华中科技大学硕士学位论文等离子体应用中高压脉冲电源的研制姓名：钟生辉申请学位级别：硕士专业：环境工程指导教师：李胜利2003.5.6华中科技大学硕士学位论文
摘要
ｌ脉冲功率电源是低温等离子体技术在环境工程应用中的关键设备，其总体能量转化效率和脉冲功率的容量是影响等离子体技术工业化应用的重要因素十
本文首先综述了一系列典型的脉冲电源回路，以及当前国内外脉冲电源研究的最
新进展，提供了了几种新的电源结构。结合脉冲功率电源在环境工程应用中的要求和
以往的设计经验，提出了新的设计思路。
在研制处理垃圾渗滤液的实用化电源中，分别对高压脉冲放电回路的原理电路进行了数值分析和仿真分析。ｆ根据分析结果，对电路进行了具体的改进措施。在电源控
制回路中的设计中，考虑了一般的电路保护项目，加入了零电压启动的闭锁回路，并
利用Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈实现了放电电压幅值的自动保护功能。最后针对现场运行时复杂的放电环境，提出了绝缘匹配方案。、ｌ
在脉冲高压开关电源的研制中，给出了电源的总体设计方案。在其中的Ｂｕｃｋ变
换器设计中，首先通过数值计算，给出电路元件的参数，然后利用Ｓｉｍｕｌｉｎｋ对电路仿
真分析，发现功率晶体管在开关瞬间在集一射极之间有浪涌电压出现，根据结果对电路加入了保护电路。（经电路实验，验证了电路保护设计的成功；在半桥逆变回路设计
部分，给出了电路的原理分析，依据电路设计参量选取了相应的电路参数；高频高压变压器作为半桥逆变回路的关键设备，影响着电路工作的可靠性和性能，主要针对它进行了具体的设计和分布参数分析。１
关键词：脉冲功率电源’／Ｒｏｇｏｗｓｋｉ线圈、／Ｂｌｌｃｋ变换器；半桥逆琴高频变压器华中科技大学硕士学位论文
ＡＢＳＴＲＡＣＴ
Ｔｈｅｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎｉｓｄｅｖｏｔｅｄｔｏｔｈｅｓｔｕｄｉｅｓａｎｄｄｅｓｉｇｎｏｎｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅ
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｐｕｌｓｅｄｃｏｒｏｎａｐｌａｓｍａｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ・
Ｉｎｔｈｅｆｉｒｓｔｐａｒｔ．ｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎａｎｄｍｅｃｈａｎｉｓｍｏｆｐｕｌｓｅｄＣＯｒＯｌＬａｐｌａｓｍａｉｎ
ＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｉｓｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｅｄ，ｔｈｕｓ，ｔｈｅｎｅｃｅｓｓｉｔｙｏｆｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈｗｏｒｋ
ｃｏｎｃｌｕｄｅｄ．Ｉｎｖｉｒｔｕｅｏｆｒｅｖｉｅｗｉｎｇｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔａｎｄａｄｖａｎｃｅｓｏｎｈｉｇｈｖｏｌｔａｇｅ
ｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｇｅｎｅｒａｔｏｒ，ｏｎｅｐｕｌｓｅｄｐｏｗｅｒｓｙｓｔｅｍｓｃｈｅｍｅｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ．
