1、HK系列高功率脈沖電源一概述所謂高功率并不是指電源的輸出功率大，而是指將低功率存貯壓縮后，在瞬間釋放出大能量脈沖。該項技術主要是用在具有激發性質的負載上，用以在瞬間獲得更高的激發效果。由于功率在存儲期間不消耗能量，因此電源效率得到大大增強，電能利用率比傳統電源高1個甚至幾個量級，負載上幾乎不會產生熱量損耗。由于實現原理復雜，對原器件要求苛刻等原因，目前國內幾乎沒有商業化產品，只限在大功率微波源、激光器、電磁軌道炮、電子對撞機等軍事科技領域。但小型化產品已經開始出現在相關院校和各種實驗室中。我們就是在這種情況下開發出類似功能的實用化脈沖電源。所謂類似是因為我們采用的是前級壓縮技術，用壓縮后的脈沖

2、驅動功率元件，比直接末級壓縮仍有一定的差距，因為末級壓縮技術需要更高地研發成本。還有就是我們針對的應用對象不具備那樣高的價值。當然與傳統電源相比它仍然具有很高的效率，各項指標超過1倍以上。仍屬于高功率電源范疇。二電路組成1、處理器微處理器是采用意法半導體（ST）公司生產的STM32F系列Cortex-M3內核的32位產品。處理器主用來產生基準時鐘頻率和各種信號的采集和運算。根據采集到的各種包括鍵盤輸入、運行中的電壓、電流、頻率、占空比、主元件運行中的溫度等信號，判斷電源的工作狀態，根據運算結果指揮整個電路完成保護、跟蹤調整等工作，并將結果顯示在控制面板上。2、控制電路控制電路通過兩個控制面板完

3、成對電源的控制和參數讀取。主控制面板包括5個按鍵，分別是占空比+、占空比-、頻率+、頻率-和頻率位選擇。分別用來調整占空比和頻率，其中頻率位選擇是用來選擇調整個位、十位、百位、千位或萬位的哪一位來調整，以節約調整時間。副控制面板包括上下兩個翻頁，分別用來翻閱運行中的電流、電壓、有功功率、無功功率、視在功率等運行參數。3、顯示電路顯示電路通過2個顯示面板來顯示運行中的參數。主顯示面板用來顯示運行頻率和占空比、副顯示面板用來顯示運行中的電氣參數。4、整流電路整流電路是由大功率半導體整流模塊組成，把三相交流電變換成直流電，并由電力濾波電容進行濾波，以保證功率輸出電路正常工作。5、脈沖壓縮電路脈沖壓縮

4、電路是采用微分電路對從CPU經過分頻后得到的脈沖信號進行壓縮整形，得到理想的信號前沿，保證信號質量。6、驅動電路驅動電路是采用瑞士CONCEPT 公司原裝進口2SD315AI專用IGBT驅動模塊。適用于 1200V和1700V耐壓的IGBT，具有短路保護和過電流保護，具有極高的可靠性和長使用壽命。 能適用惡劣的工作環境。7、功率輸出電路功率輸出電路采用德國Infineon公司生產的IGBT模塊組成橋式逆變電路，將整流電路得到的直流電轉換成具有頻率和占空比可調的高功率脈沖，輸出到脈沖變壓器或直接作用在負載上。8、通訊電路通訊電路采用485通訊模塊，可以直接和電腦進行通信，也可以通過發射模塊經過移

5、動或網通網絡直接與手機通信，用來適時讀取電源工作信息和所授權操作。三應用HK系列高功率脈沖電源可以適應絕大多數傳統電源所能應用的范圍，它比傳統電源具有更小的消耗，更多的功能和更長的壽命。下面我們分別針對該電源在臭氧發生器、低溫等離子、電絮凝等應用場合進行重點介紹。1、 臭氧發生器1.1.臭氧的產生臭氧是氧的同素異形體，是氧氣分子吸收能量后被激發為原子狀態，再由原子狀態還原為氧氣過程中產生的一種過度產物，隨著時間的推移它最終還要還原為氧氣。如果激發一直存在，它就會一直存在著產生-還原這個不斷重復的過程，最后達到平衡狀態。這個過程所產生的氧氣、臭氧以及空氣中的其它氣體混合體稱任臭氧氧化氣體。簡稱臭

