SRTP-高压脉冲发生器

基于Marx电路的高压脉冲发生器
1.文献综述
①国内外现状
目前，国内外对循环冷却水系统中微生物的处理方法主要有化学法和物理法。

化学法水处理技术是指采用杀生药剂对循环冷却水中的微生物进行处理。

目前，我国采用开式循环冷却水系统的火电厂几乎都采用加氯来进行杀菌灭藻。

由于化学药剂容易腐蚀管道，费用较高，并且容易造成环境污染，因此它的应用将受到一定的限制，而物理法水处理技术以其环保，高效且无二次污染等特点占据着绝对的优势。

物理法水处理技术主要是指运用声、光、电、磁等技术及其相应设备来有目的地改变水中各种离子和分子的运动状况及微生物的生存环境，从而达到杀菌灭藻的目的[1]。

近年来国内外研究表明，物理法中的电磁水处理技术在阻垢除垢和杀菌灭藻等方面的效果非常明显，在民用循环水系统中应用已十分广泛，如中央空调系统中的热-冷水循环系统、民用建筑热水系统、冷媒水系统等[2]。

国外关于电磁脉冲杀灭微生物的研究起始于1967年，英国学者利用高达25KV/cm的电场对营养细菌及酵母菌进行了系统的研究，发现电场对这类菌种产生了有效的致死效应[3]。

N.Dutreux等人研究表明，脉冲电场能够使大肠杆菌等菌种失去活性[4]。

M.C.Vernhes等人研究发现，脉冲电场能够杀死水中生活的变形虫[5]。

国内关于电磁脉冲杀灭微生物的研究始于七十年代中期，由南京大学、南京市浦口运输公司和华东化工学院共同研制的第一台静电水垢控制器具有显著的效果，不仅能防止水垢的生成，还发现具有溶垢和杀菌灭藻的作用[6]。

经过多年来人们的研究和实践，电磁脉冲杀菌灭藻技术已经得到广泛应用，特别是在工业循环冷却水中取代了加氯来进行杀菌灭藻，受到用户的亲睐。

高压脉冲发生器是高压脉冲杀菌灭藻系统的核心部分，产生高压脉冲的电路有很多种，但大多数电路的输出功率低，脉冲幅值和脉冲频率不可调，而高压脉冲的幅值和频率等电磁参数对杀菌灭藻的效果有很大影响。

经查阅国内外参考文献[7-11]，本课题选择以Marx电路为核心来构建高压脉冲发生器。

Marx电路是一种广泛使用的脉冲能源装置,以高储能密度和低电感的电容器组为其主体构架,其基本工作原理是:首先将电容器组并联充电,然后改变发生器电路结构,实现电容器串联放电,从而使电压倍增,以获得更高的脉冲电压输出[12]。

②课题学术和实用意义
高压脉冲杀菌灭藻技术作为一种新型的非热处理杀菌灭藻技术得到了广泛的应用，包括在食品灭菌、饮用水灭菌及空调循环冷却水系统灭菌等很多领域都得到应用。

由于在工业循环冷却水系统中具有微生物生长和繁殖的条件，容易滋生细菌和藻类，以至腐蚀管道和损坏设备，造成巨大的经济损失。

现有的化学处理方法容易造成环境污染，并会降低设备的使用寿命。

因此，本课题通过模拟循环冷却水系统，利用高压脉冲进行杀菌灭藻研究，这将推
动高压脉冲杀菌灭藻技术在工业循环冷却水系统中的应用。

2.课题研究目的、内容、技术路线
①研究目的
以火电厂开式循环冷却水中微生物为研究对象，研制一套高压低频脉冲杀菌灭藻系统；通过理论建模、软件仿真及模拟实验来对高压低频脉冲对水中微生物的杀灭作用机理进行研究，对高压脉冲杀灭水中微生物的机理进行补充和完善
②研究内容
1) 研制一套输出功率高，脉冲幅值和脉冲频率均可调的高压脉冲发生器.
③技术路线
1）高压脉冲处理系统的设计
高压脉冲处理系统如下图所示，整个系统主要包括高压直流电源、Marx回路、高压脉冲处理腔及模拟循环系统。

高压脉冲处理系统示意图
高压脉冲发生器是整个系统的核心部分，它需要根据实际环境的变化输出合适的高压脉冲信号，本课题利用基于IGBT半导体开关技术的Marx电路能得到输出功率高，脉冲幅值和脉冲频率均可调的高压脉冲信号。

3.创新之处与拟解决的关键问题
①创新之处
采用电力电子器件替代空气放电球隙作为Marx发生器的控制开关，提高了Marx发生器的工作性能和抗干扰能力，实现灵活简便的控制。

②拟解决的关键问题
1）IGBT驱动电路的性能是影响IGBT可靠工作和正常运行的重要因素，设计出可靠性高、可维护、通用性强的IGBT驱动模块是本项目拟解决的关键问题之一。

