CN112425709A - 一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置，属于变频器电源电路技术领域。本发明的一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置，外壳内前部设置有变频器、第一级电感、电动调压器、交流接触器和固态继电器，外壳后部设置有变压器，体积较大的变压器设置在外壳的内侧，体积较小的变频器、第一级电感、电动调压器、第二级电感、交流接触器和固态继电器位于外壳的外侧，便于安装和拆卸，也便于观察各结构的工作情况；变频器外接第一级电感，使得输出电压可控，调制波中的谐波分量抑制，频谱扩展，使得进入调压模块的谐波电流稳定。

Description

一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置

技术领域

本发明涉及变频器电源电路技术领域，更具体地说，涉及一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置。

背景技术

等离子体是物质存在的第四种状态。它由电离的导电气体组成，其中包括六种典型的粒子，即电子、正离子、负离子、激发态的原子或分子、基态的原子或分子以及光子。

低温等离子体空间富集的离子、电子、激发态原子、分子及自由基均为活性粒子，易于和材料表面发生反应。因而在灭菌、表面改性、薄膜沉积、刻蚀加工、器件清洗等领域得到广泛应用。

高压电场低温等离子体冷杀菌是目前国际上一种新型的食品冷杀菌技术，2009年由美国普渡大学发起研究，通过激发食品周围介质气体产生光电子、离子、活性自由基团等与微生物表面接触导致其细胞破坏而达到杀菌效果。2012年美国农业部(QSARU,USDA–ARS)开始研究开发介质阻挡放电低温等离子体冷杀菌试验装置，研究生鲜鸡肉等冷杀菌保鲜效能特性，在生鲜肉等生鲜食品中取得良好杀菌效果。近3年，日本、韩国等也开始研究低温等离子体冷杀菌技术。但目前国际关于高压电场低温等离子体食品上冷杀菌研究还局限在杀菌效能特性及机理的实验室研究阶段。

等离子体灭菌技术是新一代的高科技灭菌技术，它能克服现有灭菌方法的一些局限性和不足之处，提高消毒灭菌效果。

与目前广泛采用的热杀菌技术比较，低温等离子体冷杀菌技术是食品冷杀菌保鲜包装技术的重要突破。对包装产品杀菌处理不会产生二次污染；等离子体来源于包装内部气体，不会产生化学残留，安全性高；尽管使用的电压非常高，但电流微小、杀菌过程很短不会产生热量，且能耗很低、操作简便等。因此，高压电场低温等离子体冷杀菌作为一种新的冷杀菌方式，特别适用于对热敏感食品(如生鲜畜禽鱼类肉制品及调理产品、新鲜果蔬及鲜切菜等)冷杀菌。

生鲜调理食品市场消费所占比例越来越大，其货架期短导致浪费严重；传统商业杀菌技术对生鲜产品风味颜色、感官品质等有较大影响，高压电场低温等离子体冷杀菌作为一种国际新兴的非热杀菌技术，具备的高效自动化、冷杀菌无残留、低碳绿色等优势。

本技术还可应用到生产流水线上对产品进行消毒灭菌处理。低温等离子体包含带电粒子、高能电子以及电中性的活性粒子，如自由基、激发态原子和分子等。等离子体由高电压放电产生，伴随着复杂的物理化学效应，在与微生物作用时体现出了快速高效的灭菌能力，同时等离子体中的活性粒子与物质接触后会很快被材料吸附，吸附后驻留在材料上持续起到灭菌作用，是目前最有前途的杀菌消毒技术，在环境、生物、医疗等领域有广泛的应用前景。

随着变频器技术的普及，变频器的应用也越来越广泛，主要涉及的领域是电机调速的基础电源，来满足电机调速的要求。但是由于变频器是由交流-直流-交流(调制波)等电路构成的，其输出电压的波形为脉冲方波，且谐波成分多，电压和频率同时按比例变化，不可分别调整，常规下作用是通过改变电机工作电源频率方式来控制交流电动机的电力控制设备，不符合作为驱动功率放电的电源使用的，但其作为电源电路的拓展领域在目前不能得到广泛的应用。

