多开关TLT脉冲等离子体源

发布时间：2017-07-01 21:21

  本文关键词：多开关TLT脉冲等离子体源，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：高功率纳秒脉冲技术中常使用气体开关,并需要多开关串联或是并联来分别提高电压和电流等级。经典的Marx发生器可实现多开关串联下的过压自同步,而多开关并联的电路,则通常需要外置触发进行同步。基于TLT(Transmission Line Transformer)的多开关脉冲发生技术,是一种可以实现开关自动过压同步,并且可以并联汇流输出的新技术,非常适合于高重复频率、长时间运行的工业应用。同时TLT同等离子体反应器之间良好的匹配和能量转换效率,在等离子体废气、废水处理等环境应用中,展现了良好的前景。基于该技术原理,本文开展了一套GW级多开关TLT脉冲等离子体源成套设备的研制工作,系统主要包含20开关20级TLT脉冲源、多绕组谐振充电变压器、D-I(Differential-Integral)纳秒脉冲高压探头,分别从原理分析、设计过程及实验结果三方面对各装置进行了论述,并开展了脉冲源的水处理应用研究,主要研究内容和结论如下：1)脉冲源采用20开关20级TLT,单级由5.6nF储能电容、3电极火花开关和5根同轴电缆组成的TLT构成,电容、开关、TLT输入端全部集成到一个紧凑的开关单元,以减小杂散电感而提高输出特性。首次实现了20个火花开关的有效自动同步,同步时间为数十ns。单级采用串联输出到匹配电阻时,可得到20路倍压的同步脉冲输出,脉冲上升时间约15ns,脉宽约70ns,峰值电压可达200kV,不同级之间输出的脉冲前沿时差小于2ns。2)基于TLT的二次阻抗模型,建立了一套开关同步过程中过压分布的数值计算方法,并适用于任意开关个数的TLT电路。分析结果显示当某级开关导通后,该级电容产生的过压主要分布在尚未导通的两个邻级上,意味着即便在开关数量较多的条件下,首个开关的导通亦可有效触发相邻开关,并进一步引发连锁反应,完成所有开关的同步。3)D-I系统中常将微分端整合于被测点中,本文则采取了独立的探头式设计,微分端和积分端均采用了紧凑的同轴结构。探头的电压测量范围可达200kV以上,95%精度下的带宽为49.5kHz-40.6MHz,不同探头之间一致性优异。4)谐振变压器采用4铁芯8对绕组的设计,所有8个原边串联保证了注入每个绕组或是铁芯的能量相等,所有8个副边并联使得电流可以均分到8个整流硅堆,设计单次最大能量300J。该设计解决常规单铁芯变压器在大能量谐振充电时,铁芯体积需求过大和整流硅堆电流负荷过大的问题。理论分析表明多个铁芯之间磁导率的个体差异,对变压器的均流特性不产生影响,实测8个副边的单路电流同总电流比值最小为11.7%,最大为13%,均流效果良好,变压器的能量转换效率约为94%。5)采用4开关TLT脉冲源和沿面放电等离子体反应器进行了水处理的应用研究,两者之间的能量效率在63-73%之间,随电压的升高和储能电容的减小而降低。靛蓝二磺酸钠的脱色处理中,系统整体脱色能效在1.60-2.06g/kWh之间,单次能量2J左右时最高。典型工作参数下,液相中过氧化氢的产率为1.02g/kWh,大肠杆菌则可在6J/mL能量密度下实现5.6个对数的灭活。
【关键词】：脉冲功率 多开关 自同步 TLT 脉冲等离子体 谐振变压器 D-Ⅰ测试系统 等离子体水处理
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X70;TN782
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-8
• Abstract8-16
• 缩写、符号清单16-23
• 1 绪论23-45
• 1.1 脉冲功率技术的环境应用24-34
• 1.1.1 脉冲流光放电气体处理24-32
• 1.1.2 脉冲放电水处理32
• 1.1.3 脉冲电场灭菌32-34
• 1.1.4 脉冲源功率放大的关键问题34
• 1.2 典型的多开关脉冲发生电路34-36
• 1.2.1 Marx发生器34-35
• 1.2.2 LTD35-36
• 1.3 基于TLT的多开关自同步脉冲技术36-43
• 1.3.1 单开关TLT脉冲发生电路36
• 1.3.2 多开关TLT脉冲发生电路36-39
