CN204046549U - 一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置，包括装置总开关、高压基波发生电路、高压方波脉冲发生电路、ARM微控制模块以及高压电容耦合电路。所述的高压基波发生电路包括PWM交流调压电路、全桥整流电路、ZVS逆变升频电路、回扫变压器，产生幅值可调的高压直流基波。所述的高压方波脉冲发生电路是在高压基波发生电路正极输出末端串联连接一高压IGBT模块，产生幅值、脉冲频率以及脉冲宽度可调的高压方波脉冲。高压电容耦合电路将高压直流基波与高压方波脉冲进行耦合叠加输出。它提供了一种体积小、可靠性高、参数可调的高压脉冲发生装置，专用于水稻种子的高压电场处理领域。

Description

一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置

技术领域

本实用新型涉及脉冲发生装置领域，具体涉及一种应用于水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置。

背景技术

目前，高压脉冲处理技术广泛应用于等离子体放电、环境保护、污水处理以及液态食品杀菌等领域。高压脉冲发生装置是高压脉冲处理技术的核心部件，不同领域的应用实际对高压脉冲发生装置的设计要求不同，具体涉及高压脉冲形式、高压脉冲幅值、高压脉冲频率、高压脉冲宽度。

利用高压脉冲电场对农作物种子进行处理有益效果明显，可以促进陈种子的萌发，提高种子的发芽率以及发芽势等，其中发芽势的提高最为明显。水稻是人类的主要食物之一，在国内粮食构成中比重较大，在国民经济中有极其重要的地位，利用高压脉冲电场处理提高水稻种子的活力、提高水稻产量符合当前我国人多地少的基本国情，有十分重要的推广价值。

应用于水稻种子处理的高压脉冲发生装置，宜采用高压直流基波叠加高压方波脉冲的形式，较易控制电场处理过程中的能量传递，叠加高压直流基波的形式还可降低对高压方波脉冲幅值的要求，降低设计与制作难度。

实用新型内容

为了解决上述问题，本实用新型提供了一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置；目的在于提供一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置，该装置可以实现高压基波与高压方波脉冲的叠加输出。高压方波脉冲的幅值、频率、脉宽以及高压基波的幅值均可按需调节，满足水稻种子的高压电场处理使用要求。

为实现上述目的，本实用新型采用的技术方案如下：将220V交流电通过装置总开关为高压基波发生电路和高压方波脉冲发生电路提供工作电压，高压基波发生电路末端正极输出与高压方波脉冲发生电路末端正极输出经高压电容耦合电路耦合叠加作为水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的正极输出，高压基波发生电路末端负极输出与高压方波脉冲发生电路末端负极输出直连后接地作为水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的负极输出。

一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置，包括装置总开关、高压基波发生电路、高压方波脉冲发生电路、ARM微控制器模块和高压电容耦合电路；

所述装置总开关选择为空气断路器，其与电源相连，并分别与高压基波发生电路第一脉宽调制(PWM)交流调压电路和高压脉冲发生电路中的第二PWM交流调压电路连接；

所述高压基波发生电路包括第一PWM交流调压电路、第一全桥整流电路、第一零电压开关(Zero Voltage Switch，ZVS)逆变升频电路和第一回扫变压器，输入的220V交流电通过装置总开关，经过第一PWM交流调压电路，流入第一全桥整流电路，得到幅值可调的低压直流电；低压直流电通过第一ZVS逆变升频电路，得到幅值可调的低压高频交流电；低压高频交流电流入第一回扫变压器，得到4000V～8000V幅值可调的正极性高压直流电，作为高压直流基波输入到高压电容耦合电路；

所述的高压方波脉冲发生电路包括第二PWM交流调压电路、第二全桥整流电路、第二ZVS逆变升频电路、第二回扫变压器、高压IGBT工作模块。输入的220V交流电通过装置总开关和第二PWM交流调压电路，到达第二全桥整流电路，经全桥整流电路整流、第二ZVS逆变升频电路逆变升频以及第二回扫变压器升压整流后得到正极性的高压直流基波，通过高压IGBT工作模块动作产生高压方波脉冲输入到高压电容耦合电路；

