CN106134055A - 用于向电子束发射器供给高电压的电力系统 - Google Patents

用于向电子束发射器供给高电压的电力系统 Download PDF

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Abstract

用于向电子束发射器(80)供给高电压的电力系统，所述电子束发射器(80)适于通过电子束照射将包装容器或包装材料灭菌，所述电力系统(10)包括用于产生高电压的电压倍增器(24)，用于测量电压倍增器(24)的输出电压电平(60)并提供第一测得的电压值(62)的第一电压测量装置(32)，和用于基于由第一电压测量装置(32)所提供的第一测得的电压值(62)改变电压倍增器(24)的输出电压电平(60)的激励器，其特征在于，电力系统(10)还包括适于独立地测量电压倍增器(24)的输出电压电平(60)并提供第二测得的电压值(64)的第二电压测量装置(34)。

Description

用于向电子束发射器供给高电压的电力系统
技术领域
本发明涉及一种用于向电子束发射器供给高电压的电力系统，所述电子束发射器适于通过电子束照射将包装容器或包装材料灭菌。
背景技术
在包装容器中包装包括液体制品和部分液体制品的食品和药物是通常的作法。这样的包装容器例如可以由幅带状包装材料制成。该包装材料可以是层合材料，其包括至少一个纸或纸板层和一个或多个阻挡层，例如铝箔和/或聚合物材料，例如聚乙烯层。
特别是在医疗和食品工业中，包装容器被灭菌，然后才用产品灌装。因此，可存在于包装容器的表面上的如细菌、真菌、病毒和孢子之类的微生物被消除。
对包装容器灭菌的已知方法是通过借助电荷载流子的辐射，特别是电子束的辐射进行。例如，存在可被降低到包装容器中以对包装容器的内部灭菌的电子束发射器。而且，还存在用于对包装容器的外表面灭菌的电子束发射器。此外，也存在用于对包装材料的幅材灭菌的电子束发射器，该幅材材料将在灭菌后形成包装。
为了操作电子束发射器，有必要提供约70kV或80kV至150kV的量级的高电压。高电压用于加速电子从电子束发射器内的电子发生器(灯丝)朝向形成电子束发射器的壳体的一部分的电子出射窗。
电子束发射器产生不期望的有害的射线，特别是X射线，因此需要发射器的屏蔽。由电子束发射器产生的辐射量取决于施加到发射器的能量，尤其是用于加速电子的电压。
通常，电子束发射器在屏蔽环境(诸如屏蔽的灭菌室)中操作。辐射屏蔽件适于确保该屏蔽环境之外的辐射安全地保持在低于允许值。为安全起见，屏件蔽的尺寸必须考虑到电力系统或电子束发射器的故障。例如，必须考虑到高电压的设定值可能被显著超过，从而产生比正常操作期间的辐射更高的辐射。辐射屏蔽件的这个安全余量增加了电子束发射器的成本和重量。
发明内容
本发明的一个目的是提供用于向电子束发射器供给高电压的电力系统，它允许电子束发射器以符合成本效益的方式被屏蔽。
该目的根据本发明利用根据权利要求1所述的电力系统来实现。本发明的优选实施方式在从属权利要求中定义并在下面的描述中被进一步描述，特别是结合附图一起进行描述。
根据本发明的动力系统包括：用于产生高电压的电压倍增器，用于测量所述电压倍增器的输出电压电平并提供第一测得的电压值的测量装置，以及用于基于由所述第一电压测量装置所提供的第一测得的电压值改变所述电压倍增器的所述输出电压电平的激励器。所述电力系统还包括适于独立地测量所述电压倍增器的所述输出电压电平并提供第二测得的电压值的第二电压测量装置。
本发明是基于以下发现：在可以确保由电子束发射器产生的辐射安全地保持在给定的强度以下的情况下屏蔽件的尺寸可以被缩小。这可以通过提供高可靠性的系统来实现，该系统使得施加到电子束发射器的电压不超过所给定的阈值。因此，本发明的基本构思是提供用于给电子束发射器供电(即，供给高电压至电子束发射器)的电力装置，所述电力装置具有特别高的可靠性，使得所供给的电压电平安全地保持在低于预定阈值。
为了安全地确定电压倍增器的输出电压电平，电力系统包括独立地测量电压倍增器的输出电压电平的至少两个单独的电压测量装置。因此，如果电压测量装置中的一个发生故障或失灵，那么电压倍增器的输出电压电平仍然可以被其他电压测量装置来确定。用额外的电压测量装置可进一步提高电压测量的可靠性。因此，可以提供甚至三个或更多个单独的电压测量装置。
电压倍增器在本领域中通常是已知的并且典型地将AC电功率(例如230V AC)转换为较高的DC电压。在目前的情况下，用于给电子束发射器供电的电压倍增器提供约70kV DC至约150kV DC的输出电压，尤其是80kV DC至110kV DC的输出电压。所述电压倍增器包括输出变压器和具有电力电子器件(例如二极管和电容器)的电压倍增器电路。
独立的电压测量装置适于测量电压电平，并且通常包括多个电阻器，尤其是高压电阻器，并且可包括电容器。用于测量高电压的测量原理在本领域中是已知的，因此将不作进一步说明。
