特种电源技术及其在污水处理中的应用

【摘要】： 随着环境污染的日趋严重，环境治理与保护已成为全球性关注的焦点。特种电源技术最近十几年在环境治理和保护的诸多领域中蓬勃发展，显示出了无比广阔的应用前景。本文着重研究了形变特种开关电源相关技术及其在污水处理中的应用。论文研究过程中采用理论建模、模型参数辨识、软件仿真和工程实验等多种研究方法，得出了一些有意义的研究成果。 设计和制作了用于污水处理的形变开关电源样机。该样机能输出任意形状的脉冲电压波形。脉冲电压的幅值、脉冲频率和占空比等参数在较大范围内实现可编程数字调节。电源的全桥功率变换器采用基于电压瞬时值反馈的数字PID控制。在实现数字变频过程中提出了基于DSP的查表计算混合SPWM生成算法。 论文对直流电源作用下电凝聚法处理污水负载特性进行了详细地分析，结合理论建模和最小二乘法参数辨识，得出了相关负载数学模型，并在不同的实验条件下对模型进行验证。在直流负载特性的基础上，进一步分析了脉冲电源作用下的负载特征。双电层电容效应是其一个重要的负载特性。提出采用双极性电极接法和增加电极数目可有效地减少负载的等效电容量。 利用自行研制的形变电源，在不同的输出电压波形下进行了一系列印染污水处理实验。实验研究结果表明，与传统的直流电压波形相比，脉冲电压波形在取得满意的COD去除率和色度去除率的同时，节省可观的电耗和电极损耗，提高电能净化效率，降低污水处理的经济成本。其中周期换向方波不仅能节省电耗和电极消耗，还可以有效地防止电极钝化和电极表面结垢，出水水质稳定。因此，周期换向方波是一种具有工业实用价值的污水处理波形。脉冲电压波形主要影响废水处理的三个物理化学过程，即：电容效应、液相传质、吸附和脱吸附。 论文提出将仿生学方法引入电力电子学研究。学习和借鉴大自然中各种生物结构和功能机理，在电力电子学研究过程中可以产生一些新的研究思路。基于冗余思想，提出了一种具有自修复功能多电平变换器拓扑。该电路拓扑中所有电容电压能实现自平衡，并且对开关管故障具有容错能力。借鉴人体等生物系统结构特点和控制策略，基于自律电力电子组块，提出了一种在硬件结构上采用分层递阶结构，在控制上采用自律分布策略的电力电子系统。这种电力电子系统具有诸多优点，代表了今后电力电子系统的一种极具前景的发展方向。 【关键词】：电力电子 特种电源 污水处理 印染污水 电凝聚法 仿生学 多电平变换器 故障 可靠性 容错性 分层递阶结构 自律分布控制
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2003
【分类号】：TN86
【目录】：

• 第一章 绪论10-28
• 1.1 前言10
• 1.2 特种电源技术在环境工程领域的应用10-15
• 1.2.1 在污水处理领域的应用10-12
• 1.2.2 在废气处理领域的应用12-13
• 1.2.3 在静电除尘领域的应用13-14
• 1.2.4 在杀菌消毒领域的应用14-15
• 1.3 脉冲电凝聚法污水处理技术综述15-20
• 1.3.1 传统直流电凝聚法污水处理技术15-17
• 1.3.2 脉冲电凝聚废水处理技术研究现状17-20
• 1.4 本文主要研究内容和研究成果20-28
• 第二章 形变开关电源相关电路设计28-42
• 2.1 前言28
• 2.2 电源系统概述28-29
• 2.3 主电路拓扑及参数设计29-35
• 2.3.1 主电路拓扑29-30
• 2.3.2 全桥变换电路的三种工作模式30-35
• 2.3.3 低通滤波器的设计35
• 2.4 驱动电路设计35-40
• 2.5 本章小结40-42
• 第三章 形变开关电源相关控制技术42-65
• 3.1 前言42-43
• 3.2 全桥功率变换器PID控制策略43-55
• 3.2.1 全桥功率变换器数学建模43-45
• 3.2.2 全桥变换器的开环频率特性45-46
• 3.2.3 电压瞬时值PID反馈控制46-55
• 3.3 数字控制结构及其实现55-62
• 3.3.1 输出电压信号采样和处理电路55
• 3.3.2 输出电压波形的数字调节55-60
• 3.3.3 DSP参数设置电路模块60-61
• 3.3.4 实验结果及其分析61-62
• 3.4 本章小结62-65
• 第四章 电凝聚法处理污水负载特性分析65-94
• 4.1 前言65
• 4.2 直流电源作用下的负载特性分析65-80
• 4.2.1 理论建模65-72
• 4.2.2 模型参数的最小二乘估计72-76
• 4.2.3 数学模型的实验验证76-77
• 4.2.4 负载等效电路77-79
• 4.2.5 仿真与实验结果79-80
• 4.3 脉冲电源作用下的负载特性分析80-89
• 4.3.1 脉冲电源作用下污水中的液相传质80-82
• 4.3.2 负载等效电路82-83
• 4.3.3 双电层电容效应83-89
• 4.4 本章小结89-94
• 第五章 电凝聚法处理污水的实验研究94-109
• 5.1 前言94
• 5.2 实验方案94-95
• 5.3 实验结果及讨论95-102
• 5.3.1 电解时间对污水净化效果的影响95-96
• 5.3.2 电压波形对污水净化效果的影响96-97
• 5.3.3 电压波形对电极钝化的影响97-100
• 5.3.4 脉冲电压参数对废水净化效果的影响100-102
• 5.3.5 废水净化电耗与铝耗的估算102
• 5.4 染色废水的净化机理探讨102-106
• 5.4.1 电凝聚机理102-105
• 5.4.2 脉冲电压对废水处理过程主要影响105-106
• 5.5 本章小结106-109
• 第六章 仿生学在电力电子技术中的应用初探109-143
• 6.1 前言109
• 6.2 电力电子仿生学基本内涵109-111
• 6.3 电力电子学可向生命科学学习和借鉴的主要内容111-115
• 6.4 一种具有自修复功能的多电平变换器拓扑115-133
• 6.4.1 改进型多电平变换器电路拓扑的容错性分析115-126
• 6.4.2 仿真结果及讨论126-133
• 6.5 分层递阶结构和自律分布式控制策略133-140
• 6.5.1 自律电力电子组块134-136
• 6.5.2 分层递阶结构136-138
• 6.5.3 自律分布式控制138-140
• 6.6 本章小结140-143
• 第七章 总结与展望143-145
• 7.1 全文研究总结143-144
• 7.2 对今后研究工作的展望144-145
• 攻读博士学位期间发表的论文145-146
• 致谢146

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