所述ARM微控制器模块包括主控芯片、PWM信号输出单元和触摸屏显示控制单元，PWM信号输出单元分别与第一PWM交流调压电路、第二PWM交流调压电路和高压IGBT工作模块相联接，实现对装置输出参数的调整并在屏幕进行显示，具体可对各PWM交流调压电路的PWM控制信号的频率和占空比进行调整，以完成高压基波幅值以及高压方波脉冲幅值的设定，还可以对高压IGBT模块的PWM控制信号的频率和占空比进行调整，以完成对高压方波脉冲频率和脉冲宽度的设定；

所述高压IGBT模块采用专用驱动芯片驱动，高压IGBT模块包括吸收电路、高压保护电路和过流保护电路，高压IGBT模块串联连接于第二回扫变压器正极输出末端，通过控制高压IGBT模块的通断来控制第二回扫变压器高压直流基波的输出，从而获得所需的方波脉冲。

所述高压电容耦合电路为将高压基波发生电路末端正极输出与高压方波脉冲发生电路末端正极输出通过一高压电容进行耦合连接作为水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的正极输出，将高压基波发生电路末端负极输出与高压方波脉冲发生电路末端负极输出直连后接地作为水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的负极输出。

本实用新型的优点：

1、利用ARM微控制器模块输出的PWM信号作为控制信号，通过调节此信号的占空比和频率，可以实现对PWM交流电压电路输出电压以及控制高压IGBT模块通断而产生的高压脉冲的脉冲宽度和脉冲频率的调节，即实现对高压基波幅值、高压方波脉冲基波幅值以及高压方波脉冲频率和脉宽的调节，利用触摸屏对高压脉冲发生装置的输出参数进行调整与显示，操作简单，直观性好；

2、采用高压直流基波叠加高压方波脉冲的输出形式，高压脉冲输出参数可调，宜于控制输出能量，高压直流基波产生的高压电场传递恒定的能量，高压方波脉冲模拟高压电晕放电作用传递能量，满足对水稻种子的高压电场处理要求。

3、本实用新型是采用单相交流电---交流调压---全桥整流得到低压直流电---逆变升频得到高频低压交流电---回扫变压器---得到高压直流基波，采用单相交流电---交流调压---全桥整流得到低压直流电---逆变升频得到高频低压交流电---回扫变压器---得到高压直流基波---高压IGBT模块---得到高压方波脉冲，采用高压电容将高压直流基波与高压方波脉冲进行耦合输出。本实用新型结构简单，制作成本低廉，具有体积小，可靠性高等特点。

附图说明

图1是一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的原理框图；

图2是一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的电路示意图；

图中，1、220V交流电源，2、装置总开关，3、第一PWM交流调压电路，4、第一全桥整流电路，5、第一ZVS逆变升频电路，6、第一回扫变压器，7、第二PWM交流调压电路，8、第二全桥整流电路，9、第二ZVS逆变升频电路，10、第二回扫变压器，11、高压IGBT模块，12、高压电容耦合电路，13、水稻种子电场处理极板。

图3是ARM微控制器模块的系统结构框图。

具体实施方式

实施例1：参照图1～3。一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置，包括装置总开关、高压基波发生电路、高压方波脉冲发生电路、ARM微控制器模块和高压电容耦合电路；高压IGBT模块为英飞凌公司生产的FX200R65KFI型高压IGBT模块；高压IGBT模块的驱动芯片选用瑞士CT公司生产的1SD210FI-FX200R56KFI型驱动芯片。

本实用新型中所使用的高压直流基波应可实现幅值连续可调。应用PWM交流调压电路对高压直流基波发生电路的交流输入电压进行调整以达到对高压直流基波输出幅值的调整。

所使用的高压方波脉冲应满足幅值、频率以及脉宽可调的要求。应用PWM交流调压电路即可对方波脉冲的幅值进行调整。将高压IGBT模块串入高压方波脉冲发生电路输出末端，利用微控制器输出PWM信号控制高压IGBT模块的通断即可产生特定频率及脉宽的方波脉冲。

