本發(fā)明涉及一種擊穿消弧電路，特別涉及了一種高壓脈沖電場(chǎng)液態(tài)食品滅菌的處理室擊穿消弧電路。

背景技術(shù)：

作為一種新型的非熱加工技術(shù)，高壓脈沖電場(chǎng)(PEF)技術(shù)以其溫升低、效率高、能保持食品風(fēng)味等優(yōu)勢(shì)成為近年來(lái)食品加工工業(yè)研究熱點(diǎn)，尤其是應(yīng)用于牛奶、果汁、黃酒等液態(tài)食品的殺菌上。高壓脈沖電場(chǎng)滅菌的基本原理是在食品處理室電極之間產(chǎn)生數(shù)千伏的瞬時(shí)高壓脈沖，使微生物細(xì)胞膜在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下發(fā)生穿孔、撕裂、崩解從而殺死細(xì)菌等微生物。

目前，高壓脈沖電場(chǎng)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于液態(tài)食品的滅菌處理，例如果汁、雞蛋酒等。在利用高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)液態(tài)食品處理過(guò)程中，施加在液態(tài)食品上一部分能量會(huì)不可避免地?fù)Q轉(zhuǎn)成歐姆熱，從而使液態(tài)食品溫度上升而產(chǎn)生氣泡。當(dāng)處理室電極之間產(chǎn)生尺寸足夠大的氣泡時(shí)，在數(shù)千伏高電壓的作用下容易使氣體發(fā)生擊穿，引起火花放電，使處理室的正負(fù)電極發(fā)生局部短路甚至完全短路，擊穿瞬間產(chǎn)生巨大的沖擊電流會(huì)導(dǎo)致高壓脈沖電源損壞，同時(shí)產(chǎn)生的沖擊波會(huì)對(duì)處理室造成機(jī)械損傷。處理過(guò)程中因氣泡擊穿而引發(fā)火花放電是該技術(shù)目前無(wú)法實(shí)現(xiàn)規(guī)模工業(yè)化主要障礙之一。

現(xiàn)有的高壓脈沖電場(chǎng)滅菌擊穿保護(hù)措施中，主要的保護(hù)形式是在主回路中串聯(lián)阻值較大的電阻(如附圖1所示)，起到吸收電弧電量和限流的作用，從而在一定程度上避免氣泡擊穿時(shí)火花放電和大電流損壞脈沖電源。但是由于電阻本身吸弧能力差，該方法不能完全解決氣泡擊穿和火花放電問(wèn)題，而且大電阻吸收能量后發(fā)熱嚴(yán)重，能量損耗較大。

在利用高壓脈沖電場(chǎng)對(duì)處理室內(nèi)的液態(tài)食品進(jìn)行滅菌時(shí)，處理室內(nèi)產(chǎn)生的氣泡很容易在高電壓的作用下被擊穿，嚴(yán)重時(shí)發(fā)生火花放電和打火，使處理室內(nèi)正負(fù)電極完全短路。在現(xiàn)有技術(shù)中缺少一種能有效避免高壓脈沖電場(chǎng)滅菌過(guò)程中氣泡擊穿引發(fā)火花放電的裝置。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了解決背景技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種高壓脈沖電場(chǎng)液態(tài)食品滅菌的處理室擊穿消弧電路。

本發(fā)明能夠在氣泡發(fā)生火花放電前作用，裝置中的吸弧元件電阻和電感快速吸收拉弧電量，抑制電流瞬態(tài)變化，降低火花放電發(fā)生概率；同時(shí)裝置中的主動(dòng)消弧電路通過(guò)電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)主回路電流大小，當(dāng)電流超過(guò)安全閾值時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)電子開(kāi)關(guān)閉合，將食品處理室電流分流到電子開(kāi)關(guān)與電阻支路，使食品處理室的電流瞬間減小到安全電流，從而有效避免處理室在氣泡擊穿時(shí)發(fā)生火花放電和打火，防止高壓脈沖發(fā)生器和處理室損壞，增加設(shè)備安全特性。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明包括電源、電容、高壓開(kāi)關(guān)、基本吸弧電路和主動(dòng)消弧電路；高壓開(kāi)關(guān)、基本吸弧電路和主動(dòng)消弧電路依次串聯(lián)后和電容一起并聯(lián)在電源兩端。

