CN103219913B - 一种用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，包括工频整流滤波电路、一级升压电路、二级升压电路和电压耦合电路，所述工频整流滤波电路与市电网相接将工频交流电转换为直流电，所述一级升压电路的输入端和输出端分别与所述工频整流滤波电路的输出端和所述二级升压电路的输入端相连完成升压及整流滤波作用，所述二级升压电路再次升压输出稳定的高压直流电和高压交流电，所述电压耦合电路将交直流电耦合叠加加载于等离子体反应器等效负载上；本发明改变了传统的利用两个独立的交、直流电源进行耦合放电的方式，很大程度上减小了所需硬件的数量，节省了空间，节约成本，进而减少损耗，提高了电源系统的可靠性和稳定性。

Description

一种用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源

技术领域

本发明涉及一种高压电源，具体涉及一种用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源。

背景技术

随着现代工业的迅猛发展，水资源受到严重污染和破坏，由此带来的危害引起全世界的广泛关注，各种工业污水处理方法应运而生。其中，利用高压脉冲进行电晕放电的低温等离子体高级氧化污水处理技术兼备传统方法的优点，又有适用性广、有机物去除率高和无二次污染等独特的优势，成为污水处理领域中具有极大发展前途的技术。

在各种产生高压脉冲的方式之中，交直流叠加技术具有能量利用率高、对非均匀放电电极敏感度低、成本低便于工业化等优势，受到广泛关注，成为等离子体处理污染物领域的研究热点。

高压脉冲电源是交直流叠加技术的核心部分之一。因此，脉冲电源的性能是实现该方法的先决条件，电源的设计和优化至关重要。传统的高压脉冲电源利用独立的高压直流电源和交流电源，对二者的输出进行耦合叠加后作用于反应器以产生低温等离子体，存在体积大成本高、升压环节单一、能耗大等方面问题，亟待解决。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提供一种通过分级升压的方式输出稳定的高压交直流电并进行叠加的用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源。

技术方案：本发明所述的一种用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，包括工频整流滤波电路、一级升压电路、二级升压电路和电压耦合电路，所述工频整流滤波电路与市电网相接将工频交流电转换为直流电，所述一级升压电路的输入端和输出端分别与所述工频整流滤波电路的输出端和所述二级升压电路的输入端相连完成升压及整流滤波作用，所述二级升压电路进一步升压输出稳定高压直流电和高压交流电，所述电压耦合电路将交直流电耦合叠加加载于等离子体反应器等效负载上。

优选地，所述工频整流滤波电路包括三相不控整流电路和滤波电路，所述滤波电路包括滤波电感L_1f和滤波电容C_1f，所述三相不控整流电路的输出端串联滤波电感L_1f后与滤波电容C_1f并联，向所述三相不控整流电路输入市电网的三相电压，三相不控整流电路将三相电压转换成直流电压，滤波电路去除干扰信号后由所述滤波电容C_1f两端输出直流电压传递给一级升压电路。

优选地，所述一级升压电路为全桥升压DC/DC变换器，所述全桥升压DC/DC变换器采用原副边匝数比较小的高频升压变压器T₁进行一次升压工作，且起到电气隔离的作用，原边为由IGBTS₂₁、IGBTS₂₂、IGBTS₂₃和IGBTS₂₄分别独立对应地串联二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃和二极管D₂₄构成的H桥逆变电路，H桥逆变电路将直流电转换为交流电以便高频升压变压器T₁进行升压工作，副边为二极管D₂₅、二极管D₂₆、二极管D₂₇和二极管D₂₈构成的桥式整流电路再将升压后的交流电转换为直流电。

进一步，所述H桥逆变电路的回路中串联隔直电容C_2b和谐振电感L_2f，隔直电容C_2b不仅能够改善高频升压变压器T₁的直流偏磁问题，还能解决原副边的占空比丢失问题，与IGBTS₂₁、IGBTS₂₂、IGBTS₂₃和IGBTS₂₄串联的二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃和二极管D₂₄和包含变压器漏感的谐振电感L_2f可以使开关器件IGBTS₂₁、IGBTS₂₂、IGBTS₂₃和IGBTS₂₄工作在零电流开关状态(ZCS)，降低了开关损耗用以提高开关频率，提高了效率；进一步，所述桥式整流电路在将交流电转换为直流电后串联滤波电感L_2f并与滤波电容C_2f并联进行滤波。

