雙極性頻率可調(diào)高壓脈沖電源的建模與仿真

王 卓

(山東理工大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院，山東 淄博 255049)

傳統(tǒng)熱滅菌技術(shù)會(huì)破壞食品中的蛋白質(zhì)、維生素和酶等營養(yǎng)物質(zhì)，故非熱滅菌技術(shù)是當(dāng)前的研究熱點(diǎn)[1-3]。高壓脈沖電場(chǎng)滅菌具有處理溫度低、處理均勻、殺菌效果好等特點(diǎn)[4-6]，是非熱滅菌的主要技術(shù)[7-8]。

孫學(xué)兵等[9]提出高壓脈沖電場(chǎng)滅菌技術(shù)分為間接式和連續(xù)式兩種模式。其中，間接式不適合大規(guī)模應(yīng)用；連續(xù)式殺菌可對(duì)食物進(jìn)行連續(xù)不斷的處理，處理時(shí)間短且適合流水線作業(yè)。由于連續(xù)滅菌的雙極性方波殺菌效果好，有望成為未來高溫滅菌領(lǐng)域應(yīng)用的主要方向[10-11]。但連續(xù)滅菌的雙極性方波殺菌系統(tǒng)針對(duì)單一病菌，若要?dú)⒕喾N病菌，需采用多個(gè)滅菌系統(tǒng)進(jìn)行分段式處理，步驟復(fù)雜且效率低。文章擬提出雙極性頻率可調(diào)高壓脈沖電源，其不僅可產(chǎn)生雙極性方波，還可以通過多模塊協(xié)同的方式產(chǎn)生具有幅值不同、頻率可調(diào)的雙極性電壓脈沖，分別對(duì)多種病菌進(jìn)行滅菌處理，達(dá)到單個(gè)滅菌系統(tǒng)處理多種病菌的目的，旨在為連續(xù)型高壓滅菌系統(tǒng)技術(shù)的開發(fā)應(yīng)用提供依據(jù)。

1 高壓脈沖殺菌系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 高壓脈沖電源設(shè)計(jì)

圖1為同時(shí)滅除3個(gè)菌種的滅菌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。該系統(tǒng)由多模塊串聯(lián)，利用多個(gè)電容串聯(lián)對(duì)不同處理室進(jìn)行放電，具體過程：① 含菌液經(jīng)過處理室一，高壓脈沖電源的模塊一內(nèi)部電容C2、C3與模塊二的C4、C5串聯(lián)對(duì)處理室一放電，滅除菌種1；② 滅除第一種菌種的含菌液進(jìn)入處理室二，脈沖電源模塊一內(nèi)部的C2、C3，模塊二的C4、C5與模塊三的C6串聯(lián)對(duì)處理室二放電，滅除菌種2；③ 滅除2種菌種的含菌液進(jìn)入處理室三，脈沖電源的模塊一、模塊二與模塊三串聯(lián)，即電容C2、C3、C4、C5、C6、C7串聯(lián)對(duì)處理室三放電，滅除菌種3；④ 得無菌液。

三模塊高壓脈沖電源如圖2所示，若使輸出信號(hào)迅速到達(dá)負(fù)載端所需脈沖幅值，要先向電容C0充電(Su2斷路)，當(dāng)達(dá)到C0額定電壓時(shí)，Su2導(dǎo)通，三模塊系統(tǒng)運(yùn)行。三模塊系統(tǒng)穩(wěn)定工作過程分為7步，其開關(guān)控制時(shí)序見表1，負(fù)載端波形周期T=1/f，t=T/2。

圖1 3個(gè)菌種的滅菌系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Figure 1 Structure diagram of a sterilization system that eliminates three strains

(1) 0～t/6時(shí)間段：IGBT開關(guān)Sp、Su2、S2、S4、S6、S8、S10、S12處于閉合狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行第1步驟，C0與C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7的并聯(lián)模塊構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)電容C0向C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7充電，系統(tǒng)運(yùn)行t/6后，Sp、Su2、S2斷開。