所述的基本吸弧電路主要由吸弧電阻、二極管和電感組成，吸弧電阻和電感串聯(lián)，二極管和電感反向并聯(lián)，構(gòu)成吸弧電路，串聯(lián)在高壓脈沖滅菌系統(tǒng)的主回路中，一端與高壓開(kāi)關(guān)相連，另一端與食品處理室負(fù)載相連。

所述的主動(dòng)消弧電路主要由電流互感器、電子開(kāi)關(guān)、光電耦合器、限流電阻、下拉電阻和控制器組成，電子開(kāi)關(guān)與限流電阻串聯(lián)后并聯(lián)在食品處理室兩端，光電耦合器信號(hào)輸出的一端經(jīng)下拉電阻下拉電位并連接到電子開(kāi)關(guān)的控制端，光電耦合器信號(hào)輸出的另一端接12V電源，光電耦合器的信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接至控制器，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)光電耦合器從控制器傳遞至電子開(kāi)關(guān)的控制端；電流互感器套裝在主回路母線上，其信號(hào)輸出端通過(guò)同軸電纜連接至控制器。

所述電流互感器串聯(lián)連接在食品處理室和基本吸弧電路之間。

所述吸弧電阻采用無(wú)感電阻，所述電感采用高壓電感，所述二極管采用快速恢復(fù)二極管。

所述電流互感器采用母線式電流互感器，直接套裝在母線上。

所述電子開(kāi)關(guān)采用雙向可控硅或晶閘管，其兩端的最大電壓小于其耐壓值。

所述光電耦合器采用高速光耦，其具體型號(hào)為6N137。

所述控制器采用DSP或FPGA，能根據(jù)電流信號(hào)快速響應(yīng)。

本發(fā)明通過(guò)基本吸弧電路中的高壓電感和無(wú)感電阻起到的吸收拉弧電量作用，減小兩電極之間通過(guò)的電荷量；同時(shí)主動(dòng)滅弧電路實(shí)時(shí)檢測(cè)回路母線中的電流，當(dāng)電流超過(guò)安全閾值時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)電子開(kāi)關(guān)閉合，將食品處理室電流分流到電子開(kāi)關(guān)與電阻支路，使食品處理室的電流瞬間減小到安全電流，有效消除高壓脈沖電場(chǎng)滅菌過(guò)程中由于處理室氣泡擊穿引起的火花放電，避免產(chǎn)生電弧使裝置發(fā)生短路損壞，從而提高高壓脈沖發(fā)生器以及食品處理室的使用壽命和安全性能。

本發(fā)明具有的有益效果是：

1.能有效避免高壓脈沖電場(chǎng)處理過(guò)程中液態(tài)食品中氣泡擊穿導(dǎo)致電流過(guò)大而損壞設(shè)備，增加使用壽命和安全性；

2.能有效避免高壓脈沖電場(chǎng)處理過(guò)程中液態(tài)食品中氣泡擊穿導(dǎo)致的沖擊波對(duì)食品處理室造成機(jī)械損傷；

3.該消弧電路組成簡(jiǎn)單，可快速插拔維護(hù)，可模塊化，特別適合量產(chǎn)，且不承受過(guò)電流和過(guò)電壓的影響；

4.抗電磁脈沖干擾能力強(qiáng)，工作性能穩(wěn)定。

附圖說(shuō)明

圖1是傳統(tǒng)電路原理圖。

圖2是本發(fā)明電路原理圖。

具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步的描述。

如圖2所示，本發(fā)明包括電源1、電容2和高壓開(kāi)關(guān)3，基礎(chǔ)上增加了基本吸弧電路A和主動(dòng)消弧電路B，該兩部分電路串聯(lián)在主電路中，高壓開(kāi)關(guān)3、基本吸弧電路A和主動(dòng)消弧電路B依次串聯(lián)后和電容2一起并聯(lián)在電源1兩端。

