CN109889043A - 一种用于电晕放电法等离子体污水处理系统的高效脉冲电源 - Google Patents
一种用于电晕放电法等离子体污水处理系统的高效脉冲电源 Download PDFInfo
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Abstract
本发明属于高压电源技术领域，涉及一种用于电晕放电法等离子体污水处理系统的高效高压脉冲电源，主体结构包括三相工频整流滤波电路、Γ‑ZSdc‑dc升压电路、倍压整流电路和电压耦合电路；三相工频整流滤波电路采用传统三相工频二极管整流电路和LC滤波电路组成，Γ‑ZSdc‑dc升压电路包括Γ‑ZS网络电路和H桥电路，Γ‑ZS网络的输入端和输出端分别与所述三相工频整流滤波电路的输出端和所H桥电路相连，倍压整流电路复用Γ‑ZSdc‑dc升压电路的H桥电路，还包括高频高匝比变压器的第二绕组和第三绕组以及电容‑二极管对，倍压整流电路的输出端接电压耦合电路的保护电阻和滤波电感，其能量损耗少，效率和可靠性高，节省空间和成本。
Description
技术领域：
本发明属于高压电源技术领域，涉及一种用于电晕放电法等离子体污水处理系统的高效高压脉冲电源。
背景技术：
离子体污水处理系统因为适用面广、有机物去除率高以及不带来二次污染等优势，是污水处理领域比较理想的方法而得到国内外广泛关注，如文献马东平.低温等离子体在废水处理中的应用及其机理的研究[D].兰州：西北师范大学，2007。其中高频脉冲放电技术和高频脉冲电源成为污水处理系统的技术关键，产生低温等离子体的方法常见的有：电子束照射法、介质阻挡放电法、表面放电法及电晕放电法等，大部分高频脉冲电源都是采用两级结构：前级二极管不控整流，后级全桥(半桥)逆变电路结构，如文献“武海霞，嵇保健.等离子体污水处理高压直流电源研究[J]电力电子技术，2013,47(5)：74-75”以及“李艳红.AC_DC气液两相放电废水处理电源的研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2008”。电晕放电法由于其结构简单，成本低而得到业界的青睐。电晕放电法以流光放电模式工作，能够得到低温等离子体。满足一定条件的高频交流电压叠加上高压直流电压能够实现流光放电，
文献“姜学东.交直流叠加高频高压开关电源及其放电等离子体在多种污染物治理中的应用研究[D].北京：北京交通大学，2017”设计了两个单独的直流电压和交流电压相叠加而得到的交直流电源，能够实现低温等离子体，在污水处理系统中效果明显。但是，该电路结构复杂，样机性价比不高，两套三相整流电路和两套H桥电路造成了系统硬件成本的翻倍和控制系统的复杂化。CN 103219913A公开了一种用于等离子体污水处理系统的高压脉冲电源，提出用一套三级电路实现高频高压交直流脉冲电压，该电路采用两级全桥电路实现电路的高电压增益，第三级电路采用多绕组高频变压器实现5倍压的直流电压的升压功能，同时，用第4绕组获得所需交流电压，通过交直流耦合电路得到高压高频交直流电，虽然完美的解决了交直流电源分别用两套单独电路提供的弊病，同时利用两级升压和倍压整流电路实现了高压可调功能，但是，两级全桥电路的引入，增加了大功率可控开关及相关控制电路。硬件电路的增加不仅增加了系统的重量、体积及成本，同时带来了系统故障率的增加和效率低下等缺点。
发明内容：
本发明的目的在于克服现有技术存在的缺点，针对高频高压交直流电源所面临的多级电路硬件成本高、整体效率低下等缺点，提出融合Γ-ZSdc-dc技术和倍压整流技术于一体的两级高压交直流脉冲电源，采用单级电路实现两级升压功能，进而在倍压整流技术下得到高压直流电压，同时采用第四绕组生成的交流电压叠加到高压直流电压上得到可用于等离子体的高压脉冲电源。