• 1.3.3 4开关和10开关TLT脉冲源39-43
• 1.3.4 需进一步研究的问题43
• 1.4 本文研究目的和研究内容43-45
• 1.4.1 研究目的43-44
• 1.4.2 研究内容44-45
• 2 设备与测试方法45-58
• 2.1 20开关TLT脉冲等离子体源系统45-51
• 2.1.1 初级充电电源46
• 2.1.2 D-I高压探头及电磁兼容46-49
• 2.1.3 多绕组谐振变压器49
• 2.1.4 20开关TLT脉冲源49-51
• 2.2 脉冲等离子体水处理系统51-53
• 2.2.1 4关4级TLT脉冲源51-52
• 2.2.2 沿面火花放电水处理反应器52-53
• 2.3 仪器与分析方法53-58
• 2.3.1 电学诊断仪器53-55
• 2.3.2 靛蓝二磺酸钠检测55-56
• 2.3.3 过氧化氢检测56-57
• 2.3.4 大肠杆菌检测57-58
• 3 D-I高压探头58-74
• 3.1 D-I系统原理58-69
• 3.1.1 基本电路58-59
• 3.1.2 微分端频率响应特性59-63
• 3.1.3 积分端频率响应特性63-66
• 3.1.4 整体频率响应特性66-69
• 3.2 探头设计69-71
• 3.2.1 微分端69-70
• 3.2.2 积分器70-71
• 3.3 实验测试71-73
• 3.4 本章小结73-74
• 4 多绕组谐振变压器74-104
• 4.1 常规谐振变压器电路分析74-82
• 4.2 多对绕组谐振变压器电路分析82-87
• 4.3 300J多对绕组谐振变压器设计87-96
• 4.3.1 铁芯及绕组参数87-91
• 4.3.2 绕组绕向及串联布置91-93
• 4.3.3 抽头和油箱屏蔽93-95
• 4.3.4 设计参数小结95-96
• 4.4 300J多对绕组变压器性能测试96-103
• 4.4.1 能量转换效率测试96-101
• 4.4.2 副边均流测试101-103
• 4.5 本章小结103-104
• 5 20开关TLT脉冲功率源104-142
• 5.1 基本电路104-105
• 5.2 二次阻抗105-112
• 5.2.1 对地阻抗106-107
• 5.2.2 线-线阻抗107-109
• 5.2.3 级间二次阻抗109-112
• 5.3 过压分析112-122
• 5.3.1 单开关闭合时过压分布112-119
• 5.3.2 多开关闭合时过压分布119-122
• 5.4 设计实施122-130
• 5.4.1 整体结构122
• 5.4.2 充电电感122-124
• 5.4.3 开关单元124-125
• 5.4.4 磁环选取125-130
• 5.4.5 输出和负载130
• 5.4.6 整体效果130
• 5.5 实验结果130-141
• 5.5.1 LCR触发130-132
• 5.5.2 配负载同步输出132-134
• 5.5.3 火花间隙负载同步输出134-139
• 5.5.4 问题及分析139-141
• 5.6 本章小结141-142
• 6 多开关TLT脉冲源水处理应用142-163
• 6.1 反应器脉冲放电特性142-150
• 6.1.1 单次脉冲放电波形分析142-144
• 6.1.2 放电过程中电导率变化及其影响144-145
• 6.1.3 电压、级数、电容对的放电特性的影响145-148
• 6.1.4 脉冲源能量效率148-150
• 6.2 染料废水脱色处理150-160
• 6.2.1 典型脱色过程150-151
• 6.2.2 脱色反应的影响因素151-154
• 6.2.3 脱色反应的能效关系154-160
• 6.3 过氧化氢生成和大肠杆菌灭活160-162
• 6.4 本章小结162-163
• 7 总结与展望163-167
• 7.1 全文总结163-165
• 7.1.1 D-I探头163
• 7.1.2 谐振变压器163-164
• 7.1.3 20开关TLT脉冲功率源164-165
• 7.1.4 脉冲源水处理应用165
• 7.2 本文主要创新点165
• 7.3 展望165-167
• 参考文献167-175
• 作者简历及在学期间主要研究成果175-17

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本文编号：507545