如圖2所示，基本吸弧電路A主要由吸弧電阻4、二極管5和電感6組成，吸弧電阻4和電感6串聯(lián)，二極管5和電感6反向并聯(lián)，構(gòu)成吸弧電路，串聯(lián)在高壓脈沖滅菌系統(tǒng)的主回路中，一端與高壓開(kāi)關(guān)相連，另一端與食品處理室負(fù)載相連。

如圖2所示，主動(dòng)消弧電路B主要由電流互感器7、電子開(kāi)關(guān)8、光電耦合器9、限流電阻10、下拉電阻11和控制器13組成，電子開(kāi)關(guān)8與限流電阻10串聯(lián)后并聯(lián)在食品處理室12兩端，光電耦合器9信號(hào)輸出的一端經(jīng)下拉電阻11下拉電位并連接到電子開(kāi)關(guān)8的控制端，光電耦合器9信號(hào)輸出的另一端接12V電源，光電耦合器9的信號(hào)輸入端通過(guò)同軸電纜連接至控制器13，驅(qū)動(dòng)信號(hào)通過(guò)光電耦合器9從控制器13傳遞至電子開(kāi)關(guān)8的控制端；電流互感器7串聯(lián)連接在食品處理室12和基本吸弧電路A之間，其信號(hào)輸出端通過(guò)同軸電纜連接至控制器13。

本發(fā)明電路擊穿消弧的工作過(guò)程如下：

在高壓脈沖發(fā)生器對(duì)液態(tài)食品滅菌的過(guò)程中，由于歐姆熱使液態(tài)食品受熱產(chǎn)生氣泡。當(dāng)尺寸較大氣泡經(jīng)過(guò)處理室電極中間時(shí)，在數(shù)千伏高電壓的作用下存在發(fā)生氣體擊穿的危險(xiǎn)。氣體發(fā)生火花放電前一時(shí)刻產(chǎn)生的拉弧電量被基本吸弧電路中的電阻吸收一部分，轉(zhuǎn)換為熱能釋放，延緩了火花放電的發(fā)生，同時(shí)電阻的限流作用也減小了火花放電發(fā)生的幾率；但電阻在短時(shí)間內(nèi)不足以完全將拉弧電量消耗，在火花放電發(fā)生前，基本吸弧電路中的電感進(jìn)一步在短時(shí)間內(nèi)吸收高頻尖峰(高頻脈沖)拉弧電量，有效抑制電流變化率，避免處理室電極間火花放電的發(fā)生。在系統(tǒng)施加高壓脈沖工作過(guò)程中，電感不斷充電放電，反向并聯(lián)的二極管為充電后的電感起到續(xù)流作用，提供放電回路，使系統(tǒng)持續(xù)工作；另外，主動(dòng)消弧電路通過(guò)電流互感器實(shí)時(shí)檢測(cè)主回路電流大小，當(dāng)電流超過(guò)安全閾值時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)電子開(kāi)關(guān)閉合將母線部分總電流分流到電子開(kāi)關(guān)和電阻支路，瞬間使食品處理室的電流減小到安全電流，有效避免食品處理室氣泡進(jìn)一步放電。

由此可見(jiàn)，本發(fā)明能夠在處理室氣泡發(fā)生火花放電前作用，裝置中的吸弧元件電阻和電感快速吸收拉弧電量，抑制電流瞬態(tài)變化，降低火花放電發(fā)生概率；同時(shí)主動(dòng)滅弧電路實(shí)時(shí)檢測(cè)回路母線中的電流，當(dāng)電流超過(guò)安全閾值時(shí)，控制器驅(qū)動(dòng)電子開(kāi)關(guān)閉合，將食品處理室電流分流到電子開(kāi)關(guān)與電阻支路，使食品處理室的電流瞬間減小到安全電流，從而有效避免處理室在氣泡擊穿時(shí)發(fā)生火花放電和打火，防止高壓脈沖發(fā)生器和處理室損壞，增加設(shè)備安全特性。