[發(fā)明專利]脈沖電場(chǎng)處理食品用高壓脈沖電源

無(wú)效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 200910109993.5
• 申請(qǐng)日: 2009-11-04
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN102055362A
• 公開(kāi)（公告）日: 2011-05-11
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 張若兵;王黎明;關(guān)志成;賈志東;陳杰;莫孟斌
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)深圳研究生院
• 主分類號(hào): H02M7/48
• 分類號(hào): H02M7/48;A23L1/025
• 代理公司: 深圳市匯力通專利商標(biāo)代理有限公司 44257
• 代理人: 王鎖林;李保明

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于食品高壓脈沖電場(chǎng)非熱處理領(lǐng)域，提供了一種雙極性陡前沿方波高壓脈沖電源系統(tǒng)。

技術(shù)背景

利用高壓脈沖電場(chǎng)處理食品是一個(gè)跨食品工程和電氣工程兩門學(xué)科的課題，國(guó)外針對(duì)這個(gè)課題開(kāi)展的研究比較早，應(yīng)用也比較成熟，目前已有中小規(guī)模的商業(yè)化應(yīng)用。然而，國(guó)內(nèi)的研究開(kāi)展的比較晚，技術(shù)進(jìn)步也比較慢，其主要原因是高壓脈沖電源的研制技術(shù)困難。目前用于食品處理的高壓脈沖電場(chǎng)裝置按照脈沖電壓的波形劃分主要分為指數(shù)衰減波和方波，每種波形都有單極性和雙極性兩種形式。國(guó)外的研究表明，方波比指數(shù)衰減波的處理效果更好，而且雙極性波形比單極性波形可以更好減少電極腐蝕，防止處理食品受到污染。然而，方波電源的研制比指數(shù)衰減波困難，而雙極性比單極性對(duì)電源結(jié)構(gòu)的要求更加復(fù)雜。

雙極性方波電源的研制思路可以分為兩種。一種思路是先產(chǎn)生低壓脈沖，經(jīng)脈沖變壓器升壓后變成高壓脈沖；另外一種思路是，先產(chǎn)生高壓直流電源，然后經(jīng)由開(kāi)關(guān)器件產(chǎn)生高壓脈沖。由于高壓脈沖的電壓等級(jí)一般大于10kV，致使后一種實(shí)現(xiàn)雙極性方波的思路實(shí)現(xiàn)起來(lái)會(huì)對(duì)開(kāi)關(guān)器件造成很大的壓力。國(guó)外在這一思路上的研究比較先進(jìn)，比如美國(guó)的Diversified?Technology公司研制出能夠有效開(kāi)關(guān)150kV，70MW的IGBT模塊組，該模塊組采用16個(gè)IGBT串并聯(lián)。然而，國(guó)內(nèi)IGBT串并聯(lián)技術(shù)不成熟，無(wú)法開(kāi)發(fā)出適用于工業(yè)化生產(chǎn)的IGBT串并聯(lián)模塊組。對(duì)于前一種思路，國(guó)外的技術(shù)比較成熟，已經(jīng)有了中小型的工業(yè)化應(yīng)用裝置。這其中以美國(guó)俄亥俄州立大學(xué)的OSU系列為代表，這些裝置采用脈沖變壓器把低壓脈沖變換成高壓脈沖，以減少對(duì)IGBT控制開(kāi)關(guān)的壓力。在國(guó)內(nèi)，清華大學(xué)深圳研究生院率先開(kāi)發(fā)出陡前沿雙極性方波電源，輸出的電壓等級(jí)達(dá)到25kV以上。

對(duì)于經(jīng)由脈沖變壓器升壓的高壓脈沖電源，由于脈沖變壓器自身對(duì)負(fù)載要求匹配，在高壓脈沖電場(chǎng)處理食品時(shí)對(duì)食品電氣參數(shù)的要求非常嚴(yán)格。由于不同食品的電導(dǎo)率相差很大，致使脈沖變壓器的等效負(fù)載電阻能相差數(shù)十倍。等效負(fù)載電阻的變化會(huì)嚴(yán)重影響雙極性方波的波形，使得最終施加到食品上的電壓波形發(fā)生嚴(yán)重畸變。這給高壓脈沖電場(chǎng)處理食品的研究帶來(lái)誤差。因此，國(guó)外在開(kāi)發(fā)用于食品處理的雙極性方波高壓脈沖電源時(shí)，會(huì)首先明確處理食品的電導(dǎo)率等電氣參數(shù)。然而，對(duì)處理食品電導(dǎo)率等電氣參數(shù)的要求，限制了一套高壓脈沖電源的使用范圍，是制約高壓脈沖電場(chǎng)處理食品應(yīng)用的瓶頸。