6、氧。大氣層中的臭氧是空氣中的氧氣吸收太陽紫外線能量而激發產生，而臭氧發生器通常是用高能量電場來激發空氣中的氧氣來產生臭氧。1.2臭氧發生器基本原理空氣或氧氣有預地經過一個人為產生的高壓電場，氧氣在這里獲得足夠的能量被激發，就發生了上述“產生-還原”的過程，于是臭氧就被源源不斷產生出來。無論是空氣還是氧氣，最后形成的臭氧化氣體都不是純臭氧，而是一種混合體。因此控制臭氧產生和還原的過程是臭氧發生器效率的關鍵環節，也是掌控臭氧產生技術的關鍵所在。各臭氧發生器制造商生產臭氧發生器的水平高低，往往就是對這個關鍵技術掌控程度的具體體現。1.3 影響臭氧產生因素臭氧產生的過程是氧分子和氧原子結合的過程，氧分

7、子可以被源源不斷地送到臭氧發生器中，量非常大，因此產生臭氧的決定因素是氧原子的數量。氧分子吸收能量后就會發生離解現象，氧分子會分裂成為氧原子，這個過程可以用e+O2O+O來表示。其中e表示氧分子吸收的能量，稱為氧氣的離解能。實驗結果顯示e=6eV。如果氧原子繼續吸收能量，當e大于8.4eV，就會產生電離，失去電子成為離子態，失去氧原子的性質。由此可見當氧分子吸收能量小于6eV，不會發生離解現象，出現不了氧原子，因此也就不會產生臭氧。當吸收能量大于8.4eV時，氧原子失去應有的性質，當然也不會產生臭氧。因此臭氧產生的效率是如何快速把氧分子離解成氧原子。影響臭氧產生的因素很多，其中高壓電場的放電面

8、積大小、通氣量的多少、放電環境的溫度和濕度等都是關鍵因素。這些因素一般生產臭氧發生器的廠商都可以通過反復試驗得到解決。但這些因素不能影響氧分子的離解效率，影響離解效率的關鍵因素是電場強度的高低，阻擋介質的類型和放電間隙的大小。但這些因素雖然對離解效果有影響卻不是關鍵因素，真正的決定因素就是臭氧發生器的電源，這就是我們開發的高功率脈沖電源。我們通過電路控制，讓臭氧發生器不產生低于6eV和不高于8.4eV能量級別，很顯然，低于6eV時，不僅不能離解氧分子，還會白白消耗能量，產生熱量加速已經形成的臭氧熱分解。而高于8.4eV會消耗大量的氧原子，同時會產生更高的熱量而分解已經形成的臭氧。1.4 高功率

9、脈沖電源應用效果我們是在一臺設計產量為150g/h的傳統臭氧發生器上進行的試驗，這臺臭氧發生器采用直徑50mm的石英管作為介質材料，電極是用直徑38mm的304不銹鋼圓管，電極長度為1100mm，共7個放電單元，放電面積為0.92m2。電源采用變頻器改制，工作頻率為600Hz，以及空氣作為氣源，臭氧檢測是以碘化鉀滴定法和臭氧在線檢測儀表同時進行，檢測結果為128克/小時。單位面積臭氧產率為140g/m2。能量損耗為15.1KWh/Kg.O3。換用我們開發的高功率脈沖電源后，檢測條件相同的情況下，檢測結果是270g/h，單位面積臭氧產量為293g/m2。能量損耗為10.6KWh/Kg.O3。臭氧

10、產率提高了109%，電量消耗下降了29.8%。這還是在電源、變壓器和臭氧發生器都不匹配的情況下檢測的結果，理論上可以達到單位臭氧產率700g/ g/m2。2、 低溫等離子體發生器2.1 低溫等離子體低溫等離子體是繼固態、液態、氣態之后的物質的第四態。當物體吸收能量后，物體將由固態轉化成液態，繼續吸收能量將轉化為氣態，如果再繼續吸收能量則進入等離子態。等離子態的物體是包括大量吸收能量后被激發的電子、各種離子、原子和自由基在內的混合體。在等離子體中，電子的質量遠小于各種離子，很容易被加熱，而各種離子的溫度卻很低，這時的等離子處在不平衡狀態，整個等離子處在較低的溫度狀態，因此又稱為低溫等離子體。由于