用于改变输出电压电平的激励器可以包括在电压倍增器的上游或被提供到电压倍增器内的电力电子装置，诸如逆变器。例如，通过改变在激励器中的逆变器的占空因数，可以改变电压倍增器的输入，从而间接改变电压倍增器的输出电压。在这种情况下，在激励器中的逆变器的输出形成电压倍增器的输入。换句话说，激励器可以适于通过改变电压倍增器的输入(电压和/或电流)来改变电压倍增器的输出电压电平。激励器本身也可以被构造为使电压倍增。
在本发明的实施方式中，所述电力系统包括适于在预定的测量条件被满足的情况下提供关断信号的评估单元，其中，所述评估单元使用由第一电压测量装置所提供的第一测得的电压值和由第二电压测量装置提供的第二测得的电压值作为输入值。所述评估单元判定是否存在输出电压电平超过阈值这样的风险，如果判定存在这样的风险，则发送导致电力系统(尤其是电压倍增器)的关断的关断信号。测量条件是与电压测量装置的测得的电压值相关的预定条件。必须考虑到，有可能是在电压测量装置中的一个电压测量装置的故障使得所测量的电压值不等于所述电压倍增器的输出电压电平。测量条件被设定为将即使输出电压电平超过预定阈值时电压倍增器也没有关闭的风险尽可能地降到最低。用于产生关断信号的阈值可以是在80kV至85kV的范围内。
在一个实施方式中，电力系统包括适于基于由评估单元所提供的关断信号关断供给电压倍增器的电力的安全关断单元。关断单元例如可以是断开(关闭，关断)电力系统的主电源的开关。
为了提供特别可靠的系统，评估单元优选地适于在电压测量装置中的至少一个的测得的电压值超过预定的阈值的情况下产生关断信号。因此，例如，如果测量装置中的一个工作不正常并提供过低的测得的电压值时，电力系统仍然由于测量电压值超出其它电压装置的阈值而被安全地断开。
在本发明的一个实施方式中，评估单元适于在电压测量装置的测得的电压值之间的差超过预定的阈值的情况下产生关断信号。在第一和第二电压测量装置的测得的电压值之间的大的差是电压测量装置中的至少一个不正确操作的指示。因此，在这种情况下，电力系统被断开。
在另一个优选的实施方式中，评估单元包括适于单独地确定关断状态的至少两个单独的评估装置。通过这一点，可以提高关断条件的判定的可靠性。
在本发明的另一个实施方式中，第一评估装置使用由第一电压测量装置提供的第一测得的电压值作为输入值，而第二评估装置使用由所述第二电压测量装置提供的第二测得的电压值作为输入值。例如，第一评估装置可操作地连接到第一电压测量装置，而第二评估装置可操作地连接到第二电压测量装置。第一评估装置接收来自第一电压测量装置的第一测得的电压值，而第二评估装置接收来自所述第二电压测量装置的第二测得的电压值。如果所接收的测得的电压值超过预定阈值，则相应的评估装置确定关断状态，并产生关断信号。此外，评估装置中的每个可适于检查其他评估装置，由于它接收其他评估装置的测得的电压值(由电压测量装置提供的)。如果评估装置中的一个确定电压测量装置的测得的电压值之间的差超过预定阈值，则它判定关断状态，并产生关断信号。
根据本发明的另一个实施方式，提供至少两个关断开关，它们分别可响应于由评估单元所提供的关断信号来操作，其中，在关断开关中的至少一个被断开时供给到电压倍增器的电力被断开。因此，如果一个关断开关未正确操作，则电压倍增器仍然由其它关断开关中的一个或多个来关断。
电力系统可以包括闭环控制电路，所述闭环控制电路包括电压测量装置中的至少一个，所述闭环控制电路适于控制所述电压倍增器的输出电压电平。因此相应的电压测量装置具有双重功能：首先，其测得的电压值被用作闭环控制电路中的反馈值，以便调整该电压倍增器的输出电压电平。其次，该测得的电压值被提供给评估单元，以用于确定该测得的电压值是否超过阈值，需要关断电力系统特别是电压倍增器。
为了避免常见原因的故障，优选该至少两个单独的电压测量装置被不同地构造，即以不同的方式构造。换句话说，使用两个不同的电压测量装置(包括不同的组件和/或不同测量原理)。例如，电压测量装置可以具有不同类型的电阻器。
附图说明
在下面，将进一步结合附图描述本发明，其中：
图1：示出了根据本发明的安全系统的框图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的电力系统10的示范性实施方式。电力系统10被电连接到可提供230伏交流电(AC)的输电干线54。与输电干线54的电连接可以通过包括一个或多个关断开关14的安全关断装置12来中断。输电干线提供输入电压56给激励器22。激励器22将输入电压56转换成通常高于输入电压56的中间电压58。激励器22包括逆变器、过滤器和输入整流器或功率因数单元。它包括诸如IGBT(绝缘栅双极晶体管)、MOSFETS(金属氧化物半导体场效应晶体管)、二极管和电容器之类的电力电子设备。在一个实施方式中，激励器22包括：功率因数控制单元，其用于将输入电压56转换为直流(DC)，例如约360伏的直流；和功率因数控制单元下游的逆变器。逆变器可以再次将直流转换成交流(AC)，例如在约几百伏(中间电压58)。