所述装置总开关选择为空气断路器；

所述高压基波发生电路包括第一PWM交流调压电路、第一全桥整流电路、第一ZVS逆变升频电路和第一回扫变压器，输入的220V交流电通过装置总开关，经过第一PWM交流调压电路，流入第一全桥整流电路，得到幅值可调的低压直流电，低压直流电通过第一ZVS逆变升频电路，得到幅值可调的低压高频交流电，低压高频交流电流入第一回扫变压器，得到幅值可调的正极性高压直流电，作为高压直流基波输入到高压电容耦合电路；

所述的高压方波脉冲发生电路包括第二PWM交流调压电路、第二全桥整流电路、第二ZVS逆变升频电路、第二回扫变压器、高压IGBT模块和高压滤波电容。输入的220V交流电通过装置总开关和第二PWM交流调压电路，到达第二全桥整流电路，经全桥整流电路整流、第二ZVS逆变升频电路逆变升频以及第二回扫变压器升压整流后得到正极性的高压直流基波，通过高压IGBT模块动作产生高压方波脉冲输入到高压电容耦合电路；

所述ARM微控制器模块分别与第一PWM交流调压电路、第二PWM交流调压电路和高压IGBT模块相联接，其包括PWM控制信号输出单元和触摸屏显示控制单元，实现对装置输出参数的调整并在液晶显示器显示，具体可对PWM交流调压电路的PWM控制信号的频率和占空比进行调整，以完成对高压基波幅值以及高压方波脉冲幅值的设定，还可以对高压IGBT模块的PWM控制信号的频率和占空比进行调整，以完成对高压方波脉冲频率和脉冲宽度的设定；

所述高压IGBT模块采用专用驱动芯片驱动，高压IGBT模块包括吸收电路、高压保护电路和过流保护电路；

所述高压电容耦合电路为将高压基波发生电路末端正极输出与高压方波脉冲发生电路末端正极输出通过一高压电容进行耦合连接作为脉冲发生装置的正极输出，将高压基波发生电路末端负极输出与高压方波脉冲发生电路末端负极输出直连后接地作为脉冲发生装置的负极输出。

实施例2：参照图2。220V交流电电源通过装置总开关的空气断路器分别为高压基波发生电路和高压方波脉冲发生电路提供工作电压。高压基波发生电路工作电流流入由ARM微控制器模块输出PWM信号控制的第一PWM交流调压电路，调整交流输入电压，然后流入第一全桥整流电路进行整流，经第一ZVS逆变升频电路后变为低压高频交流电，然后经第一回扫变压器升压整流后得到正极性高压基波；高压方波脉冲发生电路工作电流流入由ARM微控制器模块输出PWM信号控制的第二PWM交流调压电路，调整交流输入电压，然后流入第二全桥整流电路进行整流，经第二ZVS逆变升频电路后变为低压高频交流电，然后经第二回扫变压器升压整流后得到正极性高压基波，第二回扫变压器正极输出串接一高压IGBT模块，由ARM微控制器模块输出PWM信号控制高压IGBT模块开关产生高压方波脉冲输出。高压基波发生电路末端正极输出与高压方波脉冲发生电路末端正极输出通过一高压电容进行耦合连接作为脉冲发生装置的正极输出，高压基波发生电路末端负极输出与高压方波脉冲发生电路末端负极输出直连后接地作为脉冲发生装置的负极输出。

实施例3：参照图3。ARM微控制器模块以STM32F103VBT6为主控芯片，外围联接PWM信号输出单元和触摸屏显示控制单元。PWM信号输出单元输出多路PWM控制信号实现脉冲发生装置参数的调整，第一PWM交流调压电路PWM控制信号实现高压基波幅值的调整，第二PWM交流调压电路PWM控制信号实现高压方波脉冲幅值的调整，高压IGBT模块PWM控制信号实现高压方波脉冲频率和脉宽的调整。通过触摸屏触控输入所需的参数值，STM32F103VBT6主控芯片自动进行PWM信号的调节并控制PWM信号输出单元进行输出，同时将各参数值显示于触摸屏屏幕。