为了实现上述目的，本发明的主体结构包括三相工频整流滤波电路、Γ-ZSdc-dc升压电路、倍压整流电路和电压耦合电路；三相工频整流滤波电路采用传统三相工频二极管整流电路和LC滤波电路组成，包括由六个整流二极管组成的三相整流桥、滤波电感和滤波电容，整流后的六脉波直流电与滤波电感串联后再与滤波电容并联，滤波电容稳压后的直流电压传递给Γ-ZSdc-dc升压电路，Γ-ZSdc-dc升压电路包括Γ-ZS网络电路和H桥电路，Γ-ZS网络的输入端和输出端分别与所述三相工频整流滤波电路的输出端和所H桥电路相连，Γ-ZS网络由耦合电感、电容和二极管构成，耦合电感的绕组与电容串联后，再与二极管并联，输出端连接到H桥，H桥由四个绝缘栅双极型晶体管以及相对应的四个续流二极管构成，H桥电路的上下管同时导通(直通)能够实现Γ-ZS网络的直流电压升压功能，H桥电路与Γ-ZS网络电路直通实现一级升压功能；H桥电路回路中串联隔离电容和谐振电感；倍压整流电路复用Γ-ZSdc-dc升压电路的H桥电路，还包括高频高匝比变压器的第二绕组和第三绕组以及电容-二极管对，升压倍数由第二绕组和第三绕组的匝比和电容-二极管对的个数决定，倍压整流电路的输出端接电压耦合电路的保护电阻和滤波电感，输出高压直流电；电压耦合电路包括保护电阻、滤波电感、隔直电容、电感和等离子体反应器负载，滤波电感的输入端与保护电阻连接，输出端与隔直电容、电感连接，电感与等离子体反应器负载连接，高频高匝比变压器的第四绕组与隔直电容连接输出交流电，输出的直流电和交流电通过电感耦合后，作为高频高压脉冲电源为等离子体反应器负载提供能量。
本发明的工作原理为：三相工频二极管整流电路与电网相接将电网的工频交流电转换为直流电，并通过LC滤波电路优化直流电压和电流的波形，Γ-ZSdc-dc升压电路的输入端和输出端分别与三相工频整流滤波电路的输出端和电压耦合电路输入端相连，通过Γ-ZS网络和倍压整流电路的升压功能，输出稳定的高压直流电和交流电，电压耦合电路将倍压整流所得高压直流电和另一路绕组所得交流电电叠加后作为等离子体反应器的电源。
本发明所述隔离电容除了能够改善高频升压变压器的直流偏磁问题，还与谐振电感、绝缘栅双极型晶体管和续流二极管构成谐振软开关，使绝缘栅双极型晶体管工作在零电流软开关(ZCS)环境下，改善了电路的电磁环境，同时提高了系统的效率。
本发明所述Γ-ZSdc-dc升压电路中的Γ-ZS网络电路直通信号采用PWM控制方式，倍压整流电路控制采用PWM控制电路。
本发明未具体描述的电路结构连接方式均为现有技术中常用或通用的电路连接方式。
本发明与现有技术相比，具有以下优点：一是采用一级电路实现两级升压功能降低了现有单级升压电路高频变压器的匝比，进而减少了高频变压器的设计难度和能量损耗；二是虽然拥有两级升压功能，但是从硬件电路上减少了一级H桥高频逆变和二极管整流等电路，有源器件的减少提高了系统的功率密度和控制难度，相应地提高了系统的效率和可靠性；三是高频高匝比变压器输出绕组分别得到独立的高压直流电和高压交流电，进行简单的叠加后得到所需的交直流电，减少了利用两个独立交、直流电源进行耦合放电方式的硬件电路，节省了空间和成本，进一步提高了系统的效率和可靠性。
附图说明：
图1为本发明的主体电路结构原理示意图。
图2为本发明所述的三相工频整流滤波电路示意图。
图3为本发明所述的融合H桥电路和Γ-ZS网络的Γ-ZS DC-DC升压电路示意图；
图4为本发明Γ-ZS DC-DC升压电路工作模式示意图。
图5为本发明所述倍压整流电路和电压耦合电路示意图；
图6为集倍压整流电路和Γ-ZSdc-dc电路于一身的全桥电路驱动信号示意图。
具体实施方式：
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明。
实施例：
本实施例所述用于电晕放电法等离子体污水处理系统的高效脉冲电源的电路结构如图1所示，包括三相工频整流滤波电路1、Γ-ZSdc-dc升压电路2、倍压整流电路3和电压耦合电路4；
