高频高压电晕放电低..

高频高压电晕放电低温等离子体电源设计一、引言

等离子体技术在环保中有着广泛的应用，除了在烟气脱硫脱硝、除臭等气体净化领域，在污水处理领域也受到越来越多的关注。常规的污水处理方法有生物处理法和物理化学絮凝法，前者处理过程中生物菌的增殖与死亡会使活性污泥量大增，而污泥分离处理环节多、时间长，后者可以快速地从水中除去悬浮状和胶体状的有机物，但是很难去除水中溶解性有机物。

低温等离子体污水处理技术是一种新开发的高级氧化技术，基于等离子体产生羟基自由基OH•的高化学活性、氧化无选择性的特殊性质，可以促进有毒有害生物的氧化分解，达到无害化处理污染物的效果。产生低温等离子体的方法有多种，常见的有电子束照射法、介质阻挡放电法、表面放电法和电晕放电法等。其中电晕放电法在工业上易于实现，成为研究的热点。陡前沿纳秒脉冲电源供电时，电晕放电法工作在电晕放电模式上，能产生低温等离子体。

二、高频高压电源原理

1. 高频高压电源主要参数：交流电压Vp-p＝40kV，频率f=16kHz。该电源主要由高压交流电源和放电反应器负载组成，实现了交流电压的调节，实际应用中可根据不同要求调至最佳状况。

2. 交流电源的设计

2.1.1 交流电源的主电路结构

交流电源的主电路结构如图2所示，输入的380V交流电经三相全桥整流，由电容LPF 和电感CPF组成的LC滤波器滤波，再经过IGBT单相全

控桥逆变和高频变压器TAC升压。LACR 为原边谐振电感，CL和RL的并联电路为反应器的电路等效模型。

图2 交流电源主电路原理图

该交流电源主电路的关键部分在于逆变和串联谐振电路。如果仅利用变压器直接升压达到电晕放电所需要的电压幅值，变压器的匝比将会很高，反应器负载火花放电短路时，原边的电流会过大而损坏开关器件，影响电路可靠性。采用谐振升压方式可使变压器变比减为原来的十分之一左右，同时，谐振电感还可在负载短路时，限制原边短路电流。

2.1.2 RLC 串联谐振电路分析

交流电源主电路的串联谐振部分可以由图3 所示电路等效。

图3 等效RLC 串联谐振电路图

图中Lr为等效谐振电感,即为图2中变压器TAC的漏感、谐振电感LACR、线路杂散电感、抗短路电感L2折算至变压器原边的等效谐振电感之和，因LACR远大于其余各项之和，故Lr≈LACR；Cr为等效的谐振电容，即反应器CL和耦合电容C1折算到变压器原边的值，因1/ωCL>>1/ωC1,，故Cr≈N12CL，变压器匝比为1：N1；在反应器电晕放电前，反应器上的等效电阻RL>>1/ωCL，忽略不计；R为线路电阻等效集中参数。在交流电源中，交－直－交电路可等效为高频方波电压源，分解为正弦基波分量和各次谐波分量；谐波频率较高，基本降落在电感上，反应器主要得到基波分量，所以激励源可等效为正弦电压源。

设激励源为cosωt，在图示参考方向下，根据基尔霍夫电压定律及电阻、电容器和电感的伏安特性可得：

式中，i(t)、uC(t)和uL(t)分别是回路电流、电容电压和电感电压。由二阶常微分方程的求解规律可知三个微分方程的通解形式均为：

式中fh(t)是对应齐次微分方程的通解，表电路的暂态响应；fp(t)是二阶常微分方程的特解，表电路的稳态响应。电路达到稳态时，由于电阻R 不为零导致暂态响应fp(t)趋于零，则电路响应i(t)、uC(t)和

uL(t)等于稳态响应，即

将(5)、(6)、(7)式分别代入(1)、(2)、(3)式,可求得各待定系数Ai、Bi、Auc、Buc、AuL、BuL，进而求得三个响应的振幅和初相位分别为:

式中ω

=1/LC 是电路的固有频率。

从以上结果可知，在余弦信号激励下RLC串联谐振电路的稳态响应i(t)、uC(t)和uL(t)的振幅和初相位都是输入信号频率ω 的函数，随ω 的变化曲线如图4 所示。

图4 振幅和角频率之间的关系曲线

由曲线可知i(t)、u

C (t)和u

L

(t)的谐振条件及特性为：

（1）回路电流i(t)的最大值发生在ω=ω

处，即激励源的频率等于电路的固有频率时，

回路电流发生串联谐振，相位与激励源相同；

但此时u C (t)和u L (t)电压和并没有达到最大值，即i(t)、u C (t)和u L (t)的谐振频率不相同。

（2）电容电压u C (t)的最大值发生在ω=ωC 处，且ωC < ω0，说明要电容电压最大值时激励源的频率小于电路的固有频率。由式(10)可求出ωC 为：

可见，电容电压的谐振频率不仅与电感和电容有关，还与电阻有关。只有满足

电容电压才可能发生谐振而达到最大值。

（3）电感电压u L (t)的最大值发生在ωL 处，且ωL >ω0，说明电感电压最大值时激励源的频率大于电路的固有频率。由式(12)可求出ωL 为:

可见电感电压的谐振频率也与电感、电容及电阻有关，且同样要满足

电感电压才可能发生谐振而达到最大值。