氧气泡约为20～60μm；而加压溶气气浮时产生的气泡直径为100～150μm，机械搅拌时产生的气泡直径为800～1000μm。

由此可见，电解产生的气泡捕获杂质微粒的能力比后两者为高，且气泡的分散度高，作为载体粘附水中的悬浮固体而上浮，这样很容易将污染物质去除。

电解气浮既可以去除废水中的疏水性污染物，也可以去除废水中的亲水性污染物。

3.2影响电絮凝效果的因素

应用电絮凝法有效处理废水，需要解决电极钝化和电解极化等问题，保证电流效率和絮凝效果，控制槽压和能耗。

电极钝化主要由阳极溶出产生的金属离子氧化成膜并附着于阳极引起，电解极化则包括浓差极化、电化学极化和金属阳极表面极化。

（1）极板的影响

通常铁电极产生的絮体粒径小、沉淀密实、沉降快，但出水因含Fe3+而显黄色，断电时电极易继续锈蚀。

而铝电极产生絮体速度快、无色度生成、絮体颗粒大且吸附能力强，但沉淀松散、沉降缓慢不利于后续处理。

常用的极板材料有铁、铝、石墨、铁钛合金，不同的污染物选用不同的电极材料，可查阅相关资料。

另外极板间距、流向和极板接线样式（单极或双极）都会影响处理效果。

（2）pH的影响

废水pH会影响絮凝剂的生成和除污效率。

聚铝或聚铁絮凝剂在较高pH下吸附架桥能力会更强，混凝效果更好。

一般情况下，pH过低不利于絮凝剂的生成，另一方面，在强碱性条件下，铝或铁的氢氧化物又会溶解，抑制其聚合生成絮凝剂。

因此通常电絮凝剂生长适宜的pH为中性或弱碱性（pH在6~8）。

然而，pH还影响污染物和絮凝剂表面电荷的分布，而各种絮凝剂在水中等电位所对应pH不同，因此pH的选取还应视具体水质而定。

（3）水中污染物的影响

废水电导率低会增加电絮凝处理时的能耗和导致电极过度极化，降低除污效率和电极寿命。

电絮凝技术对于去除由悬浮颗粒引起的高化学需氧量（COD）十分有效，但对于可溶解COD则效果较差。

（4）电流密度的影响

电絮凝过程中极板溶出、絮凝和气浮作用的动力来源于电流，通常电流密度大电絮凝效率就高。

然而电流密度过大易引起电极过度极化，加速电极钝化和增加槽压，引起更多的副反应，阳极产生过多的金属阳离子，影响絮凝剂的生成；阴极析氢过多，干扰和削弱絮凝作用。

通常电流密度选择在50-80A/m3为宜。

（5）电场施加方式的影响

目前研究有效抑制极板钝化的方法是采用脉冲电流替代直流电流，降低电解极化的方法为极板换相。

脉冲电流产生的电解间歇期可使电解出的金属离子与水体中的OH-充分反应，生成絮凝剂并随水流迁出电极区，从而减少金属离子氧化成膜的几率。

极板换相可周期性更换极化方向，破坏固定极化区域并有效抑制钝化。

将直流电源改为脉冲电源对含铬废水进行测试时，脉冲电流的除铬率比直流电流的高6.27%，能耗比直流电流的低65.2%。

另外采用脉冲电源后，电极的钝化率会得到极大的改善。

3.3高功率脉冲电源优点

高压脉冲电絮凝与直流电絮凝相比,由于脉冲周期为脉冲宽度和脉冲间歇之和,通过占空比（脉冲宽度与脉冲周期之比）的调节可以达到不同节能效果。

脉冲供电除了可以大大地节约电能之外,高压脉冲在电极的反应时断时续,有利于扩散,降低浓差极化,增强废水的处理效果。

高功率脉冲电源不仅可以灵活的进行电压调节（调占空比），还可根据需要进行频率调节，适应不同工艺的要求，相比直流电源，有着更高的输出电压（0-600V可调），因此输出电流大大降低，对导线的要求更低，节省了电气成本和安装难度。

由于电流的降低，对极板的侵蚀更低，极大的延长了极板的使用寿命。

高功率脉冲电源采用380V电源直接整流，通过逆变电路输出方波的脉冲信号，省去了笨重的整流变压器。

极板换相采用直接控制IGBT的方式，省去了换相电路。

和前面介绍的臭氧及等离子一样，电絮凝极板之间的电场向电解质传递能量，也是在能量在达到一定的能级之后才产生作用，高功率脉冲电源可以不向电解质传递能级以下的能量，因为这部分能量只能是消耗，并没有起到任何作用。

四、高功率脉冲电源高效原理

不论是臭氧发生器、低温等离子发生器还是电絮凝，我们都提到了不向其传递能级以下的能量的概念。

因为这部分能量不起作用，如果说起作用，那就是负能量（不是指电压和电流的正负，而是指负作用特注）。

那么在高功率脉冲电源中是如何实现的呢？

那就是前面提到的脉冲压缩技术。

我们知道，无论是正弦波，三角波还是方波，能量（电压和电流）都是要从零变化到起作用阈值（我们所说的能级），这个变化需要时间。

我们称之为脉冲上长时间。

同样这个能量（电压和电流）从阈值下降到零这段时间，我们称之为脉冲下降时间，在这个时间段内显然也是负能量。

所谓脉冲压缩实际上就是压缩了这两个时间。

这两个时间越短，电源传递出的负能量越少，这才是脉冲电源的技术关键所在。

根据我们实际测试，我们研发的高功率脉冲电源的这两个时间都小于300纳秒，目前在电源市场上是没有的。

高功率脉冲电源在有些特定的情况下，能达到其它电源没法完成的特效，有着十分广阔的使用前途。

我们还会继续努力，开发出更多更好的产品服务于社会。

山东省环科院环境科技有限公司

2016年3月8日