450 kV和600 kV高频X射线机的设计与应用

2019-05-28

无损检测 2019年5期

(丹东华日理学电气有限公司，丹东 118000)

我国X射线检测行业所使用的高频高压电源长期受制于进口设备，传统的工频高压电源体积非常大，最大的缺点是易受电网波动影响，其负载功率越大所产生的高压纹波就越大，不仅影响检测效果，更不适合450 kV和600 kV超高压大功率的X射线机使用。高频高压电源率先在国外研制成功，高稳定性的专用高频超高压电源是移动式高频X射线机的核心基础部件，而移动式高频X射线机又是X射线数字成像系统中的射线源。解决高频超高压电源才能完成移动式高频X射线机的研发，在此基础上，才能实现整个仪器设备的开发和应用。介绍了450 kV和600 kV高频X射线机的关键研发技术，并研制出了具有自主知识产权的HS-XY-450和HS-XY-600型高频超高压电源。HS-XY系列高频移动式X射线机的研制成功，提高了国产X射线机的整体技术水平，打破了国外产品对中国市场高端产品的垄断，填补了国内的空白。

1 专用高频超高压电源的研发

专用高频超高压电源由高频电源调制器和高频高压发生器组成。高频电源调制器具有宽范围电压输入、宽范围功率输出、宽范围电压输出、高稳定性、大功率等特点。高频高压发生器具有体积小、可靠性高、绝缘性能好等特点。

1.1 高频电源调制器的设计

高频电源调制器主要包括千伏控制部分、毫安控制部分和单片机控制部分。其工作原理是通过单片机控制部分发出工作指令，对千伏控制部分、毫安控制部分分别进行控制，给出千伏、毫安设定值；然后，千伏控制部分和毫安控制部分分别根据千伏和毫安设定值进行闭环工作，最终输出可控制的高频功率电源信号。大功率高频高压升压变压器用于将逆变电源输出的高频功率电源变换为高频高压电。

1.1.1 系统电源拓扑选择

通常X射线机的最大功率为4.5 kW，由于大功率高频电源对电网电压波形有一定影响(功率因数较低)，因此选用的系统电源为三相电源。

1.1.2 逆变电路选择

三相电源整流后的最高电压可达600 kV，而主功率电路在中、大功率逆变电源中常用的电路拓扑结构有推挽电路、半桥电路和全桥电路。推挽电路开关管电压应力过大，半桥电路主功率开关管的电流应力也大，因此选择全桥电路作为整个系统的主功率电路。

1.1.3 电源调制器电路拓扑选择

移动式高频X射线机的设计开发从本质上讲就是要设计一款能够适应X射线机使用要求的高度稳定的高压电源和灯丝电源。一般普通电源的输入接工频电源，其输出电压恒定，而射线机需要的是高压电源，输入接工频电源，输出电压需要宽范围调整(一般要求十几千伏到几百千伏)，输出电流范围也很大(一般要求0.1 mA～40 mA)，而且在整个调整范围都要求输出稳定，线路及变压器的分布参数对系统的影响很大,故而设计难度非常大。经过多次试验，设计出电源调制器电路(见图1)。

图1 电源调制器电路设计原理框图

IGBT(绝缘栅双极型晶体管)是新型电力电子器件的主流器件之一，具有开关速度快、通流能力强、控制驱动电路简单等优点，故在设计中采用IGBT作为主功率器件。为了降低开关损耗，采用谐振软开关变换技术。控制采用串口通信双单片机系统，组成人机交换界面，电源变换器中的单片机通过串口得到操作指令，对电源变换器的工作状态进行控制。千伏控制采用IGBT斩波调压电路，其结构简单，工程上易于实现。逆变电路采用IGBT，PWM(脉冲宽度调制)全桥变换电路，其对元器件的电压、电流要求较低，是中、大功率电源的常用电路结构。由于灯丝电源功率只有几十瓦，因此毫安功率控制采用功率MOS管(场效应管)，PWM半桥变换电路，此种电路结构简单，驱动电路简单且易于实现高频化[1]。

1.2 高频超高压发生器的设计

高频高压发生器由高压变压器、倍压整流器、灯丝变压器及测量取样回路组成。高压发生器将控制器输出的高频电源进行升压变压，再由倍压整流电路经过多级倍压得到高压电源，高压电源信号由测量回路反馈给控制器，控制器再根据反馈信号对输出的高电压进行控制，最终得到输出稳定的高压电源。