比如，名为“一种基于Dspace的船舶岸电系统故障诊断平台”的中国发明专利申请(申请号：201910052776.0，申请日：2019年1月21日)，该申请案公开了岸电系统单元，岸电系统单元包括交流电源、变压器、变频器、滤波装置、功率补偿装置、并网装置、断路器，其中采用的滤波装置为电容。电容滤波外特性较差，有电流冲击，尤其是启停阶段，很可能造成后续电路过载，损坏电路。

发明内容

1.发明要解决的技术问题

本发明的目的在于克服现有技术中变频器只能带载感性负载而不能驱动容性负载的不足，提供了一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置，体积较大的变压器设置在外壳的后部，体积较小的单相变频器、第一级电感、电动调压器、第二级电感、交流接触器和固态继电器位于外壳的前部，便于安装和拆卸，也便于观察各结构的工作情况；变频器外接第一级电感，使得电源的杂波及高频的高次谐波被有效滤掉，解决了变频器与调压器直接连接带载，造成变频器及调压模块会烧毁的故障，同时驱动等离子体放电过程中所反馈回来的高次谐波也可被滤掉，保障整体回路的稳定运行；调压器后接第二级电感，解决了电路在电压调节变化时，避免因等离子体放电过程中产生负阻效应，从而使输出电压更加稳定，系统可长时间可靠运行。

2.技术方案

为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

本发明的一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置，包括外壳，外壳内设置有变频器、第一级电感、电动调压器、交流接触器、固态继电器和变压器；变频器、第一级电感、电动调压器、交流接触器和固态继电器设置在外壳的前部，变压器设置在外壳后部；变频器的输入端连接交流电源，变频器的输出端T1连接第一级电感后再连接电动调压器的输入端A，变频器的输出端T3连接电动调压器的输入端X；电动调压器的输出端连接交流接触器的输入端，交流接触器的输出端连接固态继电器的输入端，固态继电器的输出端连接变压器的输入端。底面板上布置有电路，便于以下各结构之间的连接，也能保证线路不裸露，保证工作安全；体积较大的变压器设置在外壳的后部，体积较小的变频器、第一级电感、电动调压器、第二级电感、交流接触器和固态继电器位于外壳的前部，便于安装和拆卸，也便于观察各结构的工作情况；变频器外接第一级电感，使得输出电压可控，且输出的SPWM正弦脉宽调制波中的谐波分量得到有效抑制，频谱得到扩展，使得进入调压模块的谐波电流稳定，交流接触器和固态继电器可以使得在电源回路中，形成脉冲电源供电的形式。结构设计合理，原理简单，便于推广使用。

作为本发明更进一步的改进，变频器为单相变频器，单相变频器包括输入端L1和输入端L3，和输出端T1、输出端T3，输入端L1和输入端L2连接单相交流电源。可以适用单相交流(比如AC220)电源。

作为本发明更进一步的改进，变频器为三相变频器，三相变频器包括输入端L1、输入端L2和输入端L3，和输出端T1、输出端T3；输入端L1、输入端L2和输入端L3连接三相交流电源。可以适用三相交流(比如AC380)电源。

作为本发明更进一步的改进，变压器包括第一变压器和第二变压器；或，变压器包括三个以上的变压器；且各变压器并联；在背面板上设置有高压输出端，数量与变压器数量相同，位置与变压器一一对应。变压器数量可以根据需要可进行设置。

作为本发明更进一步的改进，还包括第二级电感，交流接触器具有至少六个触点；电动调压器的输出端a连接第二级电感后连接交流接触器的触点1，电动调压器的输出端x连接交流接触器的触点5。交流接触器的触点3和触点4备用，交流接触器310可以采用自动控制的方式控制其各触点的开合状态，可以隔离电动调压器与固态继电器、变压器，减少互相干扰，提高使用寿命。调压器后接第二级电感，解决了电路在电压调节变化时，避免产生负阻效应，使输出电压稳定。