對(duì)高壓脈沖電場(chǎng)處理食品的研究，主要集中在對(duì)微生物的滅活作用和對(duì)酶的鈍化作用。與此同時(shí)，國(guó)內(nèi)開(kāi)展了利用高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)酒類進(jìn)行催陳和對(duì)液態(tài)食品中的農(nóng)藥進(jìn)行降解的研究。這些對(duì)液態(tài)食品的處理基于電場(chǎng)促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)的原理，大大擴(kuò)寬了高壓脈沖電場(chǎng)在食品中的應(yīng)用領(lǐng)域。前期的研究表明，電壓波形的上升時(shí)間是反應(yīng)發(fā)生的一個(gè)重要參數(shù)。然而，由于脈沖變壓器設(shè)計(jì)制作原因，現(xiàn)有許多脈沖電源上升時(shí)間一般在uS數(shù)量級(jí)，很難達(dá)到nS數(shù)量級(jí)。對(duì)于大變比的脈沖變壓器，這種現(xiàn)象更為突出。

以往基于磁開(kāi)關(guān)的脈沖陡化和磁壓縮理論往往適用于指數(shù)衰減波，這主要是因?yàn)橹笖?shù)衰減波相對(duì)容易獲得，而針對(duì)方波的脈沖陡化理論及其實(shí)踐活動(dòng)并未見(jiàn)相關(guān)報(bào)道。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是克服已有技術(shù)的上述缺陷和應(yīng)用瓶頸，提供一種脈沖電場(chǎng)處理食品用雙極性方波高壓脈沖電源，以擴(kuò)大同一套高壓脈沖電源的應(yīng)用范圍，拓展高壓脈沖電場(chǎng)處理食品的應(yīng)用領(lǐng)域。

本發(fā)明提供的脈沖電場(chǎng)處理食品用高壓脈沖電源，包括一個(gè)低壓脈沖產(chǎn)生裝置和一個(gè)升壓的脈沖變壓器，其特征在于：所述低壓脈沖產(chǎn)生裝置是雙極性方波脈沖產(chǎn)生裝置，所述脈沖變壓器的次級(jí)繞組連接陡化電路，用于陡化脈沖變壓器輸出的高壓雙極性方波脈沖的上升沿，該陡化電路包括與脈沖變壓器的次級(jí)繞組并聯(lián)的補(bǔ)償脈沖電容器組、以及與該次級(jí)繞組串聯(lián)的磁開(kāi)關(guān)組。低壓脈沖產(chǎn)生裝置產(chǎn)生低壓雙極性方波脈沖，經(jīng)過(guò)脈沖變壓器升壓后，形成高壓雙極性方波脈沖，再經(jīng)過(guò)由脈沖補(bǔ)償電容組和磁開(kāi)關(guān)組組成的陡化電路后，形成陡前沿的高壓雙極性方波脈沖。

其中，低壓脈沖產(chǎn)生裝置可以采用以下結(jié)構(gòu)，包括：

一個(gè)儲(chǔ)能電容器及接于其兩端的一個(gè)直流充電電源；

脈沖變壓器的兩個(gè)相位相反的初級(jí)繞組，它們分別與儲(chǔ)能電容器串聯(lián)，構(gòu)成儲(chǔ)能電容器的兩個(gè)放電回路；

兩個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)，分別設(shè)在儲(chǔ)能電容器的兩個(gè)放電回路中；以及，

一個(gè)控制器，與所述兩個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)的控制極連接，控制兩個(gè)電力電子開(kāi)關(guān)交替導(dǎo)通，以控制所述兩個(gè)放電回路交替給儲(chǔ)能電容器放電，從而通過(guò)所述兩個(gè)初級(jí)繞組向脈沖變壓器輸入低壓雙極性方波脈沖。

低壓脈沖產(chǎn)生裝置也可以采用以下結(jié)構(gòu)，包括：