Ｔｈｅｓｅｃｏｎｄｐａｒｔｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｅｓｏｎｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇａｌｌｉｎｄｕｓｔｒｉａｌｌｙａｖａｉｌａｂｌｅｐｕｌｓｅｐｏｗｅｒ
ｓｙｓｔｅｍｆｏｒｔｈｅｐｒｅｔｒｅａｔｍｅｎｔｏｆｌａｎｄｆｉｌｌｌｅａｃｌｍｔｅ．Ｔｈｅｐｒｉｎｃｉｐａｌｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｉｔｓｎｕｍｅｒｉｃａｌ＆
ｓｉｍｕｌａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓａｒｅｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔＯｐｒａｃｔｉｃａｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓＲｏｇｏｗｓｋｉｗｉｎｄｉｎｇｉｓ
ｕｔｉｌｉｚｅｄｔＯｃｏｎｆｉｎｅｔｈｅｄｉｓｃｈａｒｇｅｖｏｌｔａｇｅａｍｐｌｉｔｕｄｅａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙｉｎｃａｓｅｏｆｂｒｅａｋｄｏｗｎｉｎ
ｔｈｅｒｅａｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｌｉｎｓｕｌａｔｉｏｎｍａｔｃｈｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍｉｓｔａｋｅｎｉｎｔｏａｃｃｏｕｎｔ．
Ｔｈｅｔｈｉｒｄｐａｒｔｍａｉｎｌｙｄｉｓｃｕｓｓｅｓｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｈｉｇｈ＿ｖｏｌｔａｇｅｐｕｌｓｅｓｗｉｔｃｈｉｎｇｐｏｗｅｒｂｙ
ｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｏｆｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓｉｎｂｕｃｋｃｏｎｖｅｒｔａｒｅ
ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ．ＢｙｍｅａｎｓｏｆｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｗｉｔｈＳｉｍｕｌｉｎｋｆｏｒｔｈｅｃｏｎｖｅｒｔｅｒ，ｂｕｇｓｉｎｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔａｒｅ
ｆｏｕｎｄａｎｄｔｈｅｎｒｅｍｅｄｉｅｄ．ＩｎｔｈｅｌｌａＩｏｒｉｄｇｅｉｎｖｅｒｔｅｒ，ｂｅｓｉｄｅｓｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ’ｓｅｌｅｃｔｉｏｎｔｈｅ
ｄｅｓｉｇｎａｎｄｐａｒａｓｉｔｉｃｐａｒａｍｅｔｅｒｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆａＵｇｈｖｏｌｔａｇｅｈｉｇｈｆｒｅｑｕｅｎｃｙｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
ｗｈｉｃｈｉｓｔｈｅｋｅｙｐａｒｔｏｆｓｕｃｈｉｎｖｅｒｔｅｒｓａｒｅｍａｄｅｉｎｄｅｔａｉｌｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ＰｕｌｓｅＰｏｗｅｒＳｙｓｔｅｍ
