雙極性頻率可調高壓脈沖電源的建模與仿真

王 卓

(山東理工大學電氣與電子工程學院，山東 淄博 255049)

傳統熱滅菌技術會破壞食品中的蛋白質、維生素和酶等營養物質，故非熱滅菌技術是當前的研究熱點[1-3]。高壓脈沖電場滅菌具有處理溫度低、處理均勻、殺菌效果好等特點[4-6]，是非熱滅菌的主要技術[7-8]。

孫學兵等[9]提出高壓脈沖電場滅菌技術分為間接式和連續式兩種模式。其中，間接式不適合大規模應用；連續式殺菌可對食物進行連續不斷的處理，處理時間短且適合流水線作業。由于連續滅菌的雙極性方波殺菌效果好，有望成為未來高溫滅菌領域應用的主要方向[10-11]。但連續滅菌的雙極性方波殺菌系統針對單一病菌，若要殺菌多種病菌，需采用多個滅菌系統進行分段式處理，步驟復雜且效率低。文章擬提出雙極性頻率可調高壓脈沖電源，其不僅可產生雙極性方波，還可以通過多模塊協同的方式產生具有幅值不同、頻率可調的雙極性電壓脈沖，分別對多種病菌進行滅菌處理，達到單個滅菌系統處理多種病菌的目的，旨在為連續型高壓滅菌系統技術的開發應用提供依據。

1 高壓脈沖殺菌系統設計

1.1 高壓脈沖電源設計

圖1為同時滅除3個菌種的滅菌系統結構圖。該系統由多模塊串聯，利用多個電容串聯對不同處理室進行放電，具體過程：① 含菌液經過處理室一，高壓脈沖電源的模塊一內部電容C2、C3與模塊二的C4、C5串聯對處理室一放電，滅除菌種1；② 滅除第一種菌種的含菌液進入處理室二，脈沖電源模塊一內部的C2、C3，模塊二的C4、C5與模塊三的C6串聯對處理室二放電，滅除菌種2；③ 滅除2種菌種的含菌液進入處理室三，脈沖電源的模塊一、模塊二與模塊三串聯，即電容C2、C3、C4、C5、C6、C7串聯對處理室三放電，滅除菌種3；④ 得無菌液。

三模塊高壓脈沖電源如圖2所示，若使輸出信號迅速到達負載端所需脈沖幅值，要先向電容C0充電(Su2斷路)，當達到C0額定電壓時，Su2導通，三模塊系統運行。三模塊系統穩定工作過程分為7步，其開關控制時序見表1，負載端波形周期T=1/f，t=T/2。

圖1 3個菌種的滅菌系統結構圖Figure 1 Structure diagram of a sterilization system that eliminates three strains

(1) 0～t/6時間段：IGBT開關Sp、Su2、S2、S4、S6、S8、S10、S12處于閉合狀態，系統運行第1步驟，C0與C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7的并聯模塊構成回路，實現電容C0向C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7充電，系統運行t/6后，Sp、Su2、S2斷開。

(2)t/6～t/3時間段：IGBT開關Su1、S1、S4、S6、S8、S10、S12處于閉合狀態，系統運行第2步驟，C1與C2串聯后與C3、C4的并聯模塊構成回路，實現電容C1與C2串聯向C3、C4充電，其中C5、C6、C7的電壓大于C1與C2串聯后的電壓和，故D8為斷開狀態，初始電源向C0充電，系統運行t/6后，Su1、S1斷開。

(3)t/3～t/2時間段：IGBT開關Sp、S2、S4、S6、S8、S10、S12閉合，系統運行第3步驟，C0與C1-C2的并聯模塊構成回路，實現電容C0向C1、C2充電，系統運行t/6后，Sp、S2斷開。

(4)t/2～2t/3時間段：IGBT開關Su1、S1、S4、S5、S8、S10、S12閉合，系統運行第4步驟，C1、C2、C3構成回路Ⅰ，實現C1與C2串聯向C3放電；C3與C4串聯后與C5、C6的并聯模塊構成回路Ⅱ，實現C3與C4串聯向C5、C6充電；C7電壓大于C3與C4串聯后的電壓和，故D10處于斷開狀態；初始電源向C0充電，系統運行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 系統開關時序表?Table 1 System switch timing chart

(5) 2t/3～5t/6時間段：IGBT開關Sp、S2、S4、S6、S8、S10、S12閉合，系統運行第5步驟，C0與C1、C2的并聯模塊構成回路，實現電容C0向C1、C2充電，系統運行t/6后，Sp、S2、S6、S10斷開。

(6) 5t/6～11t/12時間段：IGBT開關S1、S4、S5、S8、S9、S12閉合，系統運行第6步驟，C1、C2、C3構成回路Ⅰ，實現C1與C2串聯向C3放電；C3、C4、C5構成回路Ⅱ，實現C3與C4串聯向C5放電；C5、C6、C7構成回路Ⅲ，實現C5與C6串聯向C7充電；初始電源向C0充電，系統運行t/12 后，S4、S8、S12斷開。

(7) 11t/12～t時間段：IGBT開關S1、S3、S5、S7、S9、S11、St1、St2、St3閉合，系統運行第7步驟，C1、C2、C3、C4、C5與R1構成回路Ⅰ，實現C1、C2、C3、C4、C5串聯向負載R1放電；C1、C2、C3、C4、C5、C6和R2構成回路Ⅱ，C1、C2、C3、C4、C5、C6串聯向負載R2放電；C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7和R3構成回路Ⅲ，C1、C2、C3、C4、C5、C6、C7串聯向負載R3放電；初始電源向C0充電，系統運行t/12后，S1、S3、S5、S7、S9、S11、St1、St2、St3斷開。隨后該電路運行第1步驟，系統進行周期性循環。

