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.