11、低溫等離子體是物質被激發后轉化成的自由電子，各種帶電離子和中性離子的混合體，因此失去了原有物質的性質，并且帶有極高的活性?？梢匝杆傺趸头纸膺€沒有被激發為等離子態的其它物質，因此在處理工業廢氣中有著極佳的處理效果和非常廣闊的應用前景。2.2 高溫等離子體當等離子體大量吸收能量后，使得等離子體內的離子和自由基溫度快速升高，達到和電子相同的溫度時，等離子體達到平衡狀態，這時的等離子體溫度可達到數千甚至上萬度的高溫，因此處在這種狀態下的等離子體又稱做高溫等離子體，通常被用來熱核反應發電、金屬切割等 領域。2.3 低溫等離子產生由于低溫等離子具有極強的氧化活性，并且可以自身改變性質，因此在工業廢氣處理

12、過程中是直接讓廢氣吸收能量轉化為等 離子態，沒有被轉化的廢氣也會被已經轉化的等離子氧化分解為原子狀態，廢氣分子不復存在。達到完美治理效果。低溫等離子產生過程和臭氧產生過程非常類似，是依靠高能量電場放電來吸收能量。前者是氧分子分解和臭氧合成的過程，后者是廢氣轉化成低溫等離子體和等離子氧化分解廢氣的過程。所不同的是臭氧的氣源是空氣或氧氣，低溫等離子的氣源就是廢氣本向。很顯然在臭氧發生器也存在著由氧氣、氮氣和其它氣體轉化的低溫等離子體，這些等離子體也有和臭氧一樣甚至更高的氧化能力，同樣可以在廢氣和廢水治理中發揮作用，但這些等離子產生在高效的臭氧發生器中被限制了，原因是低溫等離子體會破壞已經分解的氧原

13、子，影響了臭氧產生的效率，畢竟臭氧發生器的檢測指標是臭氧而不是低溫等離子或者兩者的總量。2.4 影響低溫等離子產生的因素和臭氧發生器一樣，高壓電場的放電面積大小、通氣量的多少、放電環境的溫度等都是關鍵因素。和臭氧不同的是濕度不會對低溫等離子子產生影響，在臭氧發生器中，空氣或氧氣中的水份會被激發成低溫等離子，破壞氧原子。而在低溫等離子發生器中卻增加了等離子的濃度，是件好事。同時濕度的增加會氧化效果。電場強度的高低，阻擋介質的類型和放電間隙的大小。也是影響準備就緒的關鍵因素。等離子體的產生也是廢氣分子的離解過程，也是達到廢氣分子的離解能后才開始產生等離子。所以真正的決定因素還是的電源，控制電源不產

14、生低于離解能以下的電場能量，會大大提高等離子產生效率。與臭氧不同的是它不用控制分子達到電解能量的高限值。3、電絮凝3.1電絮凝基本原理電絮凝的反應原理是以鋁、鐵等金屬為陽極，在直流電的作用下，陽極被溶蝕，產生Al、Fe等離子，在經一系列水解、聚合及亞鐵的氧化過程，發展成為各種羥基絡合物、多核羥基絡合物以至氫氧化物，使廢水中的膠態雜質、懸浮雜質凝聚沉淀而分離.同時，帶電的污染物顆粒在電場中泳動，其部分電荷被電極中和而促使其脫穩聚沉。廢水進行電解絮凝處理時，不僅對膠態雜質及懸浮雜質有凝聚沉淀作用，而且由于陽極的氧化作用和陰極的還原作用，能去除水中多種污染物。電絮凝是一個復雜的過程，在電場的作用下金

15、屬電極產生陽離子在進入水體時包括許多物理化學現象，從離子的產生到形成絮體主要包括四個連續的階段：(1)電解氧化 電解過程中的氧化作用可以分為直接氧化，即污染物直接在陽極失去電子而發生氧化；和間接氧化 ，利用溶液中的電極電勢較低的陰離子，例如 OH-、Cl- 在陽極失去電子生成新的較強的氧化劑的活性物質如O、OH、Cl2 等 。利用這些活性物質氧化分解水中的BOD5、COD、NH3-N等。(2)電解還原 電解過程中的還原作用也可以分為兩類。一類是直接還原，即污染物直接在陰極上 得到電子而發生還原作用。另一類是間接還原，污染物中的陽離子首先在陰極得到電子，使得電解質中高價或低價金屬陽離子在陰極得到

