专利名称：一种产生正极性流光放电等离子体的电源装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及高频放电等离子体发生技术领域，特别涉及高频开关电源产生可靠放电等离子体的应用领域。
背景技术：
用于放电等离子体反应器的电源须在反应器内产生流光电晕，以治理各种介质，比如工业废气、废液、废渣等等。通常从流光产生的速度和内阻等机理方面考虑，局限于纳秒级脉冲的高压窄脉冲供电。已采用的产生高压窄脉冲的方法为火花隙法和闸流管法。火花隙法的缺点是产生的高压窄脉冲电源的输出功率很低，寿命短，不适于工业化生产的使用。闸流管提供的高压窄脉冲电源一般是通过闸流管在短时间内将储能电容器上储存的电荷向一个脉冲升压变压器原边放电，其副边感应生成高压脉冲，缺点是晶闸管在高重复率的大电流脉冲放电工况下，工作寿命很短，同样不适合工业应用。
直流正高压放电模式随电压升高，等离子体可呈起始流光、辉光、预击穿流光、火花放电。直流电压产生流光放电的电压范围窄，使用直流电压在许多工业反应器内发生流光放电等离子体，会出现较大死区和不稳定等现象。
即使是我们于2001年申请的、适合工业应用的高频、高压交直流叠加电源专利“大功率高频脉冲电源”(专利号01275466.8)，在施加到反应器时，如不采取一定的技术措施，该电源也不能长期、稳定的工作。由逆变电路得到的高频开关电源虽然适合于在反应器内产生流光电晕，以高效治理各种废弃物质，但是在工业反应器内高频开关电源会以数百千赫兹的频率，通过负载频繁对地放电、打火，瞬间的大电流将极大地缩短高频开关电源的使用寿命，甚至在很短的时间内将其损坏，故限制了高频开关电源在这一领域的发展、应用。
实用新型内容本实用新型的目的在于为工业用处理各种废弃物质的反应器提供可靠、实用的流光放电等离子体电源装置。该装置所涉及的电源为由交-直-交变换电路得到的高频开关电源，其基本出发点是在产生流光放电等离子体的高频开关电源和变压器与反应器之间增设由一组或多组D-L-C-R匹配网络组成的电路，将该上述电路施加到干式或湿式工业反应器的放电极上，可使在反应器内发生稳定且时空分布良好的流光放电，达到净化环境、对多种介质实现无害化氧化处理的目的。
本实用新型的技术方案为一种产生正极性流光放电等离子体的电源装置，包括整流电路、逆变电路、驱动电路、变压器T、反应器，所述整流电路为单相或三相桥式全波整流电路，所述逆变电路，将整流电路输出的直流电压逆变为交变的高频开关电源，可以由开关器件、支撑电容、谐振电容、电感串、并电连接而成，所述反应器可以为湿式反应器或干式反应器，其特征在于在所述逆变电路与所述反应器之间连接有顺序电连接的变压器T与由高压二极管、电感、电容、电阻串、并电连接组成的D-L-C-R匹配网络，所述变压器T的一个输出端a与D-L-C-R匹配网络中的高压二极管D1的正端相连接，该匹配网络的结点n1与反应器的放电极P相连接，反应器外壳与变压器T的接地端b共同接地。
所述D-L-C-R匹配网络由高压二极管D、电感L、电容C、电阻R串、并电连接组成，所述高压二极管D可以为一只D1-D4或四只D11-D14-D41-D44，每只高压二极管也可为多只低压二极管串接组成，所述电感L可以为普通电感也可为饱和电感，所述D-L-C-R匹配网络可有如下连接方式①电容C31串接电阻R31后在结点m1n1处与电感L31并联，高压二极管D1负端连接至结点m1处，其正端连接到变压器T的一端a，结点n1连接至反应器的放电极P上，上述变压器T的接地端b连接到反应器的外壳，与其共地。
