高压脉冲电场灭菌设备及其流量控制

　　0 引言

　　高压脉冲电场灭菌技术相对于其他灭菌技术有其独特的优势，如非热灭菌，能保持食物的口感、色泽和营养，处理时间短、能耗低等。目前国内外设计的高压脉冲电场灭菌设备仍存在大量问题。例如，波形不理想; 波形单一; 处理量不能满足大批量生产的工业需求; 综合性能较差，性能较好的进口设备价格昂贵。因此低成本、高效率、操作方便的高压脉冲电场灭菌设备的研制具有十分重要的意义[1 -5]。

　　本文在功能需求分析的基础上，设计实现了一种高压脉冲电场灭菌设备，简单介绍了高压脉冲发生器的原理，重点介绍了其流量控制的原理和实现。

　　1 功能需求分析

　　影响灭菌效果的因素主要有: 脉冲波形、脉冲频率、电场强度、处理时间、处理温度、介质电导率、对象菌的种类与数量、处理室等[5]，因此高压脉冲电场灭菌设备应具备以下功能:

　　1) 高压脉冲电场脉冲波形可控、脉冲频率可调、脉冲宽度可调、电场强度可调;

　　2) 物料输送;

　　3) 处理时间控制;

　　4) 灭菌设备的工作流程、工艺参数控制;

　　5) 人机界面。

　　2 系统结构设计

　　根据功能需求设计的高压脉冲电场灭菌设备如图 1所示。

　　设备工作流程如下:

　　1) 将待处理液体加入到储液罐;

　　2) 流量泵把液体抽入处理室;

　　3) 高压脉冲电场对处理室内的液体进行灭菌;

　　4) 处理后的液体经出料口排出。

　　高压脉冲电场对于控制器是一个很强的电磁干扰源，而 PLC 具有可靠性高、抗干扰能力强，配套硬件齐全、功能完善、适用性强，通信能力不断增强，人机界面技术发展迅速，采用模块化结构，易学易用的优点; 因此选用 PLC作控制器。系统的硬件结构框图如图 2 所示。

　　系统主要由高压脉冲发生器和流量控制系统组成。其中高压脉冲发生器用于产生高压脉冲电场; 流量控制系统主要用于控制液体的流量，即处理时间的控制，兼具物料输送、工作流程和工艺参数控制、人机界面的功能。高压脉冲发生器主要由交流调压模块、整流模块、通电延时电路、滤波电路、PWM 脉冲产生电路、IGBT 驱动电路、IG-BT H 桥电路、高频变压器、电极、电流电压检测系统组成。流量控制系统由触摸屏，PLC，变频器和流量泵组成。

　　3 详细设计

　　3. 1 高压脉冲发生器

　　高压脉冲发生器是整个高压脉冲电场灭菌设备的核心部分，其脉冲波形可控、脉冲频率可调、脉冲宽度可调、电场强度可调，结构如图 2 所示，其工作原理简述如下:AC 220 V 交流电经过交流调压模块调压以后，经过整流电路、滤波电路后变成 DC 300 V 左右的直流电。基于 SG3525 的 PWM 脉冲产生电路产生两路带死区、相位差 180°、彼此绝缘的 PWM 脉冲，经驱动电路后，控制大功率 IGBT 通断。IGBT 组成的 H 桥电路在 PWM 波的作用下交替导通，频率升高，转换成交变的脉冲电压再经高频变压器升压，最后输出到电极，形成高压脉冲电场。为了保证系统可靠性，采用了过电流，过电压保护。基于 SG3525 的 PWM 脉冲产生电路价格低、性价比高、易于实现。