16、電子直接被還原為低價陽離子或金屬沉淀。(3) 電解絮凝 可溶性陽極如鐵鋁等 ，通以直流電后，陽極失去電子，形成金屬陽離子Fe2+、Al3+ ，與溶液中的OH-結合生成高活性的絮凝基團，其吸附能力極強，絮凝效果優于普通絮凝劑，利用其吸附架橋和網捕卷掃等作用，可將廢水中的污染物質吸附共沉而將其去除。(4)電解氣浮 電解氣浮是對廢水進行電解，水分子電離產生H+和OH-，在電場驅動下定向遷移，并在陰極板和陽極板表面分別析出氫氣和氧氣。新生成的氣泡直徑非常微小，氫氣泡約為1030m，氧氣泡約為2060m；而加壓溶氣氣浮時產生的氣泡直徑為100150m，機械攪拌時產生的氣泡直徑為8001000m。由此可見

17、，電解產生的氣泡捕獲雜質微粒的能力比后兩者為高，且氣泡的分散度高，作為載體粘附水中的懸浮固體而上浮，這樣很容易將污染物質去除。電解氣浮既可以去除廢水中的疏水性污染物，也可以去除廢水中的親水性污染物。3.2 影響電絮凝效果的因素應用電絮凝法有效處理廢水，需要解決電極鈍化和電解極化等問題，保證電流效率和絮凝效果，控制槽壓和能耗。電極鈍化主要由陽極溶出產生的金屬離子氧化成膜并附著于陽極引起，電解極化則包括濃差極化、電化學極化和金屬陽極表面極化。（1） 極板的影響 通常鐵電極產生的絮體粒徑小、沉淀密實、沉降快，但出水因含Fe3+而顯黃色，斷電時電極易繼續銹蝕。而鋁電極產生絮體速度快、無色度生成、絮體顆

18、粒大且吸附能力強，但沉淀松散、沉降緩慢不利于后續處理。常用的極板材料有鐵、鋁、石墨、鐵鈦合金，不同的污染物選用不同的電極材料，可查閱相關資料。另外極板間距、流向和極板接線樣式（單極或雙極）都會影響處理效果。（2） pH 的影響 廢水pH 會影響絮凝劑的生成和除污效率。聚鋁或聚鐵絮凝劑在較高pH 下吸附架橋能力會更強，混凝效果更好。一般情況下，pH 過低不利于絮凝劑的生成，另一方面，在強堿性條件下，鋁或鐵的氫氧化物又會溶解，抑制其聚合生成絮凝劑。因此通常電絮凝劑生長適宜的pH 為中性或弱堿性（pH 在 68）。然而，pH 還影響污染物和絮凝劑表面電荷的分布，而各種絮凝劑在水中等電位所對應pH 不

19、同，因此pH 的選取還應視具體水質而定。（3）水中污染物的影響 廢水電導率低會增加電絮凝處理時的能耗和導致電極過度極化，降低除污效率和電極壽命。電絮凝技術對于去除由懸浮顆粒引起的高化學需氧量（COD）十分有效，但對于可溶解COD則效果較差。（4）電流密度的影響 電絮凝過程中極板溶出、絮凝和氣浮作用的動力來源于電流，通常電流密度大電絮凝效率就高。然而電流密度過大易引起電極過度極化，加速電極鈍化和增加槽壓，引起更多的副反應，陽極產生過多的金屬陽離子，影響絮凝劑的生成；陰極析氫過多，干擾和削弱絮凝作用。通常電流密度選擇在50-80A/m3為宜。（5）電場施加方式的影響 目前研究有效抑制極板鈍化的方法

20、是采用脈沖電流替代直流電流，降低電解極化的方法為極板換相。脈沖電流產生的電解間歇期可使電解出的金屬離子與水體中的 OH- 充分反應，生成絮凝劑并隨水流遷出電極區，從而減少金屬離子氧化成膜的幾率。極板換相可周期性更換極化方向，破壞固定極化區域并有效抑制鈍化。將直流電源改為脈沖電源對含鉻廢水進行測試時，脈沖電流的除鉻率比直流電流的高6.27%，能耗比直流電流的低65.2%。另外采用脈沖電源后，電極的鈍化率會得到極大的改善。3.3 高功率脈沖電源優點高壓脈沖電絮凝與直流電絮凝相比,由于脈沖周期為脈沖寬度和脈沖間歇之和,通過占空比(脈沖寬度與脈沖周期之比)的調節可以達到不同節能效果。脈沖供電除了可以大大地節約電能之外,高壓脈沖在電極的反應時斷時續,有利于擴散,降低濃差極化,增強廢水的處理效果。高功率脈沖電源不僅可以靈活的進行電壓調節（調占空比），還可根據需要進行頻率調節，適應不同工藝的要求，相比直流電源，有著更高的輸出電壓（0-600V可調），因此輸出電流大大降低，對導線的要求更低