中间电压58被提供给电压倍增器24，电压倍增器24将中间电压58转换为输出电压电平60，例如约80kV DC。电压倍增器24包括输出变压器和电压倍增器电路。输出电压被提供到用于产生用于将物体(例如包装容器)灭菌的电子束的电子束发射器80。用于将物体灭菌的电子束发射器80在本领域中是已知的，因此将不作进一步说明。
电力系统10包括用于控制电压倍增器24的输出电压电平60的控制电路20。控制电路20包括适于测量输出电压电平60的第一电压测量装置32。第一电压测量装置32产生测量值，它是第一电压测量值62。第一电压测量值62作为反馈电压值66被提供给控制器46。控制器46产生被提供给激励器22的控制值70。激励器22中的逆变器基于控制值70调节电压倍增器24的输入，即中间电压58。
控制器46接收来自控制单元48的设定值68。控制单元48(微处理器)可以包括用于输入设定值的输入装置，如现场总线或串行链路。控制器46还可以提供信息至控制单元48。例如，第一测得的电压值62可以被提供给控制单元48。控制电路20被配置为将输出电压电平60保持在设定值68或设定成设定值68。
第一测得的电压值62也被提供给用于评估电压倍增器24的电力是否应该被关断的评估单元40。评估单元40包括第一评估装置42，其中所述第一测得的电压值62被提供给第一评估装置42。第一评估装置42确定第一测得的电压值62是否超过预定阈值，并且既然是这样的话，产生关断信号72，关断信号72使安全关断装置12断开，以便电压倍增器24从输电干线54断开。
输出电压电平60也通过第二电压测量装置34测量，第二电压测量装置34与第一电压测量装置32结合，形成电压测量单元30。第二电压测量装置34产生被提供给评估单元40的第二评估装置44的第二测得的电压值64。第二评估装置44评估第二测得的电压值64是否超过预定的阈值，并且既然是这样的话，提供关断信号74给安全关断装置。然后关断开关14被断开，使得电压倍增器24从输电干线54断开。
第一评估装置42和第二评估装置44具有互连链接65，该评估装置42、44通过互连链接65彼此通信。例如，装置42、44中的每个可以提供测得的电压值62、64到相应的其他装置中。评估单元40优选适于在施用以下条件中的至少一种的情况下产生关断信号72、74：
1.测得的电压值62、64超过预定阈值，或
2.第一测得的电压值62和第二测得的电压值64之间的差超过预定阈值。
在一个实施方式中，第一和第二评估装置42、44适于根据上述条件单独产生关断信号72、74。
在本发明的一个实施方式中，电力系统10的元件，特别是控制电路20，额外的第二电压测量装置34和评估装置40，被布置在共同的壳体中。该壳体优选适于耦接到电子束发射器80。电力系统10和电子束发射器80可以被重新布置在可移动转盘上，以用于将与转盘同时移动的包装容器灭菌。
安全关断装置12可以包括串联布置的多个关断开关14。关断信号72、74可以适于同时打开串联布置的多个关断开关14。因此，如果关断开关之一被断开，则电压倍增器24的电力被中断。
对于第一测得的电压值62和第二测得的电压值64之间的差的阈值可在2kV至5kV的范围中。例如，如果第一测得的电压值62和第二测得的电压值64之间的差大于3kV，则可以产生关断信号72、74。安全关断装置12可集成在电力系统10的壳体中。替代地，安全关断装置12也可以是远离电力系统10的壳体的单独的安全系统。一旦安全关断装置12关断时，优选的是所述错误状态被维持直到电压倍增器24被关断和开启。该错误状态(即，关断状态)作为第一报告值76和第二报告值78传送到控制单元48。
本发明提供用于提供高电压给电子束发射器80的电力系统10的输出电压电平60的冗余测量，从而最大限度地减少电力系统10产生超过预定阈值的电压电平的风险。因此，根据本发明的电力系统10是特别安全的。通过使用不同的电压测量装置32、34，避免常见原因的故障。此外，用于评估电压倍增器24的电力是否应该被中断的评估装置42、44可以相互控制，使得高电压可以以很安全的方式进行监控。
附图标号：
10 电力系统
12 关断装置
14 关断开关
20 控制电路
22 激励器
24 电压倍增器
30 电压测量单元
32 第一电压测量装置
34 第二电压测量装置
40 评估单元
42 第一评估装置
44 第二评估装置
46 控制器
48 控制单元
54 输电干线
56 输入电压
58 中间电压
60 输出电压电平
62 第一测得的电压值
64 第二测得的电压值
65 互连链接
66 反馈电压值
68 设定值
70 控制值
72 关断信号
74 关断信号
76 报告值
78 报告值
80 电子束发射器

