一种气体除臭装置的制作方法

1.本发明涉及纳秒级高压电源技术领域，具体涉及一种气体除臭装置。


背景技术：

2.近年来，恶臭异味污染成为环境投诉的焦点，加强防治的呼声也越来越强烈，成为仅次于噪声的第二大投诉源。
3.恶臭异味污染涉及的行业既有石油炼制、化工、制药、橡胶、造纸、食品加工等点源，又有污水处理、垃圾处理、畜禽养殖、餐饮油烟等面源、散发源。由于恶臭具有来源广泛、组分复杂等特点，存在溯源难、监管难、治理难等困境，防治形势依然严峻。
4.恶臭气体处理常见的方法有生物分解法、活性碳吸附法、等离子体法、喷淋液除臭法和光催化氧化法等。
5.低温等离子体法是一种高效、清洁、便捷的除臭净化工艺，处理污染物的原理为：在外加电场的作用下，空气间隙放电产生的大量高能粒子轰击污染物分子，使其电离、解离和激发，引发了一系列复杂的物理、化学反应，使复杂大分子污染物转变为简单小分子安全物质，使有毒有害物质转变成无毒无害或低毒低害的物质，从而使污染物得以降解去除。鉴于此，特提出一种利用低温等离子体实现气体除臭的装置。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种气体除臭装置，以解决上述背景技术中现有的问题。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种气体除臭装置，包括工频交流电源、交流直流变换器、2个交流直流变换器控制电路、控制器、3个采集电路、等离子发生器、磁开关协同保护电路、脉冲储能电路、放电电路、脉冲发生与升压电路和半导体开关控制电路；所述工频交流电源分别与交流直流变换器和磁开关协同保护电路连接，用于为其提供工频交流电；其中一个交流直流变换器控制电路连接在交流直流变换器和控制器之间，用于根据所述控制器的信号调整所述交流直流变换器的输出直流电vdc1；另外一个交流直流变换器控制电路连接在磁开关协同保护电路和控制器之间，用于根据所述控制器的信号调整所述磁开关协同保护电路的电压；其中一个采集电路连接在交流直流变换器和控制器之间，用于采集所述交流直流变换器的输出电压并发送给所述控制器；第二个采集电路连接在所述等离子发生器和控制器之间，用于采集所述等离子发生器的输出电流并发送给所述控制器；第三个采集电路连接在放电电路和控制器之间，用于采集所述放电电路的输出电流并发送给所述控制器；所述磁开关协同保护电路用于保证每次磁开关动作的一致性，确保相同的电气参数具有相同的峰值电压，同时限制反向电流；所述脉冲储能电路用于对所述等离子发生器进行快速充电，使得其内部电极间电
压快速上升，形成高压电场，从而去除气体中的臭味异味；所述放电电路用于将所述等离子发生器内电容上的电压下降到零，防止造成脉冲高压回路震荡，避免所述等离子发生器被击穿；所述脉冲发生与升压电路用于将直流电转化为高电压脉冲；所述半导体开关控制电路连接在所述脉冲发生与升压电路和控制器之间，用于根据所述控制器的信号调整所述脉冲发生与升压电路的脉冲电压频率，从而控制去除气体中臭味异味的处理次数。
8.优选的，所述磁开关协同保护电路包括协同保护电路、磁开关lv1和磁开关lv2，所述协同保护电路包括交流直流变换器mt2，用于将所述工频交流电源进行转换，输出直流电vdc2；直流电vdc2正极经二极管d21、电阻r21、电感l21，磁开关lv2的初级线包pc2、磁开关lv1的初级线包pc1，返回直流电vdc2负极。
9.优选的，所述协同保护电路还包括二极管d22、电容c21，二极管d22用于保护所述直流电vdc2；电容c21用于吸收所述磁开关lv2的次级线包sc2、磁开关lv1的次级线包sc1工作时反向电流。
10.优选的，所述脉冲储能电路包括电容c4和所述磁开关lv1。
11.优选的，所述放电电路包括电阻r2和所述磁开关lv2。