Ｈａｌｆ＿＿ｂｒｉｄｇｅＩｎｖｅｒｔＲｏｇｏｗｓｋｉＷｉｎｄｉｎｇＢｕｃｋＣｏｎｖｅｒｔ
ＨｉｇｌｌＦｒｅｑｕｅｎｃｙＴｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ
ＩＩ华中科技大学硕士学位论文
Ｉ绪论
随着人类文明的发展，生产力的不断提高，矿物燃料的消耗逐年递增，导致了Ｓ０２和ＮＯｘ的大量排放，由于我国能源结构的特殊性，情况更加严重；同时它与工业和生
活污水的排放一起破坏人类的生存环境，危害着人们的身体健康。
近年来，在环境污染物治理的研究中，不断涌现出多种高新技术，如：超声波、超临界流体、中空纤维膜分离技术、反渗透技术、光化学氧化法、光催化氧化法、催
化湿式氧化技术等，大多尚处在研究阶段，也有些已经进行了中试，少数达到了工业化的水平。
Ｉ．Ｉ低温等离子体在环境工程领域的应用概况
等离子体是物质存在的第四种形态，按热力学平衡状态，可分为平衡态等离子体
（Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｐｌａｓｍａ）与非平衡态等离子体（Ｎｏｎ－ｔｈｅｒｍａｌｅｑｕｉｌｉｂｒｉｕｍｐｌａｓｍａ）。所谓平衡态等离子体，其电子温度Ｔｅ和离子温度Ｔｉ相等时，等离子体在宏观上处于热力学平衡状态，体系温度可达到上万度，故又称之为高温等离子体（Ｔｈｅｒｍａｌｐｌａｓｍａ）。
当电子温度Ｔｅ＞＞离子温度Ｔｉ时，其电子温度可达ｉ０４Ｋ以上，而离子和中性粒子的
温度只有３００—５００Ｋ，整个体系的表观温度还是很低，又称为低温等离予体（Ｃｏｌｄ
ｐｌａｓｍａ）。在２０世纪６０年代产生了等离子体化学，它利用等离子体放电来实现一定化学反
应的。作为一门交叉学科，等离子体化学涉及高能物理、放电物理、放电化学、反应
工程学、高压脉冲技术等领域。近十五年来，低温等离子体逐渐被用于支持污染控制和可持续发展战略，成为国内外学者研究的热门之一，处理领域从除臭、室内空气净
化到烟气脱硫等方面，尤其对有毒及难降解物质应用前景更好。【ｌ卅。
（１）汽车尾气治理净¨
汽车尾气有ＳＯ。、ＮＯｘ、ＣＯ及微尘，危害人体健康，西安交通大学应用脉冲电晕等离子体活化法来控制尾气的排放。研究表明，与其他方法相比，净化效率高，去除率可以达到８０％以上，能够满足日益严格的排放标准，而且不产
生其他的有害气体，负效应少，突显等离子体活化法的优越性与先进性。特别
是，采用高压超窄脉冲流注电晕放电可使ＣＯ的氧化脱除率达８０％以上。不过，华中科技大学硕士学位论文＝＝＝＝≈＝＝＝＝＝＝＝≈；＝＝＝＝＝；≈＝＝＝＝＝＝＝＝＝；＝＝＝自
反应器的结构尺寸和反应器与脉冲电源的匹配对ＣＯ的氧化脱除有很大影响，
它决定能量的转化利用率；由于车载的考虑，还要求高压电源小型化。总之，对电源的各种电参数和尺寸都有严格的要求，
（２）烟气脱硫
我国的能源构成以煤炭为主，煤直接燃烧释放出大量Ｓ０２，造成大气环境污染，
加大火电厂Ｓ０２的控制力度显得非常紧迫和必要。降低Ｓ０２排放的方法根据不同的控
制点位置可分为三类：一类是燃前脱硫，例如微波法煤炭脱硫技术和高硫煤强磁分离
技术：另一类是燃烧中脱硫，例如喷石灰石粉直接入炉法；还有一类，也是应用得最
为广泛的一类，即燃后脱硫，也称烟气脱硫技术（ＦＧＤ），这类方法中应用较广的是湿式石灰石——石膏法，此法存在二次污染、设备腐蚀、工艺复杂等间题，投资和运
行费偏高。烟气脱氮的方法主要是氨气接触催化还原法，但烟气粉尘控制严格，所以
探求一种技术上先进，经济上合理的脱硫脱硝新工艺一直是环保界关注的焦点。目前，一种以在烟气中产生自由电子和活性基团为特征的新方法得到了很快发
展，该法主要有两大类：电子柬法（ＥＢＡ）［ｓｌ和将脉冲功率技术与等离子技术相结合