Claims (10)

1.用于向电子束发射器(80)供给高电压的电力系统，所述电子束发射器(80)适于通过电子束照射将包装容器或包装材料灭菌，所述电力系统(10)包括：
电压倍增器(24)，其用于产生高电压，
第一电压测量装置(32)，其用于测量所述电压倍增器(24)的输出电压电平(60)并提供第一测得的电压值(62)，以及
激励器，其用于基于由所述第一电压测量装置(32)所提供的所述第一测得的电压值(62)改变所述电压倍增器(24)的所述输出电压电平(60)，
其特征在于，
所述电力系统(10)还包括第二电压测量装置(34)，其适于独立地测量所述电压倍增器(24)的输出电压电平(60)并提供第二测得的电压值(64)。
2.根据权利要求1所述的电力系统，其特征在于，
所述电力系统(10)包括适于在预定的测量条件被满足时提供关断信号(72，74)的评估单元(40)，
其中，所述评估单元(40)使用由所述第一电压测量装置(32)提供的所述第一测得的电压值(62)和由所述第二电压测量装置(34)提供的所述第二测得的电压值(64)作为输入值。
3.根据权利要求2所述的电力系统，其特征在于，
所述电力系统(10)包括适于基于由所述评估单元(40)提供的所述关断信号(72，74)将所述电压倍增器(24)的电力关断的安全关断单元(12)。
4.根据权利要求2或3所述的电力系统，其特征在于，
所述评估单元(40)适于在所述电压测量装置(32，34)中的至少一个的所述测得的电压值(62,64)超过预定阈值时产生关断信号(72，74)。
5.根据权利要求2–4中的任一项所述的电力系统，其特征在于，
所述评估单元(40)适于在所述电压测量装置(32，34)的所述测得的电压值(62，64)之间的差超过预定阈值时产生关断信号(72，74)。
6.根据权利要求2–5中的任一项所述的电力系统，其特征在于，
所述评估单元(40)包括适于单独地判定关断状态的至少两个单独的评估装置(42，44)。
7.根据权利要求6所述的电力系统，其特征在于，
第一评估装置(42)使用由所述第一电压测量装置(32)提供的所述第一测得的电压值(62)作为输入值，以及
第二评估装置(44)使用由所述第二电压测量装置(34)提供的所述第二测得的电压值(64)作为输入值。
8.根据权利要求2–7中的任一项所述的电力系统，其特征在于，
提供至少两个关断开关(14)，每个关断开关(14)能响应于由所述评估单元(40)提供的所述关断信号(72，74)操作，其中当所述关断开关(14)中的至少一个被断开时向所述电压倍增器(24)供给的所述电力被关断。
9.根据权利要求1–8中的任一项所述的电力系统，其特征在于，
所述电力系统(10)包括闭环控制电路(20)，所述闭环控制电路(20)包括所述电压测量装置(32，34)中的至少一个，所述闭环控制电路(20)适于控制所述电压倍增器(24)的所述输出电压电平(60)。
10.根据权利要求1–9中的任一项所述的电力系统，其特征在于，所述至少两个单独的电压测量装置(32，34)被不同地构造。
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