作为本发明更进一步的改进，第一级电感与第二级电感的方向垂直。减小两者间的互感现象的影响。

作为本发明更进一步的改进，左侧壁包括左平直段和左斜坡段，右侧壁包括右平直段和右斜坡段；左斜坡段和右斜坡段后部高度高于前部。一方面便于安装和拆卸，另一方面有利于底面板，左侧板，右侧板和背面板有效形成电磁屏蔽。

作为本发明更进一步的改进，外壳包括底面板、左侧板、右侧板和背面板，底面板上布置有连接变频器、第一级电感、电动调压器、第二级电感、交流接触器、固态继电器和变压器的导线；左侧板和右侧板上分别开有散热孔；变频器靠近右侧板，并靠近右侧板上的散热孔；底面板上的电路便于各装置连接，电动调压器靠近左侧板，并靠近左侧板上的散热孔。便于提升散热效果。

作为本发明更进一步的改进，散热孔内设有排气扇；和/或，散热孔为并列设置的两个，变频器与电动调压器靠近前部的散热孔，变压器靠近后部的散热孔。进一步提升散热效果。

作为本发明更进一步的改进，单相变频器输出端T1和输出端T3之间并联有电容。增强滤波效果。

3.有益效果

采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：

本发明的一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置，包括外壳，体积较大的变压器设置在外壳的后部，体积较小的单相变频器、第一级电感、电动调压器、第二级电感、交流接触器和固态继电器位于外壳的前部，便于安装和拆卸，也便于观察各结构的工作情况；变频器外接第一级电感，使得输出电压可控，且输出的SPWM正弦脉宽调制波中的谐波分量得到有效抑制，频谱得到扩展，使得进入调压模块的谐波电流稳定，调压器后接第二级电感，解决了电路在电压调节变化时，避免产生负阻效应，使输出电压稳定。结构设计合理，原理简单，便于推广使用。

附图说明

图1为常规变频器控制电机接线示意图；

图2为本发明的模块图；

图3为本发明的电路原理图；

图4为本发明的电路原理图；

图5为本发明的装置示意图。

示意图中的标号说明：

10、变频器；20、电机；100、电源模块；110、单相变频器；120、第一级电感；130、三相变频器；200、调压模块；210、电动调压器；220、第二级电感；300、开关模块；310、交流接触器；320、固态继电器；400、供电模块；410、第一变压器；420、第二变压器；500、外壳；510、底面板；520、左侧板；521、左平直段；522、左斜坡段；530、右侧板；531、右平直段；532、右斜坡段；540、背面板；541、第一高压输出端；542、第二高压输出端。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容，结合附图和实施例对本发明作详细描述。

本说明书附图所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”等用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

请结合图1，图1为常规变频器使用接电机的电路图，包括变频器10和电机20，其常规工作原理在此不再描述。

下面结合实施例对本发明作进一步的描述。

实施例1

请结合图2，图2是本发明高压电场低温等离子体冷杀菌装置的模块图。

一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置，包括外壳500以及位于外壳500内的用于输出谐波电流的电源模块100、用于调整负载电压、电流和功率的调压模块200、用于调整电路开合状态的开关模块300和产生高压的供电模块400。

外壳500包括四个壁面，分别为底面板510，左侧板520，右侧板530和背面板540。其中在左侧板520和右侧板530上分别开有散热孔，优选的分别开有两个散热孔，两个散热孔水平并列布置，一个靠近背面板540、另一个远离背面板540；散热孔开设在左侧板520和右侧板530下部。优选的，可以在每个散热孔内设置一台排气扇，增强散热效果。左侧板520与右侧板530的后部(靠近背面板540)一侧分别有一段左平直段521和右平直段531，而后向前部有一段斜坡段522、532，左斜坡段522和右斜坡段532都是向前部逐渐降低，即左侧板520与右侧板530前部(远离背面板540)的高度低于后部的高度。底面板510上布置有导线，便于以下各结构之间的连接，也能保证线路不裸露，保证工作安全。