优选地，所述二级升压电路为非对称多路输出结构的全桥LLC谐振变换器，采用原副边匝数比较大的高频升压变压器T₂进行二次升压，原边由分别反向独立对应地并联二极管D₃₀₁、二极管D₃₀₂、二极管D₃₀₃和二极管D₃₀₄的IGBTS₃₁、IGBTS₃₂、IGBTS₃₃和IGBTS₃₄构成H桥逆变电路，二极管D₃₀₁、二极管D₃₀₂、二极管D₃₀₃和二极管D₃₀₄作为续流二极管防止电压电流突变造成过大电压击穿IGBTS₃₁、IGBTS₃₂、IGBTS₃₃和IGBTS₃₄，高频升压变压器T₂的副边第一路连接反相对称电路结构的倍压整流电路输出放大倍数的高压直流电，副边第二路输出高压交流电连接所述电压耦合电路的隔直电容C₄。进一步地，所述H桥逆变电路串联谐振电感L_3s和谐振电容C_3s后与电感L_3m并联，电感L_3m为变压器漏感。

优选地，所述电压耦合电路包括连接所述二级升压电路的第一路输出的保护电阻R₄和滤波电感L₄₁用于输出高压直流电，以及与所述二级升压电路的第二路输出相连的隔直电容C₄用于输出高压交流电，高压直流电和高压交流电通过电感L₄₂耦合加载于等离子体反应器等效负载上。

进一步，所述一级升压电路由PWM双闭环PI控制电路控制；所述二级升压电路由PFM控制电路控制。

有益效果：1、本发明采用的分级升压方案降低了高频升压变压器的设计难度，减少了电磁干扰以及线路损耗；2、本发明一级分压电路的引入，为高压脉冲电源系统提供了可靠有效的电气隔离，提高了系统的可靠性和稳定性；该部分以串接有二极管的IGBT为功率器件，可以工作在零电流开关状态(ZCS)，使其在开关通断时流过开关的电流为零，从而减少开关损耗以提高开关频率，有助于提高电源的功率密度；原边串接的隔直电容能够改善变压器的直流偏磁问题和原副边的占空比丢失问题；3、在二级升压电路中，全桥LLC谐振变换器采用了非对称多路输出结构，副边第一路通过反向对称倍压整流电路输出放大倍数后的高压直流电，第二路输出交流电，改变了传统的利用两个独立的交、直流电源进行耦合放电的方式，很大程度上减小了所需硬件的数量，节省了空间，节约成本，进而减少损耗，提高了电源系统的可靠性和稳定性。

附图说明

图1为本发明的电路示意图；

图2为本发明所述的工频整流滤波电路的电路示意图；

图3为本发明所述的一级升压电路的电路示意图；

图4为本发明所述的二级升压电路的电路示意图；

图5为本发明所述的PWM双闭环PI控制电路的电路示意图；

图6为本发明所述的PFM控制电路的电路示意图。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：如图1所示，一种用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，包括工频整流滤波电路1、一级升压电路2、二级升压电路3和电压耦合电路4，具体地说，如图2所示，工频整流滤波电路1包括由6个二极管D₁₁～D₁₆构成的三相不控整流桥和由滤波电感L_1f和滤波电容C_1f组成的滤波电路，三相不控整流桥的输出端串联滤波电感L_1f后与滤波电容C_1f并联，向三相不控整流桥的输入端输入市电网的三相电压，三相不控整流桥将三相电压转换成直流电压，滤波电路去除干扰信号后由滤波电容C_1f两端输出直流电压V_do1传递给一级升压电路2。

如图3所示，一级升压电路2为全桥升压DC/DC变换器，采用原副边匝数比较小的高频升压变压器T₁，高频升压变压器T₁的原边由IGBTS₂₁、IGBTS₂₂、IGBTS₂₃和IGBTS₂₄分别独立对应地串联二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃和二极管D₂₄构成H桥逆变电路，H桥逆变电路的回路中串联隔直电容C_2b和谐振电感L_2r，隔直电容C_2b用于改善高频升压变压器T₁的直流偏磁问题和原副边的占空比丢失问题，与IGBTS₂₁、IGBTS₂₂、IGBTS₂₃和IGBTS₂₄串联的二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃和二极管D₂₄和包含变压器漏感的谐振电感L_2r可使开关器件IGBTS₂₁、IGBTS₂₂、IGBTS₂₃和IGBTS₂₄工作在零电流开关状态(ZCS)，降低开关损耗；高频升压变压器T₁原边输入直流电压V_do1后进行一次升压工作，同时且起到电气隔离的作用，高频升压变压器T₁的副边由二极管D₂₅、二极管D₂₆、二极管D₂₇和二极管D₂₈构成桥式整流电路，桥式整流电路再将一次升压后的交流电转换为直流电后串联滤波电感L_2r并与滤波电容C_2r并联进行滤波，滤波电容C_2r两端的电压V_do2输出给二级升压电路3。