1.2.1 倍压电路选择

常用的多级倍压电路有多种形式，包括桥式串接倍压整流电路、信克尔倍压整流电路、科克罗夫特倍压整流电路等，每种形式都各有利弊。经过多次试验对比,最终选择科克罗夫特倍压整流电路(见图2)。

图2 科克罗夫特倍压整流电路图

1.2.2 取样电路设计

在工频X 射线机中，当管电流增加时,即使变压器初级电压保持不变，高压发生器的高压输出也不会有大的衰减，因此高压取样可采用直接测量初级电压计算次级高压的取样方法。在高频高压发生器中因采用了次级多倍压整流，通过测试数据可以看出，当输入电压保持不变时，电源输出的电压随着负载的增加出现很大衰减。为了保证输出高压的稳定，在高频高压发生器中高压取样采用次级电阻分压直接取样。

1.2.3 主变压器设计

高频高压发生器的频率提高到40 kHz后，普通常规低速器件和磁性材料已经不能满足要求。对于变压器铁芯，需选用高频特性好的材料。为了降低线圈高频阻抗，采用特殊高频绕线。高频高压发生器工作时无功电流较大，为了降低无功电流，对于高压变压器线圈，采用特殊绕制方法。高频高压升压变压器的线圈匝数多，分布电容大，且漏电感大，会给电源调制电路带来较大影响。经过多次试验，采用分段绕组结构以减小其对电源调制电路的影响[2]。

1.2.4 灯丝变压器设计

灯丝变压器虽然功率小,但其绝缘等级高，需要耐受整个高压输出的电压，为了减小体积，提高可靠性，经过多次试验，确定采用树脂浇铸模块化设计。

1.2.5 高压绝缘结构设计

由于提高了高频高压发生器的电源频率，变压器体积大大减小。变压器油是一种优良的绝缘材料,而且具有冷却作用。另外，发生器采用多种特殊的均场结构并采用绝缘材料，以保证发生器在小体积下能长期可靠工作。

1.3 关键技术突破和创新点

专用高频超高压电源及移动式高频大功率X射线机的关键技术突破和创新点为：首次将高频逆变电源技术应用在工业X射线探伤机上，高压发生器输出高压纹波小，可用于工业CT检测。

其他设计特点有：采用软开关特性的准谐振电源变换器来驱动高压发生器；管压、管流调节速度快；管压、管流调节精度高；高压变压器的设计采用分段绕组结构；倍压整流器的设计采用对称梯形分布结构；灯丝变压器采用树脂浇铸模块化设计；高压绝缘结构设计采用油纸复合绝缘设计以减小体积；高压发生器的特点在于采用多种特殊的均场结构、绝缘材料、分段绕组等工艺。

2 与国外同类产品的技术指标对比以及具体应用

2.1 HS-XY系列高频X射线机性能

在解决关键技术之后，结合已有的整机生产与制造技术,最终设计并生产了HS-XY系列高频移动式X射线机。HS-XY-450和HS-XY-600专用高频超高压电源及移动式高频X射线机整机性能良好，其指标如表1所示。

大功率高频高压升压变压器用于将逆变电源输出的高频电源变换为高频高压电。大功率多倍压整流电路用于将升压变压器输出的高频高压电整流成更高电压的直流电。小体积髙耐压灯丝变压器用于控制输出稳定的X射线管电流。

表1 HS-XY系列专用高频超高压电源及移动式高频X射线机性能指标

2.2 与国外同类产品的技术指标对比

在对HS-XY-450和HS-XY-600专用高频超高压电源及移动式高频大功率X射线机的样机进行长期试验后，试验数据表明:穿透力、透照灵敏度、X射线辐射角，计时器计时误差、管电压、过电压保护、过电流保护、温度保护装置、工作频率、纹波系数、成像灵敏度、图像分辨率、安全性、稳定度、外观等各检测项目均达到检测指标要求。其使用效果和主要技术参数完全达到世界先进产品的水平，HS-XY-450和HS-XY-600移动式高频电源与国外产品指标对比如表2，3所示。