CN106253256B - 一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路 - Google Patents

一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路。本发明包括基本吸弧电路和主动消弧电路；基本吸弧电路中，电阻和电感串入高压脉冲电场发生器母线主回路，同时在电感上反向并联二极管；主动消弧电路中，电子开关与食品处理室并联，光电耦合器和限流电阻组成晶闸管驱动电路，控制器通过电流互感器实时检测母线电流大小，当电流超过安全阈值时导通电子开关以分流食品处理室电流。本发明能有效消除高压脉冲电场灭菌过程中由于气泡击穿引起的火花放电，避免产生电弧使装置发生短路损坏，从而提高高压脉冲发生器以及食品处理室的使用寿命和安全性能。

Description

一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路
技术领域
本发明涉及一种击穿消弧电路，特别涉及了一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路。
背景技术
作为一种新型的非热加工技术，高压脉冲电场(PEF)技术以其温升低、效率高、能保持食品风味等优势成为近年来食品加工工业研究热点，尤其是应用于牛奶、果汁、黄酒等液态食品的杀菌上。高压脉冲电场灭菌的基本原理是在食品处理室电极之间产生数千伏的瞬时高压脉冲，使微生物细胞膜在强电场的作用下发生穿孔、撕裂、崩解从而杀死细菌等微生物。
目前，高压脉冲电场技术被广泛应用于液态食品的灭菌处理，例如果汁、鸡蛋酒等。在利用高压脉冲电场对液态食品处理过程中，施加在液态食品上一部分能量会不可避免地换转成欧姆热，从而使液态食品温度上升而产生气泡。当处理室电极之间产生尺寸足够大的气泡时，在数千伏高电压的作用下容易使气体发生击穿，引起火花放电，使处理室的正负电极发生局部短路甚至完全短路，击穿瞬间产生巨大的冲击电流会导致高压脉冲电源损坏，同时产生的冲击波会对处理室造成机械损伤。处理过程中因气泡击穿而引发火花放电是该技术目前无法实现规模工业化主要障碍之一。
现有的高压脉冲电场灭菌击穿保护措施中，主要的保护形式是在主回路中串联阻值较大的电阻(如附图1所示)，起到吸收电弧电量和限流的作用，从而在一定程度上避免气泡击穿时火花放电和大电流损坏脉冲电源。但是由于电阻本身吸弧能力差，该方法不能完全解决气泡击穿和火花放电问题，而且大电阻吸收能量后发热严重，能量损耗较大。
在利用高压脉冲电场对处理室内的液态食品进行灭菌时，处理室内产生的气泡很容易在高电压的作用下被击穿，严重时发生火花放电和打火，使处理室内正负电极完全短路。在现有技术中缺少一种能有效避免高压脉冲电场灭菌过程中气泡击穿引发火花放电的装置。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路。
本发明能够在气泡发生火花放电前作用，装置中的吸弧元件电阻和电感快速吸收拉弧电量，抑制电流瞬态变化，降低火花放电发生概率；同时装置中的主动消弧电路通过电流互感器实时检测主回路电流大小，当电流超过安全阈值时，控制器驱动电子开关闭合，将食品处理室电流分流到电子开关与电阻支路，使食品处理室的电流瞬间减小到安全电流，从而有效避免处理室在气泡击穿时发生火花放电和打火，防止高压脉冲发生器和处理室损坏，增加设备安全特性。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明包括电源、电容、高压开关、基本吸弧电路和主动消弧电路；高压开关、基本吸弧电路和主动消弧电路依次串联后和电容一起并联在电源两端。
所述的基本吸弧电路主要由吸弧电阻、二极管和电感组成，吸弧电阻和电感串联，二极管和电感反向并联，构成吸弧电路，串联在高压脉冲灭菌系统的主回路中，一端与高压开关相连，另一端与食品处理室负载相连。
所述的主动消弧电路主要由电流互感器、电子开关、光电耦合器、限流电阻、下拉电阻和控制器组成，电子开关与限流电阻串联后并联在食品处理室两端，光电耦合器信号输出的一端经下拉电阻下拉电位并连接到电子开关的控制端，光电耦合器信号输出的另一端接12V电源，光电耦合器的信号输入端通过同轴电缆连接至控制器，驱动信号通过光电耦合器从控制器传递至电子开关的控制端；电流互感器套装在主回路母线上，其信号输出端通过同轴电缆连接至控制器。
所述电流互感器串联连接在食品处理室和基本吸弧电路之间。
所述吸弧电阻采用无感电阻，所述电感采用高压电感，所述二极管采用快速恢复二极管。
所述电流互感器采用母线式电流互感器，直接套装在母线上。
所述电子开关采用双向可控硅或晶闸管，其两端的最大电压小于其耐压值。
所述光电耦合器采用高速光耦，其具体型号为6N137。
所述控制器采用DSP或FPGA，能根据电流信号快速响应。
本发明通过基本吸弧电路中的高压电感和无感电阻起到的吸收拉弧电量作用，减小两电极之间通过的电荷量；同时主动灭弧电路实时检测回路母线中的电流，当电流超过安全阈值时，控制器驱动电子开关闭合，将食品处理室电流分流到电子开关与电阻支路，使食品处理室的电流瞬间减小到安全电流，有效消除高压脉冲电场灭菌过程中由于处理室气泡击穿引起的火花放电，避免产生电弧使装置发生短路损坏，从而提高高压脉冲发生器以及食品处理室的使用寿命和安全性能。
本发明具有的有益效果是：
1.能有效避免高压脉冲电场处理过程中液态食品中气泡击穿导致电流过大而损坏设备，增加使用寿命和安全性；
2.能有效避免高压脉冲电场处理过程中液态食品中气泡击穿导致的冲击波对食品处理室造成机械损伤；
3.该消弧电路组成简单，可快速插拔维护，可模块化，特别适合量产，且不承受过电流和过电压的影响；
4.抗电磁脉冲干扰能力强，工作性能稳定。
附图说明
图1是传统电路原理图。
图2是本发明电路原理图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步的描述。
如图2所示，本发明包括电源1、电容2和高压开关3，基础上增加了基本吸弧电路A和主动消弧电路B，该两部分电路串联在主电路中，高压开关3、基本吸弧电路A和主动消弧电路B依次串联后和电容2一起并联在电源1两端。
如图2所示，基本吸弧电路A主要由吸弧电阻4、二极管5和电感6组成，吸弧电阻4和电感6串联，二极管5和电感6反向并联，构成吸弧电路，串联在高压脉冲灭菌系统的主回路中，一端与高压开关相连，另一端与食品处理室负载相连。
如图2所示，主动消弧电路B主要由电流互感器7、电子开关8、光电耦合器9、限流电阻10、下拉电阻11和控制器13组成，电子开关8与限流电阻10串联后并联在食品处理室12两端，光电耦合器9信号输出的一端经下拉电阻11下拉电位并连接到电子开关8的控制端，光电耦合器9信号输出的另一端接12V电源，光电耦合器9的信号输入端通过同轴电缆连接至控制器13，驱动信号通过光电耦合器9从控制器13传递至电子开关8的控制端；电流互感器7串联连接在食品处理室12和基本吸弧电路A之间，其信号输出端通过同轴电缆连接至控制器13。
本发明电路击穿消弧的工作过程如下：
在高压脉冲发生器对液态食品灭菌的过程中，由于欧姆热使液态食品受热产生气泡。当尺寸较大气泡经过处理室电极中间时，在数千伏高电压的作用下存在发生气体击穿的危险。气体发生火花放电前一时刻产生的拉弧电量被基本吸弧电路中的电阻吸收一部分，转换为热能释放，延缓了火花放电的发生，同时电阻的限流作用也减小了火花放电发生的几率；但电阻在短时间内不足以完全将拉弧电量消耗，在火花放电发生前，基本吸弧电路中的电感进一步在短时间内吸收高频尖峰(高频脉冲)拉弧电量，有效抑制电流变化率，避免处理室电极间火花放电的发生。在系统施加高压脉冲工作过程中，电感不断充电放电，反向并联的二极管为充电后的电感起到续流作用，提供放电回路，使系统持续工作；另外，主动消弧电路通过电流互感器实时检测主回路电流大小，当电流超过安全阈值时，控制器驱动电子开关闭合将母线部分总电流分流到电子开关和电阻支路，瞬间使食品处理室的电流减小到安全电流，有效避免食品处理室气泡进一步放电。
由此可见，本发明能够在处理室气泡发生火花放电前作用，装置中的吸弧元件电阻和电感快速吸收拉弧电量，抑制电流瞬态变化，降低火花放电发生概率；同时主动灭弧电路实时检测回路母线中的电流，当电流超过安全阈值时，控制器驱动电子开关闭合，将食品处理室电流分流到电子开关与电阻支路，使食品处理室的电流瞬间减小到安全电流，从而有效避免处理室在气泡击穿时发生火花放电和打火，防止高压脉冲发生器和处理室损坏，增加设备安全特性。