如图4所示，二级升压电路3为非对称多路输出结构的全桥LLC谐振变换器，采用原副边匝数比较大的高频升压变压器T₂进行二次升压，高频升压变压器T₂的原边由分别反向独立对应地并联二极管D₃₀₁、二极管D₃₀₂、二极管D₃₀₃和二极管D₃₀₄的IGBTS₃₁、IGBTS₃₂、IGBTS₃₃和IGBTS₃₄构成H桥逆变电路，二极管作为续流二极管防止过大的突变电压击穿IGBTS₃₁、IGBTS₃₂、IGBTS₃₃和IGBTS₃₄，H桥逆变电路的回路中串联谐振电感L_3s和谐振电容C_3s后与电感L_3m并联，电感L_3m为变压器漏感，高频升压变压器T₂的副边第一路连接由二极管D₃₁、二极管D₃₂、二极管D₃₃、二极管D₃₄、二极管D₃₅、二极管D₃₆、二极管D₃₇、二极管D₃₈、二极管D₃₉和二极管D₃₁₀及电容C₃₁、C₃₂、C₃₃、C₃₄、C₃₅、C₃₆和C₃₇构成的反相对称电路结构的倍压整流电路5，上组电容C₃₁、C₃₂和下组电容C₃₆、C₃₇分别串联平衡电阻R₃₁和R₃₂，起到平衡倍压整流电路5容性负载的作用，中间电容C₃₃接地，故倍压整流电路5上下对称，首先讨论上半组电路：经过高频升压变压器T₂副边交流电压的第一个正半周，D₃₁导通，C₃₃上的电压充到副边电压峰值的1/2，副边交流电压第二个半周为负半周，D₃₁截止D₃₂导通，C₃₃上的电压与副边电压的1/2串联后相加，电流经D₃₂给C₃₁充电，C₃₁上的电压接近副边电压峰值，它的值是变压器电级电压的一倍，如此反复到第五个半周，C₃₅上的电压为5/2倍的副边电压，由于倍压整流电路5上下对称，下半组电路的工作原理与上半组相同，故下半组电路也给C₃₅充电5/2倍的副边电压，总共输出放大5倍的高频升压变压器T₂副边的高压直流电，副边第二路输出二次升压后的高压交流电连接电压耦合电路4的隔直电容C₄，电压耦合电路4包括连接二级升压电路3的第一路输出的保护电阻R₄和滤波电感L₄₁用于输出高压直流电V_dc，以及与二级升压电路3的第二路输出相连的隔直电容C₄输出高压交流电V_ac，其中，电阻R₄起到保护限流的作用，电感L₄₁起耦合作用，还能避免交流输出对直流输出的影响，隔直电容C₄能够避免直流输出对交流输出的影响，高压直流电V_dc和高压交流电V_ac通过电感L₄₂耦合加载于等离子体反应器等效负载6上，电感L₄₂还为抗短路电感，起到限流保护作用。

如图5所示，本系统的控制电路分为两个部分：一级升压电路2控制电路采用PWM双闭环PI控制方案：基准电压Vref和通过模数转换器A/D_1采集的一级升压电路2的输出电压V_do2采样值进行比较生成电压误差信号，经过一个电压环PI控制器1a构成电压外环，电压外环输出作为电流内环基准Iref，Iref和通过模数转换器A/D_2采集的一级升压电路2中副边的输出滤波电感电流I_L2f采样值进行比较后，进过一个电流环PI控制器2a，输出信号作为与三角载波交截的调制信号Kc，最后经过驱动电路3a对一级升压电路2中的IGBTS₂₁、IGBTS₂₂、IGBTS₂₃和IGBTS₂₄进行控制。