②电容C32与电阻R32串联后在结点m2n2处与电感L32并联，结点n2与反应器的放电极P相接，结点m2连接至由D11-14四只高压二极管组成的整流桥的一个输出端m11另一输出端n11连接至反应器的外壳，与其共地，该整流桥的输入端ab连接至变压器T次级的负载端ab；③电容C33与电阻R33串联后与饱合电感L33在结点m3n3处并连，结点m3与高压二极管D2负端相接，结点n3连接至反应器的放电极P，高压二极管D2的正极a与反应器的外壳接地极b之间变压器T次级负载端ab相接；④电容C34与电阻R34串联后与饱和电感L34在结点m4n4处并联，结点n4连接至反应器的放电极P，结点m4连接至由D21-24四只高压二极管组成的整流桥的输出端m21，其另一输出端n21与反应器外壳接地极相连，该整流桥的输入端ab接至变压器T次级负载端ab；⑤电容C35与电阻R351并连并串接电阻R35后在m5n5处与电感L35并联，结点n5与反应器放电极P相连，结点m5与高压二极管D3负极相接，二极管D3的正极a与反应器外壳接地极b之间与变压器T次级负载端ab相连接；⑥电容C36与电阻R361并联再与电阻R36串联后与电感L36在结点m6n6处并联，结点n6与反应器的放电极P连接，结点m6与由D31-34四只高压二极管组成的整流桥的一个输出端m31连接，另一输出端n31与反应器外壳共同接地，整流桥输入端ab连接至变压器T的次级线圈ab；⑦电容C37与电阻R371并联，再与电阻R37串联后，在结点m7n7处与饱合电感L37并联，结点n7与反应器的放电极P连接，结点m7与高压二极管D4的负极相接，二极管D4的正端a与反应器接地外壳b之间与变压器T次级线圈ab连接；⑧电容C38与电阻R381并联、与电阻R38串联后，在结点m8n8，处与饱合电感L38并联，结点n8连接至反应器放电极P，结点m8连接至由高压二极管D41-44组成的整流桥的一个输出端m41，另一输出端n41通过反应器外壳接地，整流桥的输入端ab接至变压器T次级线圈ab；每个D-L-C-R匹配网络可以单独连接在变压器T与反应器之间，也可串、并连接后置于变压器T与反应器之间；所述逆变电路可采用软开关技术也可采用硬开关技术，其输出波形可以为方波、三角波、正弦波，所述开关器件可以为半导体开关器件IGBT、MOSFET、SCT，所述整流电路的输出端mn与所述逆变电路的直流电压输入端AB相连接，所述逆变电路可有以下连接方式；①变压器T原边一端与支撑电容C23一端并连后接至直流电压输入端A，变压器T原边另一端r先与开关器件K21串接再与支撑电容C23另一端并接后连接至直流电压另一输入端B，变压器T的次级输出端ab连接至D-L-C-R匹配网络输入端ab；②开关器件K22、K23串联，K24、K25串连，二支路在直流电压输入端AB处并接，上述两串联支路的中点x1y1之间顺序串接有谐振电容C24、谐振电感L21、变压器T原边线圈，其次级线圈ab连接至D-L-C-R匹配网络输入端ab；③开关器件K26、K27串联，支撑电容C26、C27串联后，二支路在直流电压输入端AB处并接，上述两串联支路的中点x2y2之间顺序串接有谐振电容C25、谐振电感L22、变压器T原边线圈，其次级线圈ab连接至D-L-C-R匹配网络输入端ab；每种形式的逆变电路通过变压器T可以分别与所述D-L-C-R匹配网络相连接，x1y1或x2y2支路中的谐振电容C24、C25及谐振电感L21、L22可以同时接入，也可只设置有谐振电感L21或L22，也可全部不设置。
所述半导体开关器件IGBT、MOSFET、SCT的控制极可采用EXB841、MM57962模块电路为驱动电路，高压二极管D1-D4可以选用一只，也可选用四只D11-D14-D41-D44，D-L-C-R匹配网络可以选用一个也可选用二个或三个串、并接在一起。