(2)t/6～t/3時(shí)間段：IGBT開關(guān)Su1、S1、S4、S6、S8、S10、S12處于閉合狀態(tài)，系統(tǒng)運(yùn)行第2步驟，C1與C2串聯(lián)后與C3、C4的并聯(lián)模塊構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)電容C1與C2串聯(lián)向C3、C4充電，其中C5、C6、C7的電壓大于C1與C2串聯(lián)后的電壓和，故D8為斷開狀態(tài)，初始電源向C0充電，系統(tǒng)運(yùn)行t/6后，Su1、S1斷開。

(3)t/3～t/2時(shí)間段：IGBT開關(guān)Sp、S2、S4、S6、S8、S10、S12閉合，系統(tǒng)運(yùn)行第3步驟，C0與C1-C2的并聯(lián)模塊構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)電容C0向C1、C2充電，系統(tǒng)運(yùn)行t/6后，Sp、S2斷開。

(4)t/2～2t/3時(shí)間段：IGBT開關(guān)Su1、S1、S4、S5、S8、S10、S12閉合，系統(tǒng)運(yùn)行第4步驟，C1、C2、C3構(gòu)成回路Ⅰ，實(shí)現(xiàn)C1與C2串聯(lián)向C3放電；C3與C4串聯(lián)后與C5、C6的并聯(lián)模塊構(gòu)成回路Ⅱ，實(shí)現(xiàn)C3與C4串聯(lián)向C5、C6充電；C7電壓大于C3與C4串聯(lián)后的電壓和，故D10處于斷開狀態(tài)；初始電源向C0充電，系統(tǒng)運(yùn)行t/6后，Su、S1斷開。

圖2 三模塊高壓脈沖電源Figure 2 Three-module high-voltage pulse power supply

表1 系統(tǒng)開關(guān)時(shí)序表?Table 1 System switch timing chart

(5) 2t/3～5t/6時(shí)間段：IGBT開關(guān)Sp、S2、S4、S6、S8、S10、S12閉合，系統(tǒng)運(yùn)行第5步驟，C0與C1、C2的并聯(lián)模塊構(gòu)成回路，實(shí)現(xiàn)電容C0向C1、C2充電，系統(tǒng)運(yùn)行t/6后，Sp、S2、S6、S10斷開。

(6) 5t/6～11t/12時(shí)間段：IGBT開關(guān)S1、S4、S5、S8、S9、S12閉合，系統(tǒng)運(yùn)行第6步驟，C1、C2、C3構(gòu)成回路Ⅰ，實(shí)現(xiàn)C1與C2串聯(lián)向C3放電；C3、C4、C5構(gòu)成回路Ⅱ，實(shí)現(xiàn)C3與C4串聯(lián)向C5放電；C5、C6、C7構(gòu)成回路Ⅲ，實(shí)現(xiàn)C5與C6串聯(lián)向C7充電；初始電源向C0充電，系統(tǒng)運(yùn)行t/12 后，S4、S8、S12斷開。

(7) 11t/12～t時(shí)間段：IGBT開關(guān)S1、S3、S5、S7、S9、S11、St1、St2、St3閉合，系統(tǒng)運(yùn)行第7步驟，C1、C2、C3、C4、C5與R1構(gòu)成回路Ⅰ，實(shí)現(xiàn)C1、C2、C3、C4、C5串聯(lián)向負(fù)載R1放電；C1、C2、C3、C4、C5、C6和R2構(gòu)成回路Ⅱ，C1、C2、C3、C4、C5、C6串聯(lián)向負(fù)載R2放電；C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和R3構(gòu)成回路Ⅲ，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7串聯(lián)向負(fù)載R3放電；初始電源向C0充電，系統(tǒng)運(yùn)行t/12后，S1、S3、S5、S7、S9、S11、St1、St2、St3斷開。隨后該電路運(yùn)行第1步驟，系統(tǒng)進(jìn)行周期性循環(huán)。