12.优选的，所述脉冲发生与升压电路包括限流电感l1、电感l2、二极管d1、储能电容c2-c4、脉冲变压器tr1、功率半导体开关vt1和vt2，直流电vdc1正极经过限流电感l1、二极管d1、给储能电容c3充电，再经过电感l2、脉冲变压器tr1初级线圈返回vdc1的负极，储能电容c3充电后，可以控制功率半导体开关vt1导通，导通后脉冲变压器tr1初级线圈输入低电压的脉冲，脉冲变压器tr1次级线圈升压，输出高电压脉冲，脉冲变压器tr1次级线圈给储能电容c4充电，功率半导体开关vt2和储能电容c2用于限制所述功率半导体开关vt1的尖峰电压，防止击穿。
13.优选的，所述等离子发生器的输入端还连接有进风口，所述进风口处设置有入口传感器，用于监测入口气体的参数发送给所述控制器。
14.优选的，所述等离子发生器的出端还连接有出风口，所述出风口处设置有出口气体传感器，用于监测出口气体的参数发送给所述控制器。
15.优选的，所述出风口处还设置有空气粉尘过滤器。
16.优选的，所述等离子发生器的机械结构为板线结构、线筒结构或针板结构。
17.与现有技术相比，本发明的有益效果是：（1）处理工艺简单，运行维护方便，利用电能-可控脉冲高压直接在臭味异味气体中产生低温等离子体，去除臭味异味；（2）可通过程序软件调节电气参数，适用不同行业、不同工况的气体臭味异味去除；（3）可控脉冲高压电低温等离子技术采用非连续脉冲供电方式，不容易击穿，形成火花放电、拉弧；且采用脉冲高压方式，等离子体脉冲峰值电压与发生器电场击穿点脉冲峰值电压很远，容易控制，产生稳定很宽的低温等离子体工作区间，除臭效果稳定。
附图说明
18.图1为本发明一种气体除臭装置的系统图；图2为本发明一种气体除臭装置的电路原理图；图3为图1中k1-k3的电路原理图；图4为图2中q1-q4的电路原理图；图5为等离子发生器fz1的等效电路图；图6为图2中等离子发生器fz1在毫米级的电压波形图；图7为图2中电容c4在纳秒级的电压波形图；图8为图2中等离子发生器fz1在纳秒级的电压波形图。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.请参阅图1-2，本发明提供一种技术方案，具体如图1所示的一种气体除臭装置，包括工频交流电源vabc、交流直流变换器mt1、2个交流直流变换器控制电路、控制器mt2、3个采集电路、等离子发生器fz1、磁开关协同保护电路、脉冲储能电路、放电电路、脉冲发生与升压电路和半导体开关控制电路；工频交流电源vabc分别与交流直流变换器mt1和磁开关协同保护电路连接，用于为其提供工频交流电；其中一个交流直流变换器控制电路q1连接在交流直流变换器mt1和控制器mt2之间，用于根据控制器mt2的信号调整交流直流变换器mt1的输出直流电vdc1；另外一个交流直流变换器控制电路q4连接在磁开关协同保护电路和控制器mt2之间，用于根据控制器mt2的信号调整磁开关协同保护电路的电压；3个采集电路分别为直流电压采集电路k1、等离子发生器fz1电流采集电路k2和放电电流采集电路k3，k1连接在交流直流变换器mt1和控制器mt2之间，用于采集交流直流变换器mt1的输出电压并发送给控制器mt2；k2连接在等离子发生器fz1和控制器mt2之间，用于采集等离子发生器fz1的输出电流并发送给控制器mt2；k3连接在放电电路和控制器mt2之间，用于采集放电电路的输出电流并发送给控制器mt2；控制器mt2，具有通过等离子发生器fz1电流采集电路k2、放电电流采集电路k3，实现等离子发生器fz1脉冲高压击穿精准识别功能。当脉冲高压给等离子发生器输出脉冲时，出现发生器充电电流，一段时间后等离子发生器fz1分布电容上的残留电荷被放电回路释放，出现放电电流。如果等离子发生器fz1内部发生高压击穿，分布电容无电荷残留，则不会有放电电流。因此有充电电流，而无放电电流可以实现等离子发生器fz1脉冲高压击穿精准识别功能。
21.磁开关协同保护电路用于保证每次磁开关动作的一致性，确保相同的电气参数具有相同的峰值电压，同时限制反向电流；脉冲储能电路用于对等离子发生器fz1进行快速充电，使得其内部电极间电压快速上升，形成高压电场，从而去除气体中的臭味异味；