由于本实用新型采用了上述技术方案，其有益效果为1、高频开关电源所发生的电压波形具有较宽的脉冲，如正弦波电压、三角形波电压、方形波电压或较宽脉冲电压产生的流光放电脉冲，与采用窄脉冲电压发生的同步性流光放电等离子体相比，其放电的伏安特性有根本区别。当流光放电脉冲出现时，反应器上的电压由于流光的发生而降低，且作用在电极的电压脉冲持续时间长，由于高频开关电源的输出电压相对窄脉冲电源的输出电压较低，流光发生可分布在几十至几百微秒(μs)的时延范围内，具有随机性，而且功率大，重复频率为1-100kHz；而且电源造价只有窄脉冲高压电源的十分之一，这为随机性流光放电的工业应用开辟了新的发展空间。
2、在电源和反应器之间的一组D-L-C-R匹配网络及高压二极管组成的一系列电路为产生可靠稳定的流光放电等离子体提供了必要的保障。由于反应器内预击穿流光比较容易转化成火花放电，而且由于要处理的介质比如水、金属离子等也容易造成负载的短路打火，如果没有该电路，很容易造成电源的损坏而不能保证产生可靠、稳定、持久的放电等离子体。
图1为本实用新型原理框图。
图2为本实用新型电气原理框图。
图3为本实用新型具体实施例1的基本电气原理图。
图4为本实用新型基本高频开关电源电气原理图。
图5为本实用新型全桥式高频开关电源电气原理图。
图6为本实用新型半桥式高频开关电源电气原理图。
图7、9、11、13为本实用新型由单只高压二极管连接的D-L-C-R匹配网络原理图。
图8、10、12、14为本实用新型由四只高压二极管连接的D-L-C-R匹配网络原理图。
其中图9、10、13、14中的电感为饱和电感。
上述图中I-整流电路，II-逆变电路，III-D-L-C-R匹配网络，J-开关管驱动电路，D51-D54-整流二极管，K21-27-IGBT、MOSFET、SCR等半导体开关器件，C21-23-支撑电容，C24、25-谐振电容，L21、22-谐振电感，T-变压器，L31-38-匹配电感，C31-38匹配电容，R351-381、R31-38匹配电阻，D1-5、D11-14-D41-44-高压二极管，具体实施方式
如附图1-6所示，本实用新型中产生正极性放电等离子体的电源为在逆变电路II中采用软开关或硬开关技术得到的高频开关电源，该电源由开关器件K、支撑电容C、谐振电感、电容、变压器T串、并联接而成。图4、5、6为三种类型的开关电源电气原理示意图，其中的开关器件K21-27可以为IGBT、MOSFET、SCR等，支撑电容C23可以为普通大容量电解电容。在驱动电路J的控制下开关器件或相对桥臂的开关器件轮换导通与关断，即可将整流电路I输出的直流电压逆变为交变状态的高频交流电压输出。在附图5、6所示的开关电源中，x1y1、x2y2支路中带有谐振电容C24、25、谐振电感L21、22或只带有谐振电感L21、22时，开关电源工作在软开关状态，否则称该开关电源工作在硬开关状态，开关器件K由驱动模块电路控制，其它形式的高频开关电源也可应用于此，均为已有技术。该电源输出的电压波形可以为正弦波、三角波、方波或其它形式的谐波，开关频率可达几十至几百KHz。在实际应用中它表明反应器放电极P会以几万次/秒的速率对反应器接地极(外壳)迅速放电，这种恶劣的放电工作条件对任何由功率半导体器件制作的开关电源都会有致命的伤害，会大大缩短其工作寿命。为此在高频开关电源II与反应器E放电极P之间增设了一个或几个D-L-C-R匹配网络III，由于电感的作用，D-L-C-R匹配网络既传递了能量又很好的保护了高频开关电源。图3及图7-14中的L、C、R网络为吸收短路时产生的的高次谐波提供了可靠的保障。
根据被处理介质的不同，反应器的大小、形状也不尽相同，如干式、湿式、筒型立式，线-筒型立式、线-板型卧式等等，不同的反应器对应着不同的高频开关电源等离子体放电功率、电压波形和D、L、C、R不同数值的匹配网络，及高压二极管和匹配网络的个数，其中的电感L可以为普通电感或饱和电感。通常，开关器件K的开关频率范围在1KHz至200KHz，(大功率半导体开关器件的典型工作频率在10-15KHz左右；)电感L值在10μH至200mH，典型值为1mH左右；电容值在100PF-20μF，典型的应用范围可选择在1μF；电阻R值在1KΩ-300KΩ，典型的应用范围可选择在10K到30K欧姆。