电源模块100可以外接单相电源输入或者三相电源输入，并且输出单相电压。电源模块100的输出电压可控，且输出的SPWM正弦脉宽调制波中的谐波分量得到有效抑制，频谱得到扩展，使得进入调压模块200的谐波电流稳定。

电源模块100包括两个或三个电源输入端，具体地说，当采用单相电源(如AC220)时，电源模块100包括两个电源输入端；当采用三相电源(如AC380)时，电源模块100包括三个电源输入端。电源模块100包括两个输出端，输出端与调压模块200连接。

请结合图3，其中电源模块100包括单相变频器110，单相变频器110包括两个输入端，与单相电源(如AC220)连接，单相变频器110输出端T1与第一级电感120的一端连接，第一级电感120的另一端连接调压模块200；单相变频器110输出端T3连接调压模块200。根据需要，还可以在单相变频器110两个输出端T1和T3之间并联一个电容，增强滤波效果。

结合图5，单相变频器110位于右侧板530的后部，具体的说，在右侧板530开设的远离背面板540的散热孔的后部，并且固定在底面板510上。第一级电感120位于外壳500的中间前部，并固定在底面板510上。

调压模块200接在电源模块100和负载中间，配上相应的触发控制电路板，就可以调整加到负载上的电压、电流和功率。调压模块200的输出电压可控。

调压模块200包括两个输入端，输入端与电源模块100的输出端连接。调压模块200包括两个输出端，输出端与开关模块300连接。

请结合图3，调压模块200包括电动调压器210，电动调压器210包括两个输入端，电动调压器210输入端A与第一级电感120连接；电动调压器210输入端X与单相变频器110输出端T3连接。电动调压器210包括两个输出端，电动调压器210输出端a与第二级电感220的一端连接，第二级电感220的另一端连接开关模块300；电动调压器210输出端x连接开关模块300。

结合图5，电动调压器210位于左侧板520的后部，具体地说，在左侧板520开设的远离背面板540的散热孔的后部，并且固定在底面板510上。第二级电感220的位置位于电动调压器210与第一级电感120之间，并固定在底面板510上。第二级电感220与第一级电感120的方向互相垂直，减小两者间的互感现象的影响。

开关模块300接在调压模块200与供电模块400之间，控制电路的开合，同时可以隔离电源模块100、调压模块200与供电模块400，减少互相干扰，提高使用寿命。

开关模块300包括两个输入端，输入端与调压模块200连接。开关模块300包括两个输出端，输出端与供电模块400连接。

优选的，开关模块300可以采用自动控制的方式控制其开合。

请结合图3，开关模块300包括交流接触器310和固态继电器320。交流接触器310具有至少六个触点；固态继电器320具有两个输入端和两个输出端。交流接触器310的触点1与第二级电感220连接，交流接触器310的触点5与电动调压器210的输出端x连接；交流接触器310的触点2与固态继电器320的输入端L1b连接，交流接触器310的触点6与固态继电器320的输入端L3b连接；交流接触器310的触点3和触点4备用。基于安全考虑，以上触点均为常开触点。优选的，交流接触器310可以采用自动控制的方式控制其各触点的开合状态，比如采用由PLC的输出信号和输出COM把电源和交流接触器310的线圈触点串成一个回路，通过开关量的输出来控制交流接触器310线圈是否通电。固态继电器320的输出端U1和输出端U3与供电模块400连接。现有的电源输出的大多是连续的波形，采用交流接触器310和固态继电器320后可以实现间断性放电，可以在时域上形成在时域上形成间断性放电，形成脉冲波形。