Claims (6)

1.一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路，其特征在于：包括电源(1)、电容(2)、高压开关(3)、基本吸弧电路(A)和主动消弧电路(B)；高压开关(3)、基本吸弧电路(A)和主动消弧电路(B)依次串联后和电容(2)一起并联在电源(1)两端；
所述的基本吸弧电路(A)主要由吸弧电阻(4)、二极管(5)和电感(6)组成，吸弧电阻(4)和电感(6)串联，二极管(5)和电感(6)反向并联，构成吸弧电路，串联在高压脉冲灭菌系统的主回路中；
所述的主动消弧电路(B)主要由电流互感器(7)、电子开关(8)、光电耦合器(9)、限流电阻(10)、下拉电阻(11)和控制器(13)组成，电子开关(8)与限流电阻(10)串联后并联在食品处理室(12)两端，光电耦合器(9)信号输出的一端经下拉电阻(11)下拉电位并连接到电子开关(8)的控制端，光电耦合器(9)信号输出的另一端接12V电源，光电耦合器(9)的信号输入端通过同轴电缆连接至控制器(13)，驱动信号通过光电耦合器(9)从控制器(13)传递至电子开关(8)的控制端；电流互感器(7)套装在主回路母线上，其信号输出端通过同轴电缆连接至控制器(13)；控制器通过电流互感器实时检测主电路电流大小，当电流超过安全阈值时导通电子开关分流食品处理室电流。
2.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路，其特征在于：所述电流互感器(7)串联连接在食品处理室(12)和基本吸弧电路(A)之间。
3.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路，其特征在于：所述吸弧电阻(4)采用无感电阻，所述电感(6)采用高压电感，所述二极管(5)采用快速恢复二极管。
4.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路，其特征在于：所述电流互感器(7)采用母线式电流互感器。
5.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路，其特征在于：所述电子开关(8)采用双向可控硅或晶闸管。
6.根据权利要求1所述的一种高压脉冲电场液态食品灭菌的处理室击穿消弧电路，其特征在于：所述光电耦合器(9)采用高速光耦。
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