图2、3所示的电气框图和原理图为反应器E在进行空气消毒、除臭、灭菌时，本实用新型提供的电源装置实施例，其工作原理为220V交流电压经D51-54组成的整流电路I整流后送入高频开关电源II，在驱动电路J作用下变换为高频脉冲，经变压器T次级线圈将此信号送至D-L-C-R匹配网络III，并输出到反应器E的放电极P即可。图中D51-54为整流二极管，开关器件选用IGBT半导体器件，开关频率在20KHz，驱动电路J选用EXB841模块驱动电路，高压二极管D1耐压100KV，变压器T变比为1∶100，支撑电容C21为3300/450VμF，D-L-C-R匹配网络中，L31为1mH，R31为20KΩ，C31为1μF，可为反应器E提供幅值为20kV左右的输出电压。
实践证明只要反应器采用高频脉冲电源或高频开关电源(含我们从前申报的有关发明或实用新型专利)供电，采用本实用新型提供的D-L-C-R匹配网络，均可在反应器内发生连续、稳定且时空分布良好的流光放电，且电源造价低、使用寿命长。根据反应器处理不同介质的需要，本实用新型D-L-C-R匹配网络中的高压二极管D可以为1只D1-D4或4只D11-14-D41-44，每只高压二极管可为单只也可由多只低压二极管串联组合而成；D-L-C-R匹配网络可单独使用也可增加到二到三只串、并联组合使用，不同的高频开关电源可以与不同形式的D-L-C-R匹配网络之一选择搭配使用。催化剂或吸收剂添加情况依据实际工艺可做相应调整。本实用新型还可应用于以下有害物质的处理具体实施方式
一空气消毒、除臭、及灭菌目前，在食品加工、医药、畜牧业等急需高效除臭灭菌净化器，由于污染气体成分复杂，有害气体浓度低、处理量大，目前采用的活性炭吸附使用寿命短、运行费用高，很难广范应用。
本实施方式利用本实用新型提供的高频电源装置及匹配网络，为反应器E的放电极P提供高频脉动电压，产生的正极性放电等离子体可非常有效地实现消毒、除臭、灭菌。利用等离子体将各种有害气体氧化并溶于水，在等离子体作用下，各种细菌及微生物被氧化致死，达到除臭灭菌的目的。高频开关电源的成本低，技术成熟，匹配网络的作用可大大延长系统寿命，有现实的工业应用前景。
具体实施方式
二有机挥发气体VOC净化处理对低浓度大量挥发性气体引起的空气污染，传统技术如活性炭吸附、催化氧化、燃烧、臭氧氧化、紫外线UV分解及高级氧化技术(UV+O3+H2O2)等，在工业应用中，主要的问题是成本高、系统寿命短。
本实施方式利用本实用新型在反应器中产生的放电等离子体能有效地将VOC氧化成气溶胶粒子，经湿式反应器处理达到净化的目的。
本实施方式也可用于净化其它有害气体，如H2S、NH3、苯酚、HF、NF3、C2F6、CCl4、SiF4、CFC-112、CFC-113等。
具体实施方式
三隧道空气净化由于机动车的尾气污染，高速公路隧道中的NOx可达10ppm左右，且有一定浓度的碳氢化合物、硫化物和黑烟，不仅降低了能见度，而且可引发多种疾病；由于交通事故造成的隧道内堵车，常常引起司机中毒等等。本实施方式利用本实用新型，将隧道中各种有害气体及颗粒物进行收集后，注入反应器E中，进行等离子体无害处理。
具体实施方式
四焚烧炉尾气净化一台150吨/日城市垃圾焚烧炉约产生40000Nm3/h待处理烟气。目前运行中的焚烧炉产生大量的污染气体，如NOx，SO2，H2S，HCl，二恶茵、重金属(如汞)等。经收集，同上所述，利用本实用新型向反应器E供电，产生正极性等离子体后即可实现对焚烧炉尾气的综合净化处理。