的脉冲电晕等离子法（ＰＰＣＰ）１９。１０Ｈ”，前者在二十世纪七十年代由日本荏原制作所提出，它利用高能电子柬（５００－－８００ｋｅＶ）辐射烟气。使烟气中０２和水蒸汽等产生分
解，生成Ｏ、．ＯＨ等活性自由基，将Ｓ０２氧化后，与氨气反应生成氨肥，其脱硫率和脱硝率分别可达９０％和８０％。但该法需昂贵的电子加速器，处理单位体积烟气的能耗
也较高，并要求有ｘ射线屏蔽装置，难以大规模推广。后者是在电子束法的基础上发展起来的，不同的是利用脉冲电晕放电产生高能电
子（５－－２０ｅＶ）【ｌＩ】，省去电子加速器，不存在辐射防护。它由Ｓ．Ｍａｓｕｄａ和ＡｋｉｒａＭｉｚｕｎｏ首先提出。当治理大流量工业废气（比如烟气脱硫）时，由于废气中污染物浓度不高，
我们不希望在净化废气的同时，使气体的温度升得很高而浪费电能。利用脉冲电晕等
离子体法产生５—２０ｅｖ能量的活化电子，轰击气体污染物；同时，产生大量的Ｏ、ＯＨ等活性自由基团，在电场局部区域造成氧化或还原氛围，进行氧化还原反应，促使污染物发生解离，能量效率比ＥＢＡ高二倍，投资是ＥＢＡ法的６０％，成为国际上千法脱硫脱硝的研究前沿。
低温等离子体技术的工业化应用的关键是在保证污染物去除率的基础上，降低能耗。Ｈ前Ｒ本、意大利、荷兰、美国都在积极开展研究，已建成１４０００Ｎｍ３ｍ的试验
装景，能耗１２－１５Ｗｈ／Ｎｍ３Ｉ捌。我国在“八五”期间，“脉冲等离子体加氨脱硫”方
２华中科技大学硕士学位论文＝；＝；＝＝—＝＃＝＝＝＝≈＝自；＝＝＝＝＝＝≈＝＝％一一：法被列为重点科学基金项目；“九五”期间，科技部又投资于该项目的中试研究。不过，此法离实用化尚有差距，存在的主要问题有：高功率、长寿命纳秒级高压脉冲电源的研制，反应器结构优化，高温氨盐的回收、运行费用的降低和氨泄漏等问题。（３）废水处理１１６”Ｊ脉冲电晕法进行废水处理是通过在气液两相体中放电，产生与水充分接触的非平衡等离子体，造成一种既有高能电子，又有紫外照射及臭氧作用的强氧化氛围的水处理环境，进而氧化、降解有机物，使污染物转化为低毒或无毒物质。华中科技大学已将它成功地用于印染废水的脱色上，并针对硝基苯及焦化废水展开应用研究。目前，此技术要获得进一步的应用，首要解决能耗和去除率。总而言之，在众多的环境污染治理新技术中，等离子体作为一种高效率、低能耗、使用范围广、处理量大、操作简单的环保新技术，利用还原、氧化降解等反应，处理有毒及难降解物质，将之转化为低毒或无毒物质，有其独到之处，在油水脱离、食品保鲜、臭氧制造、核废料处理、烟气脱硫、废水处理等环保领域已取得了积极的进展，具有广阔的应用前景。但若广泛应用于工业生产尚须作更深入及更系统的研究，在能效上有所突破。１．２研究脉冲等离子体电源的必要性及国内外研究概况１．２．３研翩脉冲等膏予体电豫的必要性在利用低温等离子体烟气脱硫和污水处理时，根据作用机理，必须满足以下两个基本条件：（１）脉冲电场要使电子在自由行程内得到的能量足以有效地激活反应物，产生各类活性自由基团，促进Ｓ０２或水中有机物的解离；（２）外加电场还要将对电子施加能量的时间控制在一定范围内，保证在此时间段内电子得到很高的能量，而其它离子则处于刚起动状态，得到的能量很低，外界提供的能量即终止，从而在常温常压状态下抑制气体或液体的温度上升，提高能量利用率。由此可见，产生此种放电的唯一手段是利用脉冲功率技术产生的前沿陡峭的窄脉宽高压脉冲供电，激发高能电子。所谓脉冲功率技术是指将很大的能量（通常为几十万焦耳至几十兆焦耳）储存在储能元件（通常为电容器、电感器等），然后通过快速开关（动作时间在纳秒量级）将此能量在纳秒至微秒时间内释放到负载上，以得到极高瞬时功率
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