如图6所示，二级升压电路3控制电路采用PFM控制方案:假设二级升压电路3中的S₃₁～S₃₄某一IGBT在驱动信号作用下闭合导通，某一时刻IGBT的输出电压V_dc大于基准值X，二者经过误差比较器1b输出低电平，则“与”门2b输出为低电平，即RS触发器3b的R端为低电平，同时S端为低电平，则RS触发器3b的Q端为高电平，经过反相器4b输出至驱动电路5b使IGBT关断；当某一时刻输出电压V_dc小于基准值时，误差比较器1b为高电平，最小关断单稳态触发器6b输出端也为高电平，其输出与误差值经过“与”门2b之后，得R输入端为高电平，则RS触发器3b被触发，Q端输出低电平，经反向器4b输出后至驱动电路5b使IGBT导通；当IGBT的输出电流I_dc变化时，控制电路中包括误差比较器1b’，“与”门2b替换为“或”门2b’，最小关断单稳态触发器6b替换为最大开启单稳态触发器6b’，最大开启单稳态触发器6b’通过反相器4b’与最小关断单稳态触发器6b连接，其工作过程类似。重复上述开关过程，使得二级升压电路3的IGBT输出电压维持一个比较稳定的电压范围内，最小关断单稳态触发器6b和最大开启单稳态触发器6b’分别控制IGBTS₃₁、IGBTS₃₂、IGBTS₃₃和IGBTS₃₄的最小关断时间和最长导通时间。

如上，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。

Claims (9)

1.一种用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，包括工频整流滤波电路(1)、一级升压电路(2)、二级升压电路(3)和电压耦合电路(4)，其特征在于：所述工频整流滤波电路(1)与市电网相接将工频交流电转换为直流电，所述一级升压电路(2)的输入端和输出端分别与所述工频整流滤波电路(1)的输出端和所述二级升压电路(3)的输入端相连完成升压及整流滤波作用，所述二级升压电路(3)再次升压输出稳定的高压直流电和高压交流电，所述电压耦合电路(4)将交直流电耦合叠加加载于等离子体反应器等效负载(6)上，所述电压耦合电路(4)包括连接所述二级升压电路(3)的第一路输出的保护电阻R₄和滤波电感L₄₁用于输出高压直流电，以及与所述二级升压电路(3)的第二路输出相连的隔直电容C₄用于输出高压交流电，高压直流电和高压交流电通过电感L₄₂耦合加载于等离子体反应器等效负载(6)上。

2.根据权利要求1所述的用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，其特征在于：所述工频整流滤波电路(1)包括三相不控整流电路和滤波电路，所述滤波电路包括滤波电感L_1f和滤波电容C_1f，所述三相不控整流电路的输出端串联滤波电感L_1f后与滤波电容C_1f并联，向所述三相不控整流电路输入三相电压，由所述滤波电容C_1f两端输出直流电压。

3.根据权利要求1所述的用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，其特征在于：所述一级升压电路(2)为全桥升压DC/DC变换器，所述全桥升压DC/DC变换器采用原副边匝数比较小的高频升压变压器T₁进行一次升压，所述高频升压变压器T₁的原边为由IGBTS₂₁、IGBTS₂₂、IGBTS₂₃和IGBTS₂₄分别独立对应地串联二极管D₂₁、二极管D₂₂、二极管D₂₃和二极管D₂₄构成的H桥逆变电路，副边为二极管D₂₅、二极管D₂₆、二极管D₂₇和二极管D₂₈构成的桥式整流电路。

4.根据权利要求3所述的用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，其特征在于：所述H桥逆变电路的回路中串联隔直电容C_2b和谐振电感L_2r。

5.根据权利要求3所述的用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，其特征在于：所述桥式整流电路在串联滤波电感L_2f后与滤波电容C_2f并联。

6.根据权利要求1所述的用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，其特征在于：所述二级升压电路(3)为非对称多路输出结构的全桥LLC谐振变换器，所述全桥LLC谐振变换器采用原副边匝数比较大的高频升压变压器T₂进行二次升压，所述高频升压变压器T₂的原边由分别反向独立对应地并联二极管D₃₀₁、二极管D₃₀₂、二极管D₃₀₃和二极管D₃₀₄的IGBTS₃₁、IGBTS₃₂、IGBTS₃₃和IGBTS₃₄构成H桥逆变电路，副边第一路连接反相对称电路结构的倍压整流电路(5)输出放大的高压直流电，副边第二路输出高压交流电连接所述电压耦合电路(4)的隔直电容C₄。

7.根据权利要求6所述的用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，其特征在于：所述H桥逆变电路串联谐振电感L_3s和谐振电容C_3s后与漏感电感L_3m并联。

8.根据权利要求1所述的用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，其特征在于：所述一级升压电路(2)由PWM双闭环PI控制电路(7)控制。

9.根据权利要求1所述的用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，其特征在于：所述二级升压电路(3)由PFM控制电路(8)控制。