结合图5，交流接触器310和固态继电器320位于单相变频器110与第一级电感120之间。其中，交流接触器310靠近单相变频器110一侧，固态继电器320靠近第一级电感120一侧，便于固态继电器320与供电模块400的连接。

供电模块400是本发明的工作部分，用于为高压电场低温等离子体产生电路供电，其可以产生高电压。

供电模块400包括两个输入端，输入端与开关模块300连接。供电模块400包括四个输出端，输出端与低温等离子体放电单元(图中未示出)连接。

优选的，供电模块400的输出端数量可以根据需要进行调整。

请结合图3和图5，供电模块400包括第一变压器410和第二变压器420，第一变压器410和第二变压器420并联连接，由此可以保证第一变压器410和第二变压器420两端输入电压保持一致。固态继电器320的输出端U1和输出端U3分别与第一变压器410和第二变压器420的输入端L1c和输入端L3c连接，第一变压器410和第二变压器420的初级线圈并联。第一变压器410和第二变压器420的次级线圈输出分别连接负载。

由于变压器的体积相对较大，第一变压器410和第二变压器420设置在外壳500靠近背面板540一侧，并且平行于背面板540设置，即位于左平直段521和右平直段531的后部，此处的左侧板520和右侧板530的高度较高，此时，底面板510，左侧板520，右侧板530和背面板540可以有效形成电磁屏蔽，避免变压器与外界环境之间的干扰。同时，左侧壁520和右侧壁530上的靠近背面板540的散热孔布置位置靠近第一变压器410和第二变压器420。背面板540正对第一变压器410处具有第一高压输出端541，第一高压输出端541与第一变压器410的次级线圈连接；背面板540正对第二变压器420处具有第二高压输出端542，第二高压输出端542余第二变压器420的次级线圈连接。

优选的，变压器数量可以多于2个，根据需要可进行设置。与此同时，高压输出端的数量和位置都和变压器保持一致，即数量相同，位置都位于背面板540正对变压器的位置。

体积较大的第一变压器410和第二变压器420设置在外壳500的后部，体积较小的单相变频器110、第一级电感120、电动调压器210、第二级电感220、交流接触器310和固态继电器320位于外壳500的前部，便于安装和拆卸，也便于观察各结构的工作情况。

实施例2

请结合图4和图5，本实施例的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其基本结构与实施例1相同，改进之处在于：

电源模块100包括三相变频器130，三相变频器130包括三个输入端，与三相电源(如AC380)连接，三相变频器130输出端T1与第一级电感120的一端连接，第一级电感120的另一端连接调压模块200；三相变频器130输出端T3连接调压模块200。根据需要，还可以在三相变频器130两个输出端T1和T3之间并联一个电容，增强滤波效果。

再结合图4，调压模块200包括电动调压器210，电动调压器210包括两个输入端，电动调压器210输入端A与第一级电感120连接；电动调压器210输入端X与三相变频器130输出端T3连接。电动调压器210包括两个输出端，电动调压器210输出端a与第二级电感220的一端连接，第二级电感220的另一端连接开关模块300；电动调压器210输出端x连接开关模块300。

优选的，第二级电感感抗＝(1～1.5)×(负载静态时刻的容抗×10³)，第一级电感感抗＝(0.5～2)×第二级电感感抗。

结合图5，三相变频器130位于右侧板530的后部，具体的说，在右侧板530开设的远离背面板540的散热孔的后部，并且固定在底面板510上。第一级电感120位于外壳500的中间前部，并固定在底面板510上。

实施例3

结合图3和图4，采用实施例1或实施例2的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，本实施例的工作原理为：

单相交流电输入到单相变频器110电源输入端；或三相交流电输入到三相变频器130电源输入端。单相变频器110或三相变频器130输出端输出单相交流的PWM正弦脉宽调制波，经第一级电感120后，将单相变频器110或三相变频器130输出的调制脉宽谐波过滤，并得到有效抑制，并且使频谱展宽，使进入电动调压器210初级线圈的谐波电流稳定，减少电动调压器210线圈发热损耗烧毁，使变频器作为电动调压器210的输入电源得以实现。使用三相变频器可以适用某些需要扩大的连接更多负载的情况，当然也不仅限于这样的情况。