其中三相工频整流滤波电路1如图2所示，为传统三相工频二极管整流电路和LC滤波电路，具体由三相整流桥(6个整流二极管D11-D16)、滤波电感L1、滤波电容C1构成，整流后的六脉波直流电与滤波电感L1串联后再与滤波电容C1并联，滤波电容C1稳压后的直流电压传递给Γ-ZSdc-dc升压电路2；
Γ-ZSdc-dc升压电路2的电路结构如图3所示，包括Γ-ZS网络电路和H桥电路两部分(Γ-ZSdc-dc升压电路2和倍压整流电路3复用所述H桥电路)，Γ-ZS网络采用降压型小匝比耦合电感T1，原边绕组N11和三相工频二极管整流滤波电路的输出端相连，副边降压绕组N12与电容C21串联后再与二极管D2并联，最后与H桥相连，三相工频整流滤波电路1所得的直流电通过Γ-ZSdc-dc升压电路2实现直流电的升压功能，具体工作模式如图4所示，H桥上下管的同时导通(直通)使得Γ-ZSdc-dc升压电路得以实现，Γ-ZS网络电路输出电压VPN可以表示为Γ-ZS网络电路的输出电压VPN连接到H桥电路的两端，作为倍压整流电路3的输入；H桥电路回路中串联的隔离电容C22改善了高频升压变压器T2的直流偏磁问题，优化了高频变压器工作环境，增加了高频变压器的使用寿命。同时隔直电容C22和谐振电感L21、H桥臂IGBTS21、IGBTS22、IGBTS23、IGBTS24以及二极管D21、二极管D22、二极管D23、和二极管D24构成谐振软开关的功能，使IGBTS21、IGBTS22、IGBTS23、IGBTS24实现了零电流软开关(ZCS)功能，改善了电路的EMI(电磁兼容)特性，同时提高了系统的效率；
倍压整流电路3和电压耦合电路4如图5所示，H桥通过高频高匝比变压器T2与倍压整流电路3、第四绕组N24与隔直电容C4组成的交流电生成电路相连，第二绕组N22、第三绕组N23作为倍压整流电路3的输入，其通过H桥电路产生的交变脉冲电源成为倍压整流电路3的能量源泉，倍压整流电路3属于全桥模式，上下半波电路结构对称，分别是上半波由电容C31、C32，二极管D31、D32、D35、D36构成，下半波由电容C35、C36，二极管D33、D34、D37、D38构成，对称轴上面的升压电容为C33、C34，具体工作过程如下：上半波电路，在图5所述同名端的前提下，在第二绕组N22电压的正半周，二极管D32、二极管D36导通，二极管D31、二极管D35反偏截止，第二绕组N22上的能量和电容C31、C32给电容C33、C34充电的同时，为负载提供能量；在绕组N22电压的负半周，二极管D31、二极管D35导通，二极管D32、二极管D36反偏截止，绕组N22上的能量和电容C33一起给电容C31、C32充电，电容C32为负载提供能量；下半波电路工作过程和上半波电路工作完全对称，第四绕组N24输出高频交流电，其幅值的大小主要由匝比和全桥电路有效状态占空比来调节，此处，交流电幅值大小和倍压整流电路直流输出幅值的大小通过高频高匝比变压器T2关联，即在控制中交流电的大小和直流电的大小要考虑交叉调整率问题，交流电的输出端连接电压耦合电路4的隔直电容C4，输出高压交流电Vac；倍压整流电路3的输出端接电压耦合电路4的保护电阻R和滤波电感L41，输出高压直流电Vdc，电阻R起到限流保护的作用，而滤波电感L41起到耦合作用，同时保护交流电对直流电的影响，隔直电容C4能够保护直流电对交流电的影响；两路输出的交流电和直流电通过电感L42进行耦合叠加，形成系统所需的高频高压交直流电，为等离子体反应器负载5进行供电，电感L42作为电抗器，能够起到限流保护的作用。