2）运用电路仿真软件对电路进行仿真研究，并对电路各元件参数进行优化，以获得输出功率大、脉冲幅值高的高压脉冲信号。

4.预期目标
研制出一套输出功率较高，脉冲幅值和脉冲频率均可调的高压脉冲发生器；在已有的模拟循环水系统中进行实验，达到较好的杀菌效果。

5.可行性论证
该课题依托重庆大学电工技术研究所，目前已经设计完成一套模拟循环水系统，并通过长时间运行的测试和模拟实验，具有一定的研究基础。

在模拟实验和数据检测方面，研究所前期已经与城环、生物和化工学院有合作，能够共同进行深入的研究，这为该课题的开展创造了条件。

6.参考文献
[1] 李本高.现代工业水处理技术与应用[M].北京:中国石化出版社,2004年.
[2] 李鹰,郭虹.电子水处理器处理循环冷却水的原理和应用[J].同济大学学报,2000,28(1):70-73.
[3] A.J.H.Sale, W.A.Hamilton. Effects of high electric fields on microorganisms[J]. Biochimica et Biophysica Acta (BBA)-General Subjects, 1967, 148(3, 27):781-800.
[4] N.Dutreux, S.Notermans, T.Wijtzes, M.M.Gongora-Nieto, G.V.Barbosa-Canovas, B.G.Swanson, Pulsed electric fields inactivation of attached and free-living E-coli and Listeria innocua
under several conditions [J]. International Journal of Food Microbiology, 2000, 54 (1, 2):91-98.
[5] M.C.Vernhes, A.Benichou, P.Pernin, P.A.Cabanes, J.Teissie. Elimination of free-living amoebae in fresh water with pulsed electric fields[J]. Water Research, 2002, 36 (14):3429-3438.
[6] 贾克欣.几种电磁水处理器的作用机理及其应用[J].给水排水, 1999, 25(8):65-67.
[7] 曾正中.实用脉冲功率技术引论[M].西安:陕西科学技术出版社,2003.
[8] 刘锡三.高功率脉冲技术[M].北京:国防工业出版社,2005.
[9] 王莹,孙元章,阮江军等.脉冲功率科学与技术[M].北京:北京航空航天大学出版社,2010.
[10] Jong-Hyun Kim, Byung-Duk Min, Sergey Shenderey and Geun-Hie Rim. High V oltage Marx Generator Implementation using IGBT Stacks. IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical
Insulation, 2007, 14(4):931-936.
[11] 王晓明,孙兆冲,侯召政,方辉.晶闸管Marx发生器电路及充放电特性.高电压技术,2008,34(5):1045 -1050.
[12] 张秉仁,王玉杰,樊兆欣.一种基于IGBT的Marx发生器的研制.高电压技术,2008,34(6): 1184 -1188.
[13] 王晓明,侯召政,方辉,孙兆冲. LCC谐振充电IGBT开关Marx发生器. 电工技术学报
[14] 王晓明,侯召政,方辉,孙兆冲. Marx发生器LCC谐振充电工作仿真分析. 计算机仿真.
[15] 付嵩,何枫. 基于RS485总线的Marx发生器控制系统. 计算机应用.
循环冷却水系统：
Marx电路原理图：
C=UF
脉冲电场作用:
主要为杀菌作用:
基本原理脉冲电场产生磁场，这种脉冲电场和脉冲磁场交替作用，使细胞膜透性增加，振荡加剧，膜强度减弱，因而膜被破坏，膜内物质容易流出，膜外物质容易渗入，细胞膜的保护作用减弱甚至消失。

2、电离作用电极附近物质电离产生的阴、阳离子与膜内生命物质作用，因而阻断了膜内正常生化反应和新陈代谢过程等的进行；同时，液体介质电离产生O3的强烈氧化作用，能与细胞内物质发生一系列反应。

通过以上2种作用的联合进行，杀死菌体。

问题：
1、电路图的理解
2、制作动画：关于脉冲电场分解细胞
OrCAD仿真软件
脉冲电场(Pulsed Electric Fields, PEF)处理是一种新型的非热食品杀菌技术，它是以较高的电场强度(10-50kV/cm)、较短的脉冲宽度（0-100μs）和较高的脉冲频率（0-2000Hz）对液体、半固体食品进行处理，并且可以组成连续杀菌和无菌灌装的生产线。

编辑本段杀菌原理
目前 PEF 对微生物的作用机理尚不完全清楚，多数学者认为 PEF 是通过外部电场与微生物细胞膜直接作用，从而破坏细胞膜的结构，形成“电穿孔”而导致微生物灭活。

微生物细胞和外环境之间进行着活跃的物质交换，细胞膜的完整性对保证细胞生命活动的正常进行有着极其重要的作用。

PEF 的杀菌作用与其对微生物细胞膜的影响密切相关。

当微生物被置于高压脉冲电场中时，细胞膜会被破坏，从而导致细胞内容物外渗，引起细胞死亡。

细胞膜的电穿孔
电穿孔现象是指细胞暴露在 PEF 作用下出现的细胞膜失稳并在细胞膜上形成小孔的现象。

细胞质膜通透性大幅增加，胞内的渗透压高于细胞外，最终导致细胞膜的破损。

细胞膜的电崩溃机制与模型
微生物细胞膜由镶嵌蛋白质的磷脂双分子层构成，它有一定的电荷，具有一定的通透性，也有一定的强度。

膜的内外表面间具有一定的电势差（Vm），当细胞膜上外加一个电场（E）时，这个电场将使膜内外的电势差增大。

由于细胞膜两表面堆积的异号电荷相互吸引，引起膜的挤压；当电场强度增大到一个临界值时，细胞膜的通透性剧增，腹上出现许多小孔，使膜的强度降低；进一步的作用使细胞膜产生不可修复的大穿孔，使细胞组织破裂、崩溃，导致微生物失活。