变频器输出频率范围f为50——200Hz。电动调压器210输出电压经第二级电感220滤波，经交流接触器310(触点闭合条件受控)进入到固态继电器320输入端，当固态继电器320有间歇性触发电压信号，固态继电器320通断按照一定频率进行，起到保护末端高压放电和散热控制的作用。一定频率脉冲电压进入到第一变压器410和第二变压器420的初级线圈回路B1和B2，由于电磁感应原理，次级线圈B1’和B2’产生高压带动负载。

值得说明的是，本发明可以应用的领域不仅限于食品领域，还可以用于医疗器械、书籍报刊等需要杀菌消毒的领域。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种高压电场低温等离子体冷杀菌装置，包括外壳，其特征在于：所述外壳内设置有变频器、电感、电动调压器、交流接触器、固态继电器和变压器；所述变频器、所述电感、所述电动调压器、所述交流接触器和所述固态继电器设置在所述外壳的前部，所述变压器设置在所述外壳的后部；所述变频器的输入端连接交流电源，所述变频器的输出端T1连接所述第一级电感后再连接所述电动调压器的输入端A，所述变频器的输出端T3连接所述电动调压器的输入端X；所述电动调压器的输出端连接所述交流接触器的输入端，所述交流接触器的输出端连接所述固态继电器的输入端，所述固态继电器的输出端连接所述变压器的输入端。

2.根据权利要求1所述的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其特征在于：所述变频器为单相变频器，所述单相变频器包括输入端L1和输入端L3，和输出端T1、输出端T3，所述输入端L1和输入端L2连接单相交流电源。

3.根据权利要求1所述的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其特征在于：所述变频器为三相变频器，所述三相变频器包括输入端L1、输入端L2和输入端L3，和输出端T1、输出端T3；所述输入端L1、输入端L2和输入端L3连接三相交流电源。

4.根据权利要求1所述的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其特征在于：所述变压器包括第一变压器和第二变压器；或，所述变压器包括三个以上的变压器；且各变压器并联；在所述背面板上设置有高压输出端，数量与所述变压器数量相同，位置与所述变压器一一对应。

5.根据权利要求1所述的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其特征在于：还包括第二级电感，所述交流接触器具有至少六个触点；所述电动调压器的输出端a连接所述第二级电感后连接所述交流接触器的触点1，所述电动调压器的输出端x连接所述交流接触器的触点5。

6.根据权利要求5所述的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其特征在于：所述第一级电感与所述第二级电感垂直。

7.根据权利要求6所述的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其特征在于：所述左侧壁包括左平直段和左斜坡段，所述右侧壁包括右平直段和右斜坡段；所述左斜坡段和所述右斜坡段后部高度高于前部。

8.根据权利要求6所述的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其特征在于：所述外壳包括底面板、左侧板、右侧板和背面板，底面板上布置有连接所述变频器、所述第一级电感、所述电动调压器、所述第二级电感、所述交流接触器、所述固态继电器和所述变压器的导线；所述左侧板和所述右侧板上分别开有散热孔；所述变频器靠近所述右侧板，并靠近所述右侧板上的散热孔；所述电动调压器靠近所述左侧板，并靠近所述左侧板上的散热孔。

9.根据权利要求8所述的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其特征在于：所述散热孔内设有排气扇；和/或，所述散热孔为并列设置的两个，所述变频器与所述电动调压器靠近前部的散热孔，所述变压器靠近后部的散热孔。

10.根据权利要求1-9任一所述的高压电场低温等离子体冷杀菌装置，其特征在于：所述单相变频器输出端T1和输出端T3之间并联有电容。

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