1.2 處理室等效電路

處理室為同軸處理室，殺菌時(shí)容器中流動(dòng)待處理溶液，處理室可以等效為電容與電阻并聯(lián)，等效電容影響放電波形上升速度，等效電阻影響脈沖寬度。其縱向截圖如圖3所示。

等效電容可表示為：

(1)

式中：

C——等效電容，nF；

ε——同軸電極處理室中處理液的介電常數(shù)；

l——同軸電極高度，mm；

r1、r2——內(nèi)、外電極半徑，mm[12]。

用純水的介電常數(shù)(ε=80)計(jì)算求得處理室的等效電容約為1.2 nF。

等效電阻可表示為：

1.處理液出口 2.高壓線 3.處理液 4.外電極(接地) 5.聚四氟乙烯 6.內(nèi)電機(jī)(高壓) 7.處理液進(jìn)口圖3 同軸處理室縱截圖Figure 3 Vertical screenshot of the coaxial processing

room

(2)

式中：

R——等效電阻，Ω;

x——液體位置具體同軸距離，cm;

l——同軸電極高度，cm;

G——電導(dǎo)率，此處取5.1 mS/cm。

經(jīng)計(jì)算同軸電極處理室的等效電阻為49.2 Ω。

其中青霉菌、酵母菌、大腸桿菌的電場(chǎng)處理較好強(qiáng)度分別為12.5，20.0，30.0 kV/cm。由于所用同軸處理室的寬度為r2-r1=3 mm，所以青霉菌、酵母菌、大腸桿菌的較好處理方波電壓峰值分別為3.75，6.00，9.00 kV。

在固定電場(chǎng)強(qiáng)度和脈沖寬度條件下，細(xì)菌的失活率由所施加的脈沖數(shù)決定，兩者關(guān)系如圖4所示[13]，即在一定范圍內(nèi)，滅菌效果隨脈沖數(shù)的增多而增加。故滅菌效果與滅菌時(shí)間和頻率有關(guān)[14]，其關(guān)系式為：

C=tf，

(3)

式中：

C——高壓脈沖電場(chǎng)的脈沖數(shù)；

t——處理室內(nèi)花費(fèi)時(shí)間，s；

f——頻率，Hz。

處理室等效電路如圖5所示，負(fù)載端開關(guān)控制時(shí)序見表2。Sr1與Sr2處于閉合狀態(tài)，輸出正向波形；Sr3與Sr4處于閉合狀態(tài)，輸出反向波形，通過控制4個(gè)IGBT開關(guān)實(shí)現(xiàn)輸出雙極性方波滅菌的目的。

負(fù)載開關(guān)對(duì)應(yīng)4個(gè)狀態(tài)：

(1) 0～(t-10)時(shí)間段：負(fù)載端處于第1狀態(tài)，此過程Sr1、Sr2、Sr3、Sr4關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)多模塊系統(tǒng)的儲(chǔ)能。

(2) (t-10)～t時(shí)間段：負(fù)載端處于第2狀態(tài)，此過程Sr1與Sr2導(dǎo)通，Sr3與Sr4關(guān)斷，對(duì)負(fù)載輸出正向脈沖信號(hào)。

圖4 細(xì)菌滅活數(shù)與脈沖數(shù)的關(guān)系Figure 4 The relationship between the number of bacterial inactivation and the number of pulses

圖5 負(fù)載端結(jié)構(gòu)圖Figure 5 Load side structure diagram

表2 負(fù)載開關(guān)時(shí)序表?Table 2 Timing chart of load switchus

(3)t～(2t-10)時(shí)間段：負(fù)載端處于第3狀態(tài)，此過程St1、Sr1、Sr2、Sr3、Sr4關(guān)斷，實(shí)現(xiàn)多模塊系統(tǒng)的儲(chǔ)能。

(4) (2t-10)～2t時(shí)間段：負(fù)載端處于第4狀態(tài)，此過程Sr1與Sr2關(guān)斷，St1、Sr3與Sr4導(dǎo)通，對(duì)負(fù)載輸出反向脈沖信號(hào)。