具体实施方式
五烟气脱硫脱硝利用本实用新型可在反应器E中产生稳定可靠的有工业化应用前景的等离子体，采用分区湿式反应系统，其生成物为正盐溶液，该溶液利用待处理烟气的热量脱水后，生成正盐粉状副产物，待处理烟气的余热还可用于抬升湿式反应系统尾气温度，使流程优化、连续和稳定，实现产业化；具体实施方式
六废水和饮用水净化废水含有机和无机污染物，利用氧化反应使污染物转化为无毒物质。目前最常用的氧化剂为臭氧、过氧化氢、二氧化氯及高锰酸钾等，氧化剂也可同催化剂如TiO2、紫外线UV联合使用实现高级氧化处理。
利用本实用新型向反应器E供电，可对各种废水、饮用水等进行高级氧化处理，设备简单，运行费低。
本实施方式也可用于液体的氧化处理，比如将亚硫酸盐的四价硫氧化为硫酸盐的六价硫。
由于在高频开关电源和反应器之间增设了D-L-C-R匹配网络，有效保证了电源系统的工作可靠，使用寿命延长，并使得整套处理设备工作连续、稳定、完整，运行费用低，具有良好的经济效益和社会效益。
权利要求1.一种产生正极性流光放电等离子体的电源装置，包括整流电路(I)、逆变电路(II)、驱动电路(J)、变压器T、反应器(E)，所述整流电路(I)为单相或三相桥式全波整流电路，所述逆变电路(II)，将整流电路(I)输出的直流电压逆变为交变的高频开关电源，可以由开关器件、支撑电容、谐振电容、电感串、并电连接而成，所述反应器(E)可以为湿式反应器或干式反应器，其特征在于在所述逆变电路(II)与所述反应器(E)之间连接有顺序电连接的变压器T与由高压二极管、电感、电容、电阻串、并电连接组成的D-L-C-R匹配网络(III)，所述变压器T的一个输出端a与D-L-C-R匹配网络(III)中的高压二极管D1的正端相连接，该匹配网络的结点n1与反应器(E)的放电极P相连接，反应器(E)外壳与变压器T的接地端b共同接地。
2.如权利要求1所述的一种产生正极性流光放电等离子体的电源装置，其特征在于所述D-L-C-R匹配网络(III)由高压二极管D、电感L、电容C、电阻R串、并电连接组成，所述高压二极管D可以为一只D1-D4或四只D11-D14-D41-D44，每只高压二极管也可为多只低压二极管串接组成，所述电感L可以为普通电感也可为饱和电感，所述D-L-C-R匹配网络(III)可有如下连接方式①电容C31串接电阻R31后在结点m1n1处与电感L31并联，高压二极管D1负端连接至结点m1处，其正端连接到变压器T的一端a，结点n1连接至反应器(E)的放电极P上，上述变压器T的接地端b连接到反应器(E)的外壳，与其共地。②电容C32与电阻R32串联后在结点m2n2处与电感L32并联，结点n2与反应器(E)的放电极P相接，结点m2连接至由D11-14四只高压二极管组成的整流桥的一个输出端m11另一输出端n11连接至反应器(E)的外壳，与其共地，该整流桥的输入端ab连接至变压器T次级的负载端ab；③电容C33与电阻R33串联后与饱合电感L33在结点m3n3处并连，结点m3与高压二极管D2负端相接，结点n3连接至反应器(E)的放电极P，高压二极管D2的正极a与反应器(E)的外壳接地极b之间变压器T次级负载端ab相接；④电容C34与电阻R34串联后与饱和电感L34在结点m4n4处并联，结点n4连接至反应器(E)的放电极P，结点m4连接至由D21-24四只高压二极管组成的整流桥的输出端m21，其另一输出端n21与反应器(E)外壳接地极相连，该整流桥的输入端ab接至变压器T次级负载端ab；⑤电容C35与电阻R351并连并串接电阻R35后在m5n5处与电感L35并联，结点n5与反应器(E)放电极P相连，结点m5与高压二极管D3负极相接，二极管D3的正极a与反应器(E)外壳接地极b之间与变压器T次级负载端ab相连接；⑥电容C36与电阻R361并联再与电阻R36