目前，穿孔效应假说被大多数学者所接受，但电穿孔特性的研究在国内仍处于早期阶段，国外研究时间较长，但至今仍然有许多现象无法解释，而新的现象又不断地被报道。

PEF 杀菌效果
早期的研究主要集中在 PEF 对微生物的杀菌效果方面，人们已就 PEF 对多种腐败菌和致病菌的杀菌效果进行了大量而系统地研究。

目前，人们已经对 PEF 的杀菌效果有了深入的认识和掌握。

PEF 杀菌实验的指示微生物包括枯草芽抱杆菌、德氏乳杆菌、单核细胞增生李斯特氏菌、荧光假单孢菌、啤酒酵母、金黄色葡萄球菌、嗜热链球菌、大肠杆菌、大肠杆菌 O157、霉菌和酵母等，研究结果表明 PEF 处理对这些微生物的营养体细胞均有较好的杀灭作用，但芽孢表现出较强的耐受性。

编辑本段影响高压脉冲电场杀菌的因素
影响PEF杀菌的因素有很多，它们严重影响着杀菌效果，基本上分为加工因素，产品因素和微生物特征因素。

（1）PEF加工因素：电场强度、处理时间、脉冲频率、脉冲宽度、脉冲形状、样品流速、初始温度。

（2）产品因素：产品成分、导电性、离子强度、pH、水分活度、黏度。

（3）微生物特征因素：微生物种类、生长条件、生长时期。

编辑本段高压脉冲电场对食品组分的影响
PEF 对食品蛋白质组分的影响
酶是一种具有催化活力的特殊蛋白质，PEF 处理可以钝化酶活和改变酶的结构，那么 PEF 也必然会对食品蛋白质组分的结构与功能产生影响。

而且从原理上讲，脉冲电场会影响蛋白质基团间的静电相互作用和带电基团的定位，扰乱蛋白质氨基酸残基间的电场分布和静电相互作用，导致电荷分离，从而影响蛋白质的结构（二级和三级）。

另外，电极周围的电化学反应也可能会对包括蛋白质在内的食品组分产生一定的影响。

PEF 对食品脂质组分的影响
一些研究者已经提出了 PEF 处理食品过程中的电化学问题和电极腐蚀问题。

Johan 等发现 PEF 处理过程中的电化学反应引起的电极腐蚀问题。

Roodenburg 等的研究显示，在 PEF 处理食品过程中，电极中的铁、铬、镍、锰等金属物质会少量释放到食品中。

这些因素决定 PEF 处理食品过程中，电化学反应必然发生，电化学反应的产物，例如一些自由基、活性氯、活性氧等很可能引发脂质由单重态氧、自由基和其他氧化性物质引发氧化反应（链式反应），产生一系列复杂的氧化产物。

PEF 对食品碳水化合物组分的影响
关于 PEF 对碳水化合物影响的研究较少。

张鹰等报道 25kV/cmPEF 处理的脱脂牛乳中乳糖含量未发生显著变化。

Garde-Cerdan 等研究发现 PEF 处理对葡萄汁中还原糖含量几乎没有影响。

Han 等采用 PEF 对玉米淀粉进行处理，结果表明
50kV/cmPEF 处理后淀粉颗粒表面会出现明显的小孔和凹坑，X 射线衍射峰的强度和焓值及糊化转变温度降低，表明淀粉在 PEF 作用下发生了分子结构破坏和重排。

PEF 对食品其它组分的影响
Cortes 等研究发现 PEF 处理对橘汁中类胡萝卜素的活力有很小的影响。

Rivas 等研究了 PEF 处理牛乳和橙汁及处理后的保藏期（4℃保存 81d）内水溶性维生素（维生素 H、叶酸、维生素 B5 和核黄素）的变化，发现 40kV/cmPEF 处理后样品中的维生素可保留 90%以上。

Zhang 等报道花色苷－矢车菊素 3-O-葡萄糖苷在 PEF 作用下可发生降解，吡喃环断裂生成查尔酮。

Elez-Martinez 等研究了 PEF 处理后橙汁中维生素 C 以及抗氧化能力的变化，发现维生素 C 的保留量随场强、处理时间增大而减小。

35kV/cm PEF 处理后橙汁中维生素 C 的保留率在 87%以上。

编辑本段高压脉冲电场系统设备
PEF系统设备主要包括五部分：电源装置、脉冲发生装置（包括电容和控制开关）、样品处理室、冷却系统、温度测定系统。