[发明专利]一种用于液态食品灭菌的高压方波脉冲电源

说明书

技术领域

本发明属于高电压技术和生物工程、农产品加工技术领域，涉及一种用于液态食品灭菌的高压方波脉冲电源。

背景技术

为了弥补传统热灭菌方法的不足，满足人们对食品色、香、味及营养成分的需求，一些对食品介质温度并不升高或升高很小，并且可以迅速而有效地杀灭存在于食品中有害微生物和节省能源的非热灭菌技术应运而生，并越来越受到更多的关注。自20世纪80年代以来，国外对非热灭菌技术在食品工业中的应用研究进入高潮，其中包括超高压灭菌、膜分离技术、高压脉冲电场灭菌、震荡脉冲磁场、紫外线灭菌、辐照灭菌、感应电子灭菌、臭氧灭菌、高密度二氧化碳灭菌、生物酶灭菌等技术的研究。

高压脉冲电场作为一种新兴的物理灭菌技术，脉冲电场的优良特性决定了它是一种与以往灭菌方法不同的全新技术，主要特点为灭菌效果好、灭菌时间短、灭菌温度低、能耗低、污染小。但目前的装置结构复杂，灭菌装置造价高。由于器件的原因，目前主要难点是高压方波的产生。指数衰减的高压尖脉冲容易实现，但不能兼顾介质击穿、细胞膜击穿和能量最小的非热效应；而得到容许负载参数宽范围可变、脉冲前沿在亚微秒级、十几kV、数十kW的方波脉冲源在技术上难度较大，距离工业化还有一段距离。

适用于液态食品处理系统的PEF系统脉冲电源需要具有陡峭的上升沿、下降沿和相对稳定的脉冲平顶，且频率高、可控性好。从这些要求可知，要形成良好的高压方波脉冲，系统中的开关器件必须有快速的开启和关断能力，能承受较高的电压和较大的电流，且控制方便。综合这些因素，只有大功率的电力电子器件能够满足系统的要求，但目前大功率电力电子器件的单管耐压仅为千伏级，远小于PEF食品处理技术中需求的电压，同时高压的电子器件在负载放电过程中很难控制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种用于液态食品灭菌的高压方波脉冲电源，解决现有的高压灭菌电源造价高，技术难度大的问题。本发明利用大功率电力电子开关器件IGBT配合高精度高压脉冲变压器的技术路线，通过脉冲变压器将电力电子器件的耐压问题转化为耐流问题，扩大脉冲电源功率并将其应用在连续式处理室中。

本发明的技术方案是：整个系统主要由工频升压单元、整流滤波单元、开关器件IGBT、方波脉冲变压器、控制保护单元和去磁单元组成。220V工频电压经过升压单元连接到整流滤波单元，通过IGBT的导通和关断输入到方波脉冲变压器，负载上得到脉冲高压；控制保护单元与IGBT相连。也可以采取增加去磁单元(6)与方波脉冲变压器(4)相连，从而得到较高质量的脉冲方波参数。

用功率电力电子器件成型低压方波脉冲；通过大功率高精度高变比脉冲变压器升压产生高压方波；通过施加去磁磁场解决单极性磁场的畸变；通过控制保护单元用来判断开关器件过流、负载短路，可靠保护功率器件。

本发明的有益效果是得到容许负载参数宽范围可变、脉冲前沿在亚微秒级、十几kV、数十kW的方波脉冲源；大大降低成本，并可兼顾介质强度、细胞膜击穿和能量最小的非热效应；由于液态食品作为负载，不可避免在设备中存在放电和干扰，本发明可实现设备的自身保护。

附图说明

图1是本发明的电路拓扑图。

图2是控制板短路和过流保护过程示意图，表示当电路中发生短路时控制板保护动作的过程。

图中：1升压单元；2整流滤波单元；3IGBT；4方波脉冲变压器；5控制保护单元；6去磁单元；7负载。

具体实施方式

下面结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。

如图1所示，整个系统由升压单元1、整流滤波单元2、开关器件3、方波脉冲变压器4、控制保护单元5和去磁单元6组成，被处理的液态食品为负载7。1脉冲电源的工作方式：

首先，将220V交流电经过普通工频变压器1一次升压，整流滤波2变为一定数值的直流电压存贮在电容器中；然后，选用具有大电流、高耐压，高速关断特性的两个大功率绝缘栅双极晶体管IGBT3作为并联开关器件，通过控制器5控制IGBT3的通断，给脉冲变压器4原边一系列脉宽为5～20μs的脉冲低压，脉冲变压器变比为1∶20；最后，对IGBT3输出的脉冲波形进行升压和去磁补偿6，使加在负载处理室7上的脉冲电压最高可达10000V以上。

2系统的控制：