放电电路用于将等离子发生器fz1内电容上的电压下降到零，防止造成脉冲高压回路震荡，避免等离子发生器fz1被击穿；脉冲发生与升压电路用于将直流电转化为高电压脉冲；半导体开关控制电路连接在脉冲发生与升压电路和控制器mt2之间，用于根据控制器mt2的信号调整脉冲发生与升压电路的脉冲电压频率，从而控制去除气体中臭味异味的处理次数。
22.如同2所示，磁开关协同保护电路包括协同保护电路、磁开关lv1和磁开关lv2，协同保护电路包括交流直流变换器mt2，用于将工频交流电源vabc进行转换，输出直流电vdc2；直流电vdc2正极经二极管d21、电阻r21、电感l21，磁开关lv2的初级线包pc2、磁开关lv1的初级线包pc1，返回直流电vdc2负极。
23.如同2所示，协同保护电路还包括二极管d22、电容c21，二极管d22用于保护直流电vdc2；电容c21用于吸收磁开关lv2的次级线包sc2、磁开关lv1的次级线包sc1工作时反向电流。
24.如同2所示，脉冲储能电路包括电容c4和磁开关lv1。储能电容c4与磁开关lv1组成脉冲压缩回路，可以由多级组成，图上仅画出一级压缩。
25.如同2所示，放电电路包括电阻r2和磁开关lv2。
26.如同2所示，脉冲发生与升压电路包括限流电感l1、电感l2、二极管d1、储能电容c2-c4、脉冲变压器tr1、功率半导体开关vt1和vt2，直流电vdc1正极经过限流电感l1、二极管d1、给储能电容c3充电，再经过电感l2、脉冲变压器tr1初级线圈返回vdc1的负极，储能电容c3充电后，可以控制功率半导体开关vt1导通，导通后脉冲变压器tr1初级线圈输入低电压的脉冲，脉冲变压器tr1次级线圈升压，输出高电压脉冲，脉冲变压器tr1次级线圈给储能电容c4充电，功率半导体开关vt2和储能电容c2用于限制功率半导体开关vt1的尖峰电压，防止击穿。半导体开关控制电路包括q2和q3，q2连接功率半导体开关vt1，q3连接功率半导体开关vt2。控制器mt2,经半导体开关控制电路q2，控制功率半导体开关vt1的导通，控制产生脉冲电压的频率，控制去除气体中臭味异味的处理次数。控制器mt2,还可以通过交流直流变换器控制电路q1，改变直流电压vdc1的电压值，控制等离子发生器fz1内部的峰值电压，控制低温等离子体的强度。
27.如同2所示，等离子发生器fz1的输入端还连接有进风口p1，进风口p1处设置有引风机f1和入口传感器s1，f1用于将进风口p1处的风传送到fz1内，s1用于监测入口气体的参数发送给控制器mt2。
28.如同2所示，等离子发生器fz1的出端还连接有出风口p2，出风口p2处设置有出口气体传感器s2，用于监测出口气体的参数发送给控制器mt2。
29.如同2所示，出风口处p2还设置有空气粉尘过滤器f2。
30.具体的工作原理：（如图2所示）接入工频交流电源vabc后，经过交流直流变换器mt1转换，输出直流电vdc1,c1为直流滤波电容。直流电vdc1,经过限流电感l1，二级管d1，给储能电容c3充电,再经电感l2(l2可以是变压器漏感)，脉冲变压器tr1初级线圈返回vdc1。二极管d1，防止滤波电容c1与限流电感l1，储能电容c3,电感l2(l2可以是变压器漏感)，脉冲变压器tr1初级线圈，持续震荡，导致vdc1电压值不稳定，造成脉冲输出峰值电压不稳定,峰值忽高忽低。
31.直流电vdc2正极经二极管d21、电阻r21（可以是电感l21的内阻）、电感l21，磁开关lv2的初级线包pc2、磁开关lv1的初级线包pc1，返回直流电vdc2负极。该回路的主要作用是将磁开关lv2、磁开关lv1复位到反向饱和状态，保证每次磁开关动作的一致性，确保相同的电气参数有相同的峰值电压；同时复位到反向状态后，可以极大增加磁开关的磁性利用率，降低制造成本。
32.其中，电感l21主要作用为承受磁开关lv2的次级线包sc2、磁开关lv1的次级线包sc1工作时反向电压，限制反向电流。c21主要作用为吸收磁开关lv2的次级线包sc2、磁开关lv1的次级线包sc1工作时反向电流。二极管d21、d22用于保护直流电vdc2。