負(fù)載端4個(gè)步驟循環(huán)進(jìn)行，產(chǎn)生雙極性方波連續(xù)脈沖波形。

2 滅菌系統(tǒng)的整機(jī)電路

滅菌系統(tǒng)的整機(jī)電路圖如圖6所示。當(dāng)頻率為1 000 Hz 穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，其電容C1～C7均有不同的初始電壓。實(shí)際操作中，存在開關(guān)和二極管的損耗，其系統(tǒng)在第1步驟運(yùn)行時(shí)，C0、C1、Sp、Su2構(gòu)成回路Ⅰ，內(nèi)部電流為i1；C1、C2、D5、S2構(gòu)成回路Ⅱ，內(nèi)部電流為i2；C2、C3、D6、S2、S4構(gòu)成回路Ⅲ，內(nèi)部電流為i3；C3、C4、D7、S6構(gòu)成回路Ⅳ，內(nèi)部電流為i4；C4、C5、D8、S6、S8構(gòu)成回路Ⅴ，內(nèi)部電流為i5；C5、C6、D9、S10構(gòu)成回路Ⅵ，內(nèi)部電流為i6；C6、C7、D10、S10、S12構(gòu)成回路Ⅶ，內(nèi)部電流為i7。計(jì)算公式：

VonDi=VonSi=Von，

(4)

ronDi=ronSi=ron，

(5)

-VC0(t)+VC1(t)+2Von+2ron(i1)+resr(2i1-i2)=0，

(6)

-VC1(t)+VC2(t)+2Von+ron(2i2-i3)+resr(2i2-i1-i3)=0，

(7)

-VC2(t)+VC3(t)+Von+ron(3i3-i2)+resr(2i3-i2-i4)=0，

(8)

-VC3(t)+VC4(t)+2Von+ron(2i4-i5)+resr(2i4-i3-i5)=0，

(9)

-VC4(t)+VC5(t)+Von+ron(3i5-i4)+resr(2i5-i4-i6)=0，

(10)

-VC5(t)+VC6(t)+2Von+ron(2i6-i7)+resr(2i6-i5-i7)=0，

(11)

-VC6(t)+VC7(t)+Von+ron(3i7-i6)+resr(2i7-i6)=0，

(12)

式中：

resr——電容的等效串聯(lián)電阻，Ω；

VonSi——系統(tǒng)第i個(gè)開關(guān)的Su2通態(tài)電壓，V；

ronSi——系統(tǒng)第i個(gè)開關(guān)的等效電阻，Ω；

VonDi——系統(tǒng)第i個(gè)二極管的導(dǎo)通電壓，V；

VCi——系統(tǒng)第i個(gè)電容電壓，V；

ronDi——系統(tǒng)第i個(gè)二極管的電壓，Ω[15]。

依次計(jì)算第2～7個(gè)動(dòng)作，得到對(duì)負(fù)載放電階段電容C1～C7的電壓值：

VC1=VC2=414.56 V，VC3=VC4=822.54 V，VC5=VC6=1 813.21 V，VC7=3 305.29 V。

放電時(shí)各電容串聯(lián)對(duì)負(fù)載放電，其負(fù)載端電壓為：

VR1=VC1+VC2+VC3+VC4+VC5=4.284 kV，VR2=VC1+VC2+VC3+VC4+VC5+VC6=6.100 kV，VR3=VC1+VC2+VC3+VC4+VC5+VC6+VC7=9.406 kV。

同理可得，系統(tǒng)在頻率為100 Hz時(shí)，放電階段電容C1～C7的電壓為：

VC1=VC2=438.57 V，VC3=VC4=881.61 V，VC5=VC6=1 741.45 V，VC7=3 503.39 V。

放電時(shí)各電容對(duì)負(fù)載放電，其負(fù)載端的電壓為：

VR1=VC1+VC2+VC3+VC4+VC5=4.381 kV，VR2=VC1+VC2+VC3+VC4+VC5+VC6=6.123 kV，VR3=VC1+VC2+VC3+VC4+VC5+VC6+VC7=9.406 kV。

圖6 滅菌系統(tǒng)的整機(jī)電路圖Figure 6 The circuit diagram of the sterilization system

3 仿真分析

當(dāng)系統(tǒng)在頻率分別為100，1 000 Hz穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，若輸出電壓幅值滿足要求，則初始交流電源經(jīng)變壓器產(chǎn)生峰值分別為1 050，4 900 V的交流電壓。當(dāng)系統(tǒng)在頻率為100 Hz穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端兩端電壓如圖7所示。