本实施例的控制电路可以采用传统的全桥谐振软开关电路的控制方法，如图6所示，倍压整流电路输出直流电压的大小由变压器匝比N22/N21和全桥占空比D决定，本实施例的独特之处是复用全桥逆变器实现后级倍压整流电路和Γ-ZSdc-dc升压电路的控制，控制策略里面增加了“直通”占空比，本实施例属于开关电源的范畴，工作模式和开关电源雷同，周期工作，周而复始，在t0时刻前，H桥工作在有效状态，此时IGBTS21、IGBTS24导通，IGBTS22、IGBTS23关断，1)Γ-ZSdc-dc升压电路工作在图4(b)所示工作模式，为后级提供能量；2)Γ-ZSdc-dc升压电路的输出能量加在高频高压变压器绕组N21两端，两端电压为VPN。t0-t1时段，IGBTS24关断，同时IGBTS23导通，此时变压器绕组N21两端电压为零，Γ-ZSdc-dc升压电路和后级电路没有能量交换；t1-t2时段，H桥进入直通时刻，IGBTS21、IGBTS24、IGBTS22、IGBTS23全部导通，Γ-ZSdc-dc升压电路进入图4(a)所示直通模式，其输出和后级电路同样没有能量交换。Γ-ZSdc-dc升压电路里的电容C21和前级三相工频整流滤波后的直流电一起给绕组N11充电；t2-t3时段，该工作模式和t0-t1时段一致，属于传统零状态；t3-t4时段，该阶段H桥工作在另一个有效状态时段，IGBTS22、IGBTS23导通，IGBTS21、IGBTS24关断。Γ-ZSdc-dc升压电路的输出能量加在高频高压变压器绕组N21两端，两端电压为-VPN。t4-t5时段，该状态IGBTS21、IGBTS23导通，IGBTS22、IGBTS24关断，Γ-ZSdc-dc升压电路和后级倍压整流电路以及交流电路都没有能量交换，属于零状态。该时段以后各时段，按照周期工作，周而复始的规律进行。
Claims (2)
1.一种用于电晕放电法等离子体污水处理系统的高效脉冲电源，其特征在于主体结构包括三相工频整流滤波电路、Γ-ZSdc-dc升压电路、倍压整流电路和电压耦合电路；三相工频整流滤波电路采用传统三相工频二极管整流电路和LC滤波电路组成，包括由六个整流二极管组成的三相整流桥、滤波电感和滤波电容，整流后的六脉波直流电与滤波电感串联后再与滤波电容并联，滤波电容稳压后的直流电压传递给Γ-ZSdc-dc升压电路，Γ-ZSdc-dc升压电路包括Γ-ZS网络电路和H桥电路，Γ-ZS网络的输入端和输出端分别与所述三相工频整流滤波电路的输出端和所H桥电路相连，Γ-ZS网络由耦合电感、电容和二极管构成，耦合电感的绕组与电容串联后，再与二极管并联，输出端连接到H桥，H桥由四个绝缘栅双极型晶体管以及相对应的四个续流二极管构成，H桥电路的上下管同时导通能够实现Γ-ZS网络的直流电压升压功能，H桥电路与Γ-ZS网络电路直通实现一级升压功能；H桥电路回路中串联隔离电容和谐振电感；倍压整流电路复用Γ-ZSdc-dc升压电路的H桥电路，还包括高频高匝比变压器的第二绕组和第三绕组以及电容-二极管对，升压倍数由第二绕组和第三绕组的匝比和电容-二极管对的个数决定，倍压整流电路的输出端接电压耦合电路的保护电阻和滤波电感，输出高压直流电；电压耦合电路包括保护电阻、滤波电感、隔直电容、电感和等离子体反应器负载，滤波电感的输入端与保护电阻连接，输出端与隔直电容、电感连接，电感与等离子体反应器负载连接，高频高匝比变压器的第四绕组与隔直电容连接输出交流电，输出的直流电和交流电通过电感耦合后，作为高频高压脉冲电源为等离子体反应器负载提供能量。
2.根据权利要求1所述用于电晕放电法等离子体污水处理系统的高效脉冲电源，其特征在于其工作原理为：三相工频二极管整流电路与电网相接将电网的工频交流电转换为直流电，并通过LC滤波电路优化直流电压和电流的波形，Γ-ZSdc-dc升压电路的输入端和输出端分别与三相工频整流滤波电路的输出端和电压耦合电路输入端相连，通过Γ-ZS网络和全桥倍压整流电路的升压功能，输出稳定的高压直流电和交流电，电压耦合电路将倍压整流所得高压直流电和另一路绕组所得交流电电叠加后作为等离子体反应器的电源。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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