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电磁脉冲模拟器设计及其水稻纹枯菌杀灭效果研究

冯学斌  
【摘要】:近几年来,脉冲功率技术在农业生物工程交叉学科的应用倍受关注。本文以电容储能型脉冲发生器为研究对象,结合高电压技术和脉冲功率技术研制了高压电磁脉冲模拟系统。结合目前国内外相关的研究结论,通过理论分析和试验相结合的方法对电磁脉冲模拟系统的工作特性进行了系统的研究,对脉冲产生的影响因素和影响规律进行了详细的分析,验证了电磁脉冲模拟系统设计方案的正确性和可行性并对电磁脉冲水稻纹枯菌的杀灭效果进行了研究,所完成的工作及取得的结论归纳如下:1.分析了双指数脉冲形成、传输和测量的基本原理。对气体火花开关的放电机理和放电过程进行了探讨并得出结论:开关电场比较均匀时,放电稳定性好;持续电压作用下气体开关的放电时延和击穿电压分散性相对于冲击电压要小;气体的种类、密度、湿度和压强都对放电特性有决定性的作用;对横电磁波小室的结构和传输特性进行了分析,总结了高次模出现的规律;对电阻型分压器的性能进行了分析并提出改善措施;分析了测量过程中误差的来源,针对性的提出了相应的解决方法。2.设计了试验用高压直流电源的。针对传统电源体积大、输出精度和稳定性差的缺点,设计了基于ZVS移相全桥DC/DC变换器的高频直流电源。主电路由整流滤波电路、全桥逆变电路、高频变压器和倍压整流电路组成;以TMS320F2812为控制核心,设计了驱动电路、检测电路、保护电路以及辅助电源电路。电源最大输出电压30 kV,电流2mA。3.针对以往开关放电模拟中使用固定电阻或线性可变电阻代替实际放电过程中非线性的火花电阻,存在较大误差的情况,提出一种基于Matlab/Simulink的模拟方法。在Matlab/Simulink环境下建立了气体火花开关放电的仿真模型,仿真分析了不同储能电容、电感和负载下所产生放电脉冲的时域特性。仿真结果表明,负载一定的情况下,输出脉冲的上升沿取决于系统电感,下降沿取决于储能电容的大小,与理论情况相吻合。4.研究了脉冲源的工作特性。对于脉冲源的静态特性,用自制的电阻分压器和示波器组成的测量系统进行测量记录,研究并分析了不同气压下脉冲源工作电压及输出脉冲的稳定性。研究结果表明:脉冲源的静态工作电压随气压的增高而线性增大,同时输出脉冲幅值增大;高气压下输出脉冲上升沿和幅值的稳定性更好;储能电容每增加100 pF,输出脉冲下降时间延长10 ns左右。以同样的方法,测量、记录并分析了脉冲源的动态(触发)特性。研究结果表明:同样条件下,负脉冲的触发范围比正脉冲大;负脉冲触发输出上升沿更陡峭。5.基于有限元法对横电磁波小室各截面的阻抗进行了计算并对其具体结构进行了设计。应用有限积分法仿真分析了小室中的电场分布,仿真分析表明小室中电场分布均匀,与传输电缆阻抗匹配良好。试制了小室样品,并对其阻抗、耐压性进行了试验验证,试验表明:小室最高耐压25 kV,驻波比保持在1.5之下,满足试验性能的要求。6.开展了电磁脉冲水稻纹枯菌杀灭试验,探讨了高压脉冲电场灭菌的原理。在高压脉冲电场的作用下,水稻纹枯菌的细胞膜被破坏,原生质团聚和流失造成死亡。试验表明:当脉冲幅值小于某一临界值,可以通过延长作用时间来加强灭菌效果;而脉冲幅值大于临界值,则灭菌效果的主要影响因素为脉冲幅值,延长灭菌时间的意义不大。通过本课题的研究,进一步完善电磁脉冲模拟的理论体系,为电容放电式电磁脉冲模拟器的设计及应用提供理论依据和技术支持,对改善电磁脉冲模拟器的性能,促进其在民用领域的应用具有重要的理论意义和实用价值。


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