33.储能电容c3，电感l2(l2可以是变压器漏感)，脉冲变压器初级线圈，功率半导体开关vt1，组成一个脉冲放电回路。储能电容c3充电后，可以控制功率半导体开关vt1导通（一般导通时间小于50微秒），导通后脉冲变压器tr1初级线圈输入低电压的脉冲，脉冲变压器tr1次级线圈升压，输出高电压脉冲。脉冲变压器tr1次级线圈，给储能电容c4充电。储能电容c4充电时，磁开关lv1未饱和，等离子发生器fz1相当于与c4断开状态。储能电容c4充电一段时间，到一定电压时，磁开关lv1饱和，储能电容c4经过磁开关lv1与等离子发生器fz1连接，此时磁开关lv1饱和，磁开关饱和电感与内阻很小，等离子发生器fz1被快速充电（一般上升时间小于1微秒），等离子发生器fz1内部电极间电压快速上升，形成高压电场，迅速电离流过等离子发生器fz1中含臭味异味的气体，含臭味异味的气体中产生大量正负离子，形成高强度低温等离子体，等离子体与气体中臭味异味分子产生反应，去除气体中的臭味异味，此阶段磁开关lv2饱和未饱和。高压电场在等离子发生器fz1持续一段时间后（一般小于10us），为了防止等离子发生器fz1内部发生击穿，与等离子发生器fz1并联的放电回路开始工作，磁开关lv2饱和，通过电阻r2快速放电，等离子发生器fz1电压下降到零。至此，脉冲等离子体去除气体中臭味异味的处理结束。控制器mt2,可以按固定频率，经半导体开关控制电路q2，控制功率半导体开关vt1的导通，控制产生脉冲电压的频率，控制去除气体中臭味异味的处理次数。控制器mt2,以根据臭味气体入口传感器s1(可以是进口气体流量计、变频风机频率、温度、湿度等），也可以根据出口气体传感器s2(可以是进口气体流量计、出口臭味传感器、臭氧传感器等)，控制脉冲频率输出，自动控制去除气体中臭味异味的处理次数，优化运行能耗，优化处理效果。控制器mt2,还可以通过交流直流变换器控制电路q1，改变直流电压vdc1的电压值，控制等离子发生器fz1内部的峰值电压，控制低温等离子体的强度，适用不同行业、不同工况的气体臭味异味去除。直流电压采集电路k1 、等离子发生器fz1电流采集电路k2、放电电流采集电路k3，接入控制器mt2，用于监控脉冲发生电路、等离子发生器fz1的状态，实现自动控制、故障保护等功能。
34.功率半导体开关vt1与vt2，为同一个igbt模块。igbt模块的下半桥为半导体开关vt1，用作脉冲控制开关；igbt模块的上半桥为半导体开关vt2，半导体开关vt2与电容c2用于保护半导体开关vt1，限制半导体开关vt1的尖峰电压，防止尖峰电压击穿vt1。vt1与vt2封装同一个igbt模块内，内部直接连接，保护回路的中导线分布电感最小，防止尖峰电压效果最好。
35.其中，k1-k3为光电隔离转换电路，将传感器信号隔离转换后送入控制器mt2，提高抗干扰能力，具体的电路原理图如同3所示；q1-q4为含光电隔离的驱动控制电路，具体的电路原理图如图4所示。
36.如同5所示，为等离子发生器fz1的等效电路：fz1的机械结构产生很大的分布电容c31，高压脉冲首先在c31充电，当c31电压大于产生离子的最小电压值，即大于稳压管z31的电压值时，开产生等离子体，当c31电压继续上生时，可变电阻r31快速减小，释放大量正负离子，产生高强度等离子体，c31充电结束，一段时间后，分布电容c31残留一个接近稳压管z31的电压值，这个电压会造成震荡、击穿现象。
37.另外，等离子发生器fz1主要机械结构可以是板线结构，线筒结构，针板结构，用于构建非均匀电场，利用脉冲高压产生等离子体。fz1的机械结构产生很大的分布电容，高压电场在等离子发生器fz1持续一段时间后，等离子发生器fz1的分布电容仍然残留大量电荷，形成残留高压。等离子发生器fz1分布电容上的残留高压会与磁开关lv1、储能电容c4反复正荡，导致每次磁开关lv1工作饱和开关电压不稳定，峰值输出异常。同时残留高压持续一段时间后，还会导致离子发生器fz1内部发生高压击穿。