串联后与电感L36在结点m6n6处并联，结点n6与反应器(E)的放电极P连接，结点m6与由D31-34四只高压二极管组成的整流桥的一个输出端m31连接，另一输出端n31与反应器(E)外壳共同接地，整流桥输入端ab连接至变压器T的次级线圈ab；⑦电容C37与电阻R371并联，再与电阻R37串联后，在结点m7n7处与饱合电感L37并联，结点n7与反应器(E)的放电极P连接，结点m7与高压二极管D4的负极相接，二极管D4的正端a与反应器(E)接地外壳b之间与变压器T次级线圈ab连接；⑧电容C38与电阻R381并联、与电阻R38串联后，在结点m8n8，处与饱合电感L38并联，结点n8连接至反应器(E)放电极P，结点m8连接至由高压二极管D41-44组成的整流桥的一个输出端m41，另一输出端n41通过反应器(E)外壳接地，整流桥的输入端ab接至变压器T次级线圈ab；每个D-L-C-R匹配网络(III)可以单独连接在变压器T与反应器(E)之间，也可串、并连接后置于变压器T与反应器(E)之间；
3.如权利要求1所述的一种产生正极性流光放电等离子体的电源装置，其特征在于所述逆变电路(II)可采用软开关技术也可采用硬开关技术，其输出波形可以为方波、三角波、正弦波，所述开关器件可以为半导体开关器件IGBT、MOSFET、SCT，所述整流电路(I)的输出端mn与所述逆变电路(II)的直流电压输入端AB相连接，所述逆变电路(II)可有以下连接方式；①变压器T原边一端与支撑电容C23一端并连后接至直流电压输入端A，变压器T原边另一端r先与开关器件K21串接再与支撑电容C23另一端并接后连接至直流电压另一输入端B，变压器T的次级输出端ab连接至D-L-C-R匹配网络(III)输入端ab；②开关器件K22、K23串联，K24、K25串连，二支路在直流电压输入端AB处并接，上述两串联支路的中点X1y1之间顺序串接有谐振电容C24、谐振电感L21、变压器T原边线圈，其次级线圈ab连接至D-L-C-R匹配网络(III)输入端ab；③开关器件K26、K27串联，支撑电容C26、C27串联后，二支路在直流电压输入端AB处并接，上述两串联支路的中点x2y2之间顺序串接有谐振电容C25、谐振电感L22、变压器T原边线圈，其次级线圈ab连接至D-L-C-R匹配网络(III)输入端ab；每种形式的逆变电路通过变压器T可以分别与所述D-L-C-R匹配网络(III)相连接，x1y1或x2y2支路中的谐振电容C24、C25及谐振电感L21、L22可以同时接入，也可只设置有谐振电感L21或L22，也可全部不设置。
4.如权利要求1-3中任一权利要求所述的一种产生正极性流光放电等离子体的电源装置，其特征在于所述半导体开关器件IGBT、MOSFET、SCT的控制极可采用EXB841、MM57962模块电路为驱动电路，高压二极管D1-D4可以选用一只，也可选用四只D11-D14-D41-D44，D-L-C-R匹配网络(III)可以选用一个也可选用二个或三个串、并接在一起。
专利摘要本实用新型涉及一种能产生正极性流光放电等离子体的新技术，由开关电源和D－L－C－R匹配网络组成。该电源通过一组或多组D－L－C－R匹配网络及一只或多只高压二极管组成的系列电路作用于干式或湿式反应器上，在催化剂或吸收剂(可选用，也可不选用)作用下，达到对某种介质处理的目的。该开关电源可以选用采用软开关技术或硬开关电源技术的各种高频开关电源，其产生的波形可以是方波、三角波、正弦波及其它任意形式的谐波。
文档编号H02M3/04GK2694606SQ20042004741
公开日2005年4月20日 申请日期2004年3月25日 优先权日2004年3月25日
发明者阎克平, 刘勇, 姜学东, 汪至中, 邱瑞昌, 黄辉 申请人:广东杰特科技发展有限公司