系統(tǒng)放電時(shí)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間tR3=10 009 990 μs，t8=10 010 000 μs，tR1=10 014 990 μs，t1=10 015 000 μs，周期T=10 ms，頻率f=1/T=100 Hz，脈寬為10 μs。由表3可知，R1兩端的峰值電壓UR1=4.417 kV，R2兩端的峰值電壓UR2=6.176 kV，R3兩端的峰值電壓UR3=9.687 kV，與理論值較接近，可滿足試驗(yàn)要求。

當(dāng)系統(tǒng)在頻率為1 000 Hz穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)，負(fù)載端兩端的電壓如圖8所示。

系統(tǒng)放電時(shí)開關(guān)動(dòng)作時(shí)間tR3=10 014 490 μs，t8=10 014 500 μs，tR1=10 014 990 μs，t1=10 015 000 μs，周期T=1 ms，頻率f=1/T=1 000 Hz，脈寬為10 μs。由表4可知，R1兩端的峰值電壓UR1=4.272 kV，R2兩端的峰值電壓UR2=6.082 kV，R3兩端的峰值電壓UR3=9.393 kV，與理論值接近，可滿足試驗(yàn)要求。

綜上，當(dāng)系統(tǒng)的雙極性方波頻率為100～1 000 Hz，脈寬為10 μs時(shí)，青霉菌的較好處理電場(chǎng)強(qiáng)度為12.5 kV/cm，即電壓峰值為3.75 kV，此波形可以滅除95.00%的青霉菌[16]；酵母菌的較好處理壓強(qiáng)為20.0 kV/cm，即電壓峰值為6.00 kV，此波形可以滅除99.75%的酵母菌；大腸桿菌的較好處理電場(chǎng)強(qiáng)度為30.0 kV/cm，即電壓峰值為9.00 kV，此波形可以滅除99.60%的大腸桿菌[17]。當(dāng)脈寬為10 μs時(shí)，高壓殺菌的效果與頻率呈正比[13-14]，故該殺菌系統(tǒng)可以通過調(diào)節(jié)頻率和幅值得到較好的殺菌效果。仿真結(jié)果表明該系統(tǒng)滿足同時(shí)滅除青霉菌、酵母菌和大腸桿菌的要求。

圖7 100 Hz時(shí)負(fù)載R1、R2、R3兩端電壓Figure 7 Voltage across the load R1,R2,R3 at 100 Hz

表3 100 Hz負(fù)載電壓對(duì)比Table 3 Comparison of 100 Hz load voltage

圖8 1 000 Hz時(shí)負(fù)載R1、R2、R3兩端電壓Figure 8 Voltage across the load R1,R2,R3 at 1 000 Hz

表4 1 000 Hz負(fù)載電壓對(duì)比Table 4 1 000 Hz load voltage comparison

4 結(jié)論

仿真結(jié)果表明，試驗(yàn)設(shè)計(jì)的多模塊殺菌系統(tǒng)在頻率范圍為100～1 000 Hz，脈寬為10 μs時(shí)可產(chǎn)生幅值不同的雙極性高壓方波，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)滅除不同菌種的目的，改善了傳統(tǒng)殺菌系統(tǒng)效率較低且無法對(duì)多種菌群進(jìn)行處理的問題。該系統(tǒng)在運(yùn)行過程中開關(guān)較多，且承受的電壓大，存在擊穿的危險(xiǎn)，所以對(duì)開關(guān)的要求高，價(jià)格貴，不利于商業(yè)使用，該系統(tǒng)可繼續(xù)研究一個(gè)合適的開關(guān)方式來保證其開關(guān)安全。