实施例4：将400g“天优2号”水稻种子(初始含水量为13％±0.3％)分为两组，每组200g；一组不作处理作为对照，一组使用本发明进行高压电场处理；每组分别设4次重复试验；

将水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的正极输出与一不锈钢制平板电极相连接作为高压处理的正极板，将水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的负极输出与一不锈钢制平板电极相连接作为高压处理电场的负极板并可靠接地，极板有效面积约为0.15m²，正负极板平行放置且间距为50mm。将50g水稻种子均匀放置于负极板上，接通水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置电源，打开装置总开关，分别对高压直流基波幅值(4000V～7000V)与高压方波脉冲幅值(4000V～7000V)、脉冲频率(50Hz～5kHz)以及脉冲宽度(30％～80％)进行设定后即对水稻种子进行高压电场处理，达到试验设计时间(10min～30min)后，关闭装置总开关并断开装置电源，将经高压脉冲电场处理后的种子从负极板上收集起来进行发芽实验。

根据GB/T 3543.4－1995国家标准分别对上述两组水稻种子的四个处理组进行种子发芽试验，每天记录发芽数，第15天记录正常苗和不正常苗的数量，测量每盒所有正常苗的鲜重，计算每个重复的发芽势、发芽率、发芽指数等指标。试验结果表明，经本发明进行高压电场处理后的水稻种子相较无处理的对照：种子发芽势提高10.4％～41.6％，种子发芽率提高1.7％～8.7％，种子发芽指数提高1.9％～12.6％。

Claims (1)

1.一种水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置，其特征在于包括装置总开关、高压基波发生电路、高压方波脉冲发生电路、ARM微控制器模块和高压电容耦合电路；

所述的高压基波发生电路包括第一脉宽调制PWM交流调压电路、第一全桥整流电路、第一零电压开关ZVS逆变升频电路和第一回扫变压器，输入的220V交流电通过装置总开关，经过第一PWM交流调压电路，流入第一全桥整流电路，得到幅值可调的低压直流电，低压直流电通过第一ZVS逆变升频电路，得到幅值可调的低压高频交流电，低压高频交流电流入第一回扫变压器，得到幅值可调的正极性高压直流电，作为高压直流基波输入到高压电容耦合电路；

所述的高压方波脉冲发生电路包括第二PWM交流调压电路、第二全桥整流电路、第二ZVS逆变升频电路、第二回扫变压器和高压IGBT模块，输入的220V交流电通过装置总开关和第二PWM交流调压电路，第二全桥整流电路，经整流电路整流、第二ZVS逆变升频电路逆变升频以及第二回扫变压器升压整流后得到正极性的高压直流基波，高压IGBT模块串联连接于第二回扫变压器正极输出末端，通过控制高压IGBT模块的通断来控制第二回扫变压器高压直流基波的输出，从而获得所需的高压方波脉冲输入到高压电容耦合电路；

所述ARM微控制器模块包括主控芯片、PWM信号输出单元和触摸屏显示控制单元，PWM信号输出单元分别与第一PWM交流调压电路、第二PWM交流调压电路和高压IGBT工作模块相联接；

所述高压IGBT模块采用专用驱动芯片驱动，高压IGBT模块包括吸收电路、高压保护电路和过流保护电路，高压IGBT模块串联连接于第二回扫变压器正极输出末端，通过控制高压IGBT模块的通断来控制第二回扫变压器高压直流基波的输出，从而获得所需的方波脉冲；

所述高压电容耦合电路为将高压基波发生电路末端正极输出与高压方波脉冲发生电路末端正极输出通过一高压电容进行耦合连接作为水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的正极输出，将高压基波发生电路末端负极输出与高压方波脉冲发生电路末端负极输出直连后接地作为水稻种子电场处理专用高压脉冲发生装置的负极输出。