38.为了防止等离子发生器fz1内部分布电容上的残留电压发生震荡、击穿现象，高压电场在等离子发生器fz1持续一段时间后（一般小于10us），与等离子发生器fz1并联的放电回路（磁开关lv2次级线圈sc2、电阻r2）开始工作。磁开关lv2饱和，通过电阻r2快速放电，等离子发生器fz1分布电容上的电压下降到零。至此，脉冲等离子体去除气体中臭味异味的处理结束。
39.如图6所示的等离子发生器fz1在毫米级的电压波形图，其中，控制器mt2通过交流直流变换器控制电路q1改变直流电压vdc1的电压值，控制等离子发生器fz1内部的峰值电压vc2peak，控制低温等离子体的强度。
40.ts为脉冲高压重复间隔时间，通过工作频率调节，控制器mt2经半导体开关控制电路q2，控制功率半导体开关vt1的导通，控制产生脉冲电压的频率，控制去除气体中臭味异味的处理次数。无脉冲输出时，有直流电vdc2正极经二极管d21、电阻r21（可以是电感l21的内阻）、电感l21，磁开关lv2的初级线包pc2、磁开关lv1的初级线包pc1，返回直流电vdc2负极。主要作用是将磁开关lv2、磁开关lv1复位到反向饱和状态，保证每次磁开关动作的一致性，确保相同的电气参数有相同的峰值电压；同时复位到反向状态后，可以极大增加磁开关的磁性利用率，降低制造成本。
41.如同7所示的电容c4在纳秒级的电压波形图，其中，δt1为 vc1电压上升沿时间，一般小于50us。
42.如同8所示的等离子发生器fz1在纳秒级的电压波形图，其中，δt2 为vc2电压上升沿时间，一般小于1us。pw为脉冲宽度，受并联在等离子发生器fz1的放电回路（磁开关lv2次级线圈sc2、电阻r2）控制，磁开关lv2饱和，通过电阻r2快速放电，等离子发生器fz1分布电容上的电压下降到零。防止等离子发生器fz1内部分布电容上的残留电压造成脉冲高压回路震荡，防止等离子发生器fz1被击穿。
43.本发明的气体除臭装作直接将工频输入电源转化为可控脉冲高压电，利用可控脉冲高压电在等离子体发生器中形成高压电场。臭味异味气体流过等离子体发生器时，高压电场直接在臭味异味气体中产生低温等离子体，等离子体与气体中臭味异味分子产生反应，去除气体中的臭味异味。
44.优点1：处理工艺简单，运行维护方便，利用电能-可控脉冲高压直接在臭味异味气体中产生低温等离子体，去除臭味异味。
45.相对于其他处理工艺：如生物分解法、活性碳吸附法、喷淋液除臭法，运行中仅消耗电能，无需要补充化学原料，生物细菌、液体试剂等。
46.优点2：可通过程序软件调节电气参数，适用不同行业、不同工况的气体臭味异味去除。
47.相对于其他处理工艺：如生物分解法、活性碳吸附法、喷淋液除臭法， 需要根据不同臭味分子，采用不同化学原料配方，不同生物细菌、不同液体试剂；本方案低温等离子体除臭，对各种臭味分子有效，通过程序软件调节电气参数，改变低温等离子体的强度，发生频次。
48.优点3：可靠性高、效果持续稳定-可控脉冲高压低温等离子技术相对于：直流低温等离子体技术，采用直流连续供电，直流高压产生低温等离子体，等离子体直流高压与发生器电场击穿点直流高压很近，不容易控制，电场很容易击穿，形成火花放电、拉弧；同时电场击穿点直流高压值，容易受臭气中气体成分、湿度、温度等影响，导致低温等离子体不稳定，除臭效果不稳定。
49.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
50.本系统中涉及到的相关模块均为硬件系统模块或者为现有技术中计算机软件程序或协议与硬件相结合的功能模块，该功能模块所涉及到的计算机软件程序或协议的本身均为本领域技术人员公知的技术，其不是本系统的改进之处；本系统的改进为各模块之间的相互作用关系或连接关系，即为对系统的整体的构造进行改进，以解决本系统所要解决的相应技术问题。
51.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。