水磁化電源在水處理中的應(yīng)用

姜棋倡，韓 琪

（上海電力大學(xué)電子與信息工程學(xué)院，上海 200090）

高頻電場磁化水（EDS），近年來異軍突起，在各個領(lǐng)域，尤其是在涉及生活和生產(chǎn)的水處理方面得到快速發(fā)展和應(yīng)用[1]。通過電子電路產(chǎn)生的變化磁場，會使水分子產(chǎn)生電磁共振，使得大水分子和雙水分子變化成還原性和滲透性更強的單水分子，使水分子的活性增強。本文通過電磁場對水的磁化原理，提出了一種變幅值和變脈沖組合式水磁化電源。電源采用了PSFB+脈沖調(diào)制全橋的結(jié)構(gòu)，具有較高的功率輸出和較好的水磁化效果。

1 電源結(jié)構(gòu)

電源的拓撲結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 電源拓撲圖

電源采用了前級移相全橋和后級脈沖調(diào)制全橋的結(jié)構(gòu)。前級為隔離型PSFB 移相調(diào)壓電路，可以實現(xiàn)電氣的隔離，其輸出功率密度高，還可以利用變壓器的漏感實現(xiàn)軟開關(guān)[2]，后級采用了單極性倍頻的脈沖調(diào)制技術(shù)，由于開關(guān)管的開關(guān)頻率受電器開關(guān)的限制，不能達到很高的脈沖輸出，而采用單極性倍頻的調(diào)制方式，可以調(diào)高輸出脈沖的頻率。

1.1 移相調(diào)壓

移相調(diào)壓的前級電路如圖2 所示，其用來調(diào)節(jié)輸出電壓的幅值，實現(xiàn)輸出脈沖的電壓和功率的調(diào)節(jié)。開關(guān)管Q1、Q2為超前橋臂開關(guān)管，Q3、Q4滯后橋臂開關(guān)管。D1～D4續(xù)流二極管，C1～C4為開關(guān)管的寄生電容或外接電容。Lr為變壓器的漏感，也是變換器的諧振電感。L，C 為濾波電感和濾波電容，R 為輸出負載。Vin和Vout分別為輸入電壓和負載輸出電壓，IL為濾波電感電流。

圖2 PSFB 變換器電路結(jié)構(gòu)

但是隔離型移相由于變壓器漏感的存在，使得其具有強的非線性。假設(shè)元器件都是理想的C1=C2=Chead，C3=C4=Cback，L?K2Lr，K 為變壓變比。原邊漏感電壓的存在使得副邊輸出電壓出現(xiàn)了占空比丟失的現(xiàn)象，有效占空比為Deff。

由于變壓器漏感的存在，由小信號模型[3]可得有效占空比與輸入電壓的關(guān)系為：

1.2 單極性倍頻

水磁化電源的脈沖需要具有寬范圍的脈沖頻率、可變幅值的脈沖電壓以及復(fù)雜的脈沖組合，因此采用雙極性倍頻的脈沖調(diào)制方式，可以實現(xiàn)脈沖頻率和方向的自由變化。

圖3 雙極性脈沖調(diào)制輸出的脈沖寬度調(diào)制波形，輸出的脈沖寬度調(diào)制波形只有±E 兩個電勢。ur為調(diào)制波，uc為載波，通過調(diào)制波ur與載波uc的相交時的時刻控制各個MOSFET 管V1～V4的開關(guān)。雙極性脈沖調(diào)制特點是V1～V4會在載波頻率工作，這使得水磁化電源可以輸出一系列頻率和幅值可變的脈沖波形。

圖3 雙極性倍頻的調(diào)制

2 水磁化原理及輸出脈沖設(shè)計

直流脈沖的電磁場不僅具有交流電流的感應(yīng)性能，還具有直流電場的電離特性，以及脈沖高電壓的功能，使得水在磁化的過程中的電磁場能以多種形式有效地參與各種物理、化學(xué)和生物的反應(yīng)，提高了實驗效果。

圖4 分別為脈沖電源的磁化原理以及管道內(nèi)的磁感線分布情況。水通過電磁場時，水分子作為偶極子被不斷反復(fù)極化而產(chǎn)生扭曲、變形、反轉(zhuǎn)、振動而與外加電磁場共振，使其分子運動加強，從而使原來水中締合形成的各種綜合鏈狀、團狀大分子（H2O）解離成單個水分子，最后形成比較穩(wěn)定的單水分子（H2O）使水活性增加，改變了水的物理結(jié)構(gòu)，增強了水的活性。由于單水分子的極性變強，水的密度、表面張力、pH 滲透力和溶解力等化學(xué)和物理性質(zhì)會在高頻交變電磁場的作用下發(fā)生顯著變化[4]。水的pH 滲透力和溶解力、表面張力等增大，水中鈣、鎂等金屬離子的結(jié)晶過程就會受到很大的影響。在PSFB 與脈沖調(diào)制全橋的配合下，調(diào)制的脈沖波形如圖5 所示。

圖4 水磁化原理

圖5 脈沖調(diào)制波形

調(diào)制的脈沖幅值分別為50 V、-28 V 和-14 V，脈沖頻率由5 Hz 到20 kHz 逐漸漸變。其中的正反脈沖增加了磁場的不規(guī)則度和復(fù)雜性，在PSFB 和雙極性倍頻調(diào)制配合下，可以將脈沖幅值和脈沖頻率進行雙自由度組合，實現(xiàn)脈沖輸出電壓的可控調(diào)節(jié)和輸出脈沖的自定義。

3 實驗結(jié)果

通過對水質(zhì)實驗一定的電磁場以后，對水的方解石（CaCO3）的晶型結(jié)構(gòu)、接觸角等方面進行了研究，實驗結(jié)果較為顯著。圖6 為實驗室水經(jīng)過一段時間后的方解石的晶型變化圖，由圖可以看出經(jīng)過水磁化處理后，方解石的晶型結(jié)構(gòu)明顯變小，水磁化效果顯著。表1 為在不同脈沖頻率下的水磁化后的接觸角變化，實驗結(jié)果表明，不規(guī)則由低到高漸變式的脈沖磁場對于水的接觸角影響較大，效果更好。

表1 水磁化后的接觸角變化

圖6 20 um 放大倍數(shù)下方解石晶型結(jié)構(gòu)對比

4 結(jié)論

基于PSFB 與脈沖調(diào)制全橋的電路結(jié)構(gòu)，可以實現(xiàn)復(fù)雜的組合式脈沖輸出，產(chǎn)生的交變磁場，對水具有較好的磁化效果。可以實現(xiàn)對水的阻垢、殺菌和凈化等功能。