特種電源技術及其在污水處理中的應用

【摘要】： 隨著環(huán)境污染的日趨嚴重，環(huán)境治理與保護已成為全球性關注的焦點。特種電源技術最近十幾年在環(huán)境治理和保護的諸多領域中蓬勃發(fā)展，顯示出了無比廣闊的應用前景。本文著重研究了形變特種開關電源相關技術及其在污水處理中的應用。論文研究過程中采用理論建模、模型參數(shù)辨識、軟件仿真和工程實驗等多種研究方法，得出了一些有意義的研究成果。 設計和制作了用于污水處理的形變開關電源樣機。該樣機能輸出任意形狀的脈沖電壓波形。脈沖電壓的幅值、脈沖頻率和占空比等參數(shù)在較大范圍內實現(xiàn)可編程數(shù)字調節(jié)。電源的全橋功率變換器采用基于電壓瞬時值反饋的數(shù)字PID控制。在實現(xiàn)數(shù)字變頻過程中提出了基于DSP的查表計算混合SPWM生成算法。 論文對直流電源作用下電凝聚法處理污水負載特性進行了詳細地分析，結合理論建模和最小二乘法參數(shù)辨識，得出了相關負載數(shù)學模型，并在不同的實驗條件下對模型進行驗證。在直流負載特性的基礎上，進一步分析了脈沖電源作用下的負載特征。雙電層電容效應是其一個重要的負載特性。提出采用雙極性電極接法和增加電極數(shù)目可有效地減少負載的等效電容量。 利用自行研制的形變電源，在不同的輸出電壓波形下進行了一系列印染污水處理實驗。實驗研究結果表明，與傳統(tǒng)的直流電壓波形相比，脈沖電壓波形在取得滿意的COD去除率和色度去除率的同時，節(jié)省可觀的電耗和電極損耗，提高電能凈化效率，降低污水處理的經濟成本。其中周期換向方波不僅能節(jié)省電耗和電極消耗，還可以有效地防止電極鈍化和電極表面結垢，出水水質穩(wěn)定。因此，周期換向方波是一種具有工業(yè)實用價值的污水處理波形。脈沖電壓波形主要影響廢水處理的三個物理化學過程，即：電容效應、液相傳質、吸附和脫吸附。 論文提出將仿生學方法引入電力電子學研究。學習和借鑒大自然中各種生物結構和功能機理，在電力電子學研究過程中可以產生一些新的研究思路。基于冗余思想，提出了一種具有自修復功能多電平變換器拓撲。該電路拓撲中所有電容電壓能實現(xiàn)自平衡，并且對開關管故障具有容錯能力。借鑒人體等生物系統(tǒng)結構特點和控制策略，基于自律電力電子組塊，提出了一種在硬件結構上采用分層遞階結構，在控制上采用自律分布策略的電力電子系統(tǒng)。這種電力電子系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點，代表了今后電力電子系統(tǒng)的一種極具前景的發(fā)展方向。 【關鍵詞】：電力電子 特種電源 污水處理 印染污水 電凝聚法 仿生學 多電平變換器 故障 可靠性 容錯性 分層遞階結構 自律分布控制
【學位授予單位】：浙江大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2003
【分類號】：TN86
【目錄】：

• 第一章 緒論10-28
• 1.1 前言10
• 1.2 特種電源技術在環(huán)境工程領域的應用10-15
• 1.2.1 在污水處理領域的應用10-12
• 1.2.2 在廢氣處理領域的應用12-13
• 1.2.3 在靜電除塵領域的應用13-14
• 1.2.4 在殺菌消毒領域的應用14-15
• 1.3 脈沖電凝聚法污水處理技術綜述15-20
• 1.3.1 傳統(tǒng)直流電凝聚法污水處理技術15-17
• 1.3.2 脈沖電凝聚廢水處理技術研究現(xiàn)狀17-20
• 1.4 本文主要研究內容和研究成果20-28
• 第二章 形變開關電源相關電路設計28-42
• 2.1 前言28
• 2.2 電源系統(tǒng)概述28-29
• 2.3 主電路拓撲及參數(shù)設計29-35
• 2.3.1 主電路拓撲29-30
• 2.3.2 全橋變換電路的三種工作模式30-35
• 2.3.3 低通濾波器的設計35
• 2.4 驅動電路設計35-40
• 2.5 本章小結40-42
• 第三章 形變開關電源相關控制技術42-65
• 3.1 前言42-43
• 3.2 全橋功率變換器PID控制策略43-55
• 3.2.1 全橋功率變換器數(shù)學建模43-45
• 3.2.2 全橋變換器的開環(huán)頻率特性45-46
• 3.2.3 電壓瞬時值PID反饋控制46-55
• 3.3 數(shù)字控制結構及其實現(xiàn)55-62
• 3.3.1 輸出電壓信號采樣和處理電路55
• 3.3.2 輸出電壓波形的數(shù)字調節(jié)55-60
• 3.3.3 DSP參數(shù)設置電路模塊60-61
• 3.3.4 實驗結果及其分析61-62
• 3.4 本章小結62-65
• 第四章 電凝聚法處理污水負載特性分析65-94
• 4.1 前言65
• 4.2 直流電源作用下的負載特性分析65-80
• 4.2.1 理論建模65-72
• 4.2.2 模型參數(shù)的最小二乘估計72-76
• 4.2.3 數(shù)學模型的實驗驗證76-77
• 4.2.4 負載等效電路77-79
• 4.2.5 仿真與實驗結果79-80
• 4.3 脈沖電源作用下的負載特性分析80-89
• 4.3.1 脈沖電源作用下污水中的液相傳質80-82
• 4.3.2 負載等效電路82-83
• 4.3.3 雙電層電容效應83-89
• 4.4 本章小結89-94
• 第五章 電凝聚法處理污水的實驗研究94-109
• 5.1 前言94
• 5.2 實驗方案94-95
• 5.3 實驗結果及討論95-102
• 5.3.1 電解時間對污水凈化效果的影響95-96
• 5.3.2 電壓波形對污水凈化效果的影響96-97
• 5.3.3 電壓波形對電極鈍化的影響97-100
• 5.3.4 脈沖電壓參數(shù)對廢水凈化效果的影響100-102
• 5.3.5 廢水凈化電耗與鋁耗的估算102
• 5.4 染色廢水的凈化機理探討102-106
• 5.4.1 電凝聚機理102-105
• 5.4.2 脈沖電壓對廢水處理過程主要影響105-106
• 5.5 本章小結106-109
• 第六章 仿生學在電力電子技術中的應用初探109-143
• 6.1 前言109
• 6.2 電力電子仿生學基本內涵109-111
• 6.3 電力電子學可向生命科學學習和借鑒的主要內容111-115
• 6.4 一種具有自修復功能的多電平變換器拓撲115-133
• 6.4.1 改進型多電平變換器電路拓撲的容錯性分析115-126
• 6.4.2 仿真結果及討論126-133
• 6.5 分層遞階結構和自律分布式控制策略133-140
• 6.5.1 自律電力電子組塊134-136
• 6.5.2 分層遞階結構136-138
• 6.5.3 自律分布式控制138-140
• 6.6 本章小結140-143
• 第七章 總結與展望143-145
• 7.1 全文研究總結143-144
• 7.2 對今后研究工作的展望144-145
• 攻讀博士學位期間發(fā)表的論文145-146
• 致謝146

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