1.2 處理室等效電路

處理室為同軸處理室，殺菌時容器中流動待處理溶液，處理室可以等效為電容與電阻并聯，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；

l——同軸電極高度，mm；

r1、r2——內、外電極半徑，mm[12]。

用純水的介電常數(ε=80)計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.內電機(高壓) 7.處理液進口圖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——電導率，此處取5.1 mS/cm。

經計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、大腸桿菌的電場處理較好強度分別為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。

在固定電場強度和脈沖寬度條件下，細菌的失活率由所施加的脈沖數決定，兩者關系如圖4所示[13]，即在一定范圍內，滅菌效果隨脈沖數的增多而增加。故滅菌效果與滅菌時間和頻率有關[14]，其關系式為：

C=tf，

(3)

式中：

C——高壓脈沖電場的脈沖數；

t——處理室內花費時間，s；

f——頻率，Hz。

處理室等效電路如圖5所示，負載端開關控制時序見表2。Sr1與Sr2處于閉合狀態，輸出正向波形；Sr3與Sr4處于閉合狀態，輸出反向波形，通過控制4個IGBT開關實現輸出雙極性方波滅菌的目的。

負載開關對應4個狀態：

(1) 0～(t-10)時間段：負載端處于第1狀態，此過程Sr1、Sr2、Sr3、Sr4關斷，實現多模塊系統的儲能。

(2) (t-10)～t時間段：負載端處于第2狀態，此過程Sr1與Sr2導通，Sr3與Sr4關斷，對負載輸出正向脈沖信號。

圖4 細菌滅活數與脈沖數的關系Figure 4 The relationship between the number of bacterial inactivation and the number of pulses

圖5 負載端結構圖Figure 5 Load side structure diagram

表2 負載開關時序表?Table 2 Timing chart of load switchus

(3)t～(2t-10)時間段：負載端處于第3狀態，此過程St1、Sr1、Sr2、Sr3、Sr4關斷，實現多模塊系統的儲能。

(4) (2t-10)～2t時間段：負載端處于第4狀態，此過程Sr1與Sr2關斷，St1、Sr3與Sr4導通，對負載輸出反向脈沖信號。

負載端4個步驟循環進行，產生雙極性方波連續脈沖波形。

2 滅菌系統的整機電路

滅菌系統的整機電路圖如圖6所示。當頻率為1 000 Hz 穩定運行時，其電容C1～C7均有不同的初始電壓。實際操作中，存在開關和二極管的損耗，其系統在第1步驟運行時，C0、C1、Sp、Su2構成回路Ⅰ，內部電流為i1；C1、C2、D5、S2構成回路Ⅱ，內部電流為i2；C2、C3、D6、S2、S4構成回路Ⅲ，內部電流為i3；C3、C4、D7、S6構成回路Ⅳ，內部電流為i4；C4、C5、D8、S6、S8構成回路Ⅴ，內部電流為i5；C5、C6、D9、S10構成回路Ⅵ，內部電流為i6；C6、C7、D10、S10、S12構成回路Ⅶ，內部電流為i7。計算公式：

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——電容的等效串聯電阻，Ω；

VonSi——系統第i個開關的Su2通態電壓，V；

ronSi——系統第i個開關的等效電阻，Ω；

VonDi——系統第i個二極管的導通電壓，V；

VCi——系統第i個電容電壓，V；

ronDi——系統第i個二極管的電壓，Ω[15]。

依次計算第2～7個動作，得到對負載放電階段電容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。

放電時各電容串聯對負載放電，其負載端電壓為：

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，系統在頻率為100 Hz時，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。

放電時各電容對負載放電，其負載端的電壓為：

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 滅菌系統的整機電路圖Figure 6 The circuit diagram of the sterilization system

3 仿真分析

當系統在頻率分別為100，1 000 Hz穩定運行時，若輸出電壓幅值滿足要求，則初始交流電源經變壓器產生峰值分別為1 050，4 900 V的交流電壓。當系統在頻率為100 Hz穩定運行時，負載端兩端電壓如圖7所示。

系統放電時開關動作時間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，可滿足試驗要求。

當系統在頻率為1 000 Hz穩定運行時，負載端兩端的電壓如圖8所示。

系統放電時開關動作時間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，可滿足試驗要求。

綜上，當系統的雙極性方波頻率為100～1 000 Hz，脈寬為10 μs時，青霉菌的較好處理電場強度為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強度為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]。當脈寬為10 μs時，高壓殺菌的效果與頻率呈正比[13-14]，故該殺菌系統可以通過調節頻率和幅值得到較好的殺菌效果。仿真結果表明該系統滿足同時滅除青霉菌、酵母菌和大腸桿菌的要求。

圖7 100 Hz時負載R1、R2、R3兩端電壓Figure 7 Voltage across the load R1,R2,R3 at 100 Hz

表3 100 Hz負載電壓對比Table 3 Comparison of 100 Hz load voltage

圖8 1 000 Hz時負載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負載電壓對比Table 4 1 000 Hz load voltage comparison

4 結論

仿真結果表明，試驗設計的多模塊殺菌系統在頻率范圍為100～1 000 Hz，脈寬為10 μs時可產生幅值不同的雙極性高壓方波，從而實現連續滅除不同菌種的目的，改善了傳統殺菌系統效率較低且無法對多種菌群進行處理的問題。該系統在運行過程中開關較多，且承受的電壓大，存在擊穿的危險，所以對開關的要求高，價格貴，不利于商業使用，該系統可繼續研究一個合適的開關方式來保證其開關安全。