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高壓脈沖�(fā)生器
閱讀�695�(shí)間:2018-05-18 09:26:42

高壓脈沖�(fā)生器廣泛用于電表、家用電器、低壓電�、機(jī)電等相關(guān)行業(yè)�(jìn)行絕緣性能試驗(yàn)�
目前食品殺菌用高壓脈沖發(fā)生器仍以指數(shù)衰減波為主,其技�(shù)相對比較成熟,但其存在殺菌效率低、能耗高等缺�(diǎn);而殺菌效率高、能耗低的方波脈沖發(fā)生器由于電路�(fù)雜,成本高等因素使其目前仍處于實(shí)�(yàn)室階�,大�(guī)模工�(yè)化應(yīng)用仍有一定的差距�

原理

  1、高壓直流電�
  高壓直流電源的作用是將從電網(wǎng)輸入的交流電整流再逆變成高壓交流電,然后經(jīng)過整流變成高壓直流電。其主要由整流、功率因�(shù)校正、逆變、變壓器升壓和倍壓整流組成�
  2、高壓脈沖波�
  研究�(shè)�(jì)的高壓脈沖發(fā)生器�(chǎn)生的脈沖波形主要有方�、指�(shù)衰減波以及震蕩波等。這幾種脈沖波形的殺菌處理效果以方�,震蕩波最�,且方波脈沖的前后沿越快,對脈沖能量的利用越�,殺菌效率越�。指�(shù)脈沖一般由電阻—電容組成的電路�(chǎn)�,其�(jié)�(gòu)簡單,價(jià)格便�,已�(jìn)入工�(yè)化應(yīng)用。但低于電壓36.8%的電壓無殺菌作用,且�(huì)使食品溫度升�,浪�(fèi)能量。而方波脈沖殺菌效果好,其一般通過電容器組、電�、電阻以及放電開�(guān)組成脈沖形成�(wǎng)�(luò)(PFN�,但相對于指�(shù)脈沖�(fā)生器,其制作成本高且�(diào)試麻�。震蕩波由于不能對處于高�(qiáng)度電場中的微生物持續(xù)施加脈沖作用,因而防止了微生物細(xì)胞膜�(chǎn)生大面積不可逆破�,故其對食品中微生物的致死效果最差�

研發(fā)概況

  19世紀(jì)60年代,高壓脈沖電場被證明對微生物�(xì)胞具有破壞力。自Sale等系�(tǒng)地研究脈沖電場對微生物失活的影響之后,國�(nèi)外許多研究機(jī)�(gòu)和企�(yè)都開始關(guān)注對
  PEF技�(shù)中關(guān)鍵部件高壓脈沖發(fā)生器的研究與�(shè)�(jì)。產(chǎn)生高壓脈沖輸出的方法有多�,其中一種常見的高壓脈沖�(fā)生器是由Marx電路�(chǎn)生�
  著半�(dǎo)體開�(guān)的發(fā)�,逐漸代替火花隙開�(guān),從而提高了Marx輸出的重�(fù)頻率�
  通過IGBT串聯(lián)法設(shè)�(jì)了一套輸�150KV/10A、脈寬為1~20μs的Marx型高壓脈沖發(fā)生器。李志強(qiáng)等以及甘延青等均對此展開了研究設(shè)�(jì)。Marx型發(fā)生器所需直流電源電壓較低、無需使用變壓�,因此其體積比較小,但需通過LC充電來補(bǔ)充脈沖期間失去的電荷,所以其重復(fù)頻率不太�。另�,隨著Marx脈沖�(fā)生器級數(shù)的增大,�(dǎo)致輸出脈沖前沿時(shí)間變�,不利于殺菌效率的提高。通過脈沖變壓器升壓后也可得到高壓脈沖�(fā)生器。研究者曾利用IGBT模塊逆變和脈沖變壓器升壓搭建了高壓脈沖發(fā)生器。應(yīng)雪正以及陳杰等通過脈沖變壓器升壓法獲得高壓脈沖�(fā)生器。利用脈沖變壓器升壓法研究設(shè)�(jì)的脈沖發(fā)生器由于均使用脈沖變壓器升壓,從而降低了高壓直流電源的電壓等�,簡化了變壓器初級電路的�(shè)�(jì),因而得到廣泛應(yīng)�。但脈沖變壓器的�(yīng)用同�(shí)也限制了輸出脈沖寬度的變化范圍,且脈沖變壓器對快前沿脈沖響應(yīng)較差。另外由于變壓器的恢�(fù)�(shí)間問�,導(dǎo)致脈沖重�(fù)頻率不能太高。所以研究設(shè)�(jì)�(jià)格低�、寄生參�(shù)小的大功率脈沖變壓器是提高此類型高壓脈沖�(fā)生器參數(shù)的一�(gè)方向。除了以上兩種方�,還可以直接利用開關(guān)來控制高壓電路的充放�,從而省去脈沖變壓器的使�。但是用作高壓脈沖發(fā)生器的調(diào)制開�(guān)一般都需要�(jìn)行串并聯(lián)組合�(yùn)用才能達(dá)到使用目��
  Seung-Bok等利用IGBT串聯(lián)技�(shù)研制了一臺電壓幅�40KV、電�150A、頻�3KHz、脈�0~5μs、脈沖前沿小�100ns的高壓脈沖發(fā)生器??赘抒y等通過開關(guān)的串并聯(lián)得到高壓脈沖輸出。利用此方法�(shè)�(jì)的脈沖發(fā)生器具有很寬的脈寬和頻率�(diào)節(jié)范圍。但該類型脈沖發(fā)生器需要一臺和輸出脈沖幅度相等的高壓直流電源作為初級電�,因而其體積龐大,價(jià)格昂�。系�(tǒng)電路�(shè)�(jì)�(shí)需要考慮串并�(lián)均壓均流、觸�(fā)隔離以及保護(hù)等技�(shù)難題,所以電路設(shè)�(jì)比較�(fù)��
  近年來又出現(xiàn)基于傳輸線變壓器耦合多開�(guān)�(qū)�(dòng)變阻線的脈沖�(fā)生器和加法型全固�(tài)脈沖�(fā)生器。前者原理可概括為:�(dāng)電容性儲能元件充電完成后,因TLT的耦合作用,任意開�(guān)�(dǎo)通都將觸�(fā)其余開關(guān)同時(shí)�(dǎo)�,儲能元件通過TLT�(qū)�(dòng)變阻線輸出高壓脈�。后者主要應(yīng)用于超高�、大功率脈沖�

要點(diǎn)

  高壓脈沖�(fā)生器主要包括充電電路、脈沖成形電路兩大部�。此外,脈沖變壓器是高壓大功率脈沖發(fā)生器中的�(guān)鍵部�,其功率�(zhuǎn)換效率高并對減小脈沖�(fā)生器的體積和重量起到?jīng)Q定作��
  1、充電電�
  目前比較常見的高壓脈沖發(fā)生器充電電路包括電阻充電電路和電感充電電�。電阻充電電路結(jié)�(gòu)簡單、技�(shù)成熟,但其充電效率低,一般適用于中小功率、脈寬窄或工作比很低的場合;電感充電電路,由于其效率較高,故在大功率、高頻場合下�(jīng)常使�。另�,還有回掃充電電路、階梯充電電路等。實(shí)際應(yīng)用中需根據(jù)具體要求選擇合適的充電電��
  2、高壓脈沖成�
  高壓脈沖成形是高壓脈沖發(fā)生器的主要部�。對于一般的指數(shù)型脈沖,可以通過控制�(diào)制開�(guān)的導(dǎo)�,使儲能電容通過�(diào)制開�(guān)對負(fù)載放�,從而在�(fù)載上得到輸出脈沖。該方法簡單、技�(shù)成熟,但其殺菌效率明顯低于方波脈�。目前高壓方波脈沖的�(chǎn)生一般采用全橋逆變加脈沖變壓器升壓。這種脈沖成形電路的優(yōu)�(diǎn)是降低了初級電路的設(shè)�(jì)難度,但也存在很大的缺陷,如初級的震蕩會(huì)傳遞到次�,從而使輸出波形變差,其占空比的�(diào)節(jié)也比較困�,在頻率較低�(shí)脈沖變壓器體積較大且難設(shè)�(jì)。隨著高壓大電流開關(guān)的發(fā)�,使用高壓直流電�、高壓調(diào)制開�(guān),可以通過控制開關(guān)的導(dǎo)通和�(guān)斷在�(fù)載上得到脈沖輸出�
  該開�(guān)通過簡單的電路,將功率MOSFET或者IGBT串并�(lián),通過選用低感元件及合理的布局,從而實(shí)�(xiàn)脈寬和頻率寬范圍可調(diào)的高壓脈沖發(fā)生器,且壽命長易于維�,但串并�(lián)開關(guān)器件�(dǎo)通和�(guān)斷的控制電路�(shè)�(jì)比較�(fù)雜,需考慮均壓均流同步等問�。另�,還有一種線型脈沖調(diào)制器,其以人工線(脈沖形成網(wǎng)�(luò))做儲能元件,用氫閘流管或晶閘管SCR做開�(guān),實(shí)�(xiàn)全部放電的脈沖調(diào)制器。其中人工線由電容和電感組成,隨著其級數(shù)的增�,輸出脈沖的波形越趨于方�。但人工線參�(shù)一旦確�,其輸出脈寬就基本確�,所以該方法不適用于要求輸出脈寬大范圍可�(diào)的場�。實(shí)際應(yīng)用中根據(jù)�(shí)際輸出脈沖的指標(biāo)要求來選取合適的脈沖成形電路�
  3、高壓脈沖變壓器的設(shè)�(jì)
  高壓脈沖�(fā)生器中為了解決調(diào)制開�(guān)器件的電壓等級以及阻抗匹配等問題,一般采用脈沖變壓器。脈沖變壓器的使用會(huì)使其輸出脈沖受限于脈沖變壓器磁芯的可利用伏秒特�,為了增加輸出脈寬,一般增加去磁電�,以使其磁芯�(fù)�。利用脈沖變壓器升壓的高壓脈沖發(fā)生器,其初級電路電壓等級降低、設(shè)�(jì)難度減小。但這種�(jié)�(gòu)要求脈沖變壓器初級必須流過較大的電流,在脈沖變壓器升壓比較大�(shí)初級電流更大。因此在�(shè)�(jì)中要根據(jù)輸出電壓幅�、功率大�、脈沖調(diào)制開�(guān)的開�(guān)能力和脈沖參�(shù)的要求等方面�(jìn)行權(quán)衡以確定合適的脈沖變壓器升壓�。脈沖變壓器的漏感以及回路分布電感會(huì)影響輸出脈沖的前后沿,因此在對輸出脈沖前后沿要求較高或要求輸出窄脈沖�(shí),應(yīng)�(shè)法減小脈沖變壓器的漏感以及合理布局放電回路�

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