450 kV和600 kV高頻X射線機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

(丹東華日理學(xué)電氣有限公司，丹東 118000)

我國X射線檢測行業(yè)所使用的高頻高壓電源長期受制于進(jìn)口設(shè)備，傳統(tǒng)的工頻高壓電源體積非常大，最大的缺點(diǎn)是易受電網(wǎng)波動影響，其負(fù)載功率越大所產(chǎn)生的高壓紋波就越大，不僅影響檢測效果，更不適合450 kV和600 kV超高壓大功率的X射線機(jī)使用。高頻高壓電源率先在國外研制成功，高穩(wěn)定性的專用高頻超高壓電源是移動式高頻X射線機(jī)的核心基礎(chǔ)部件，而移動式高頻X射線機(jī)又是X射線數(shù)字成像系統(tǒng)中的射線源。解決高頻超高壓電源才能完成移動式高頻X射線機(jī)的研發(fā)，在此基礎(chǔ)上，才能實(shí)現(xiàn)整個(gè)儀器設(shè)備的開發(fā)和應(yīng)用。介紹了450 kV和600 kV高頻X射線機(jī)的關(guān)鍵研發(fā)技術(shù)，并研制出了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的HS-XY-450和HS-XY-600型高頻超高壓電源。HS-XY系列高頻移動式X射線機(jī)的研制成功，提高了國產(chǎn)X射線機(jī)的整體技術(shù)水平，打破了國外產(chǎn)品對中國市場高端產(chǎn)品的壟斷，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白。

1 專用高頻超高壓電源的研發(fā)

專用高頻超高壓電源由高頻電源調(diào)制器和高頻高壓發(fā)生器組成。高頻電源調(diào)制器具有寬范圍電壓輸入、寬范圍功率輸出、寬范圍電壓輸出、高穩(wěn)定性、大功率等特點(diǎn)。高頻高壓發(fā)生器具有體積小、可靠性高、絕緣性能好等特點(diǎn)。

1.1 高頻電源調(diào)制器的設(shè)計(jì)

高頻電源調(diào)制器主要包括千伏控制部分、毫安控制部分和單片機(jī)控制部分。其工作原理是通過單片機(jī)控制部分發(fā)出工作指令，對千伏控制部分、毫安控制部分分別進(jìn)行控制，給出千伏、毫安設(shè)定值；然后，千伏控制部分和毫安控制部分分別根據(jù)千伏和毫安設(shè)定值進(jìn)行閉環(huán)工作，最終輸出可控制的高頻功率電源信號。大功率高頻高壓升壓變壓器用于將逆變電源輸出的高頻功率電源變換為高頻高壓電。

1.1.1 系統(tǒng)電源拓?fù)溥x擇

通常X射線機(jī)的最大功率為4.5 kW，由于大功率高頻電源對電網(wǎng)電壓波形有一定影響(功率因數(shù)較低)，因此選用的系統(tǒng)電源為三相電源。

1.1.2 逆變電路選擇

三相電源整流后的最高電壓可達(dá)600 kV，而主功率電路在中、大功率逆變電源中常用的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有推挽電路、半橋電路和全橋電路。推挽電路開關(guān)管電壓應(yīng)力過大，半橋電路主功率開關(guān)管的電流應(yīng)力也大，因此選擇全橋電路作為整個(gè)系統(tǒng)的主功率電路。

1.1.3 電源調(diào)制器電路拓?fù)溥x擇

移動式高頻X射線機(jī)的設(shè)計(jì)開發(fā)從本質(zhì)上講就是要設(shè)計(jì)一款能夠適應(yīng)X射線機(jī)使用要求的高度穩(wěn)定的高壓電源和燈絲電源。一般普通電源的輸入接工頻電源，其輸出電壓恒定，而射線機(jī)需要的是高壓電源，輸入接工頻電源，輸出電壓需要寬范圍調(diào)整(一般要求十幾千伏到幾百千伏)，輸出電流范圍也很大(一般要求0.1 mA～40 mA)，而且在整個(gè)調(diào)整范圍都要求輸出穩(wěn)定，線路及變壓器的分布參數(shù)對系統(tǒng)的影響很大,故而設(shè)計(jì)難度非常大。經(jīng)過多次試驗(yàn)，設(shè)計(jì)出電源調(diào)制器電路(見圖1)。

圖1 電源調(diào)制器電路設(shè)計(jì)原理框圖

IGBT(絕緣柵雙極型晶體管)是新型電力電子器件的主流器件之一，具有開關(guān)速度快、通流能力強(qiáng)、控制驅(qū)動電路簡單等優(yōu)點(diǎn)，故在設(shè)計(jì)中采用IGBT作為主功率器件。為了降低開關(guān)損耗，采用諧振軟開關(guān)變換技術(shù)。控制采用串口通信雙單片機(jī)系統(tǒng)，組成人機(jī)交換界面，電源變換器中的單片機(jī)通過串口得到操作指令，對電源變換器的工作狀態(tài)進(jìn)行控制。千伏控制采用IGBT斬波調(diào)壓電路，其結(jié)構(gòu)簡單，工程上易于實(shí)現(xiàn)。逆變電路采用IGBT，PWM(脈沖寬度調(diào)制)全橋變換電路，其對元器件的電壓、電流要求較低，是中、大功率電源的常用電路結(jié)構(gòu)。由于燈絲電源功率只有幾十瓦，因此毫安功率控制采用功率MOS管(場效應(yīng)管)，PWM半橋變換電路，此種電路結(jié)構(gòu)簡單，驅(qū)動電路簡單且易于實(shí)現(xiàn)高頻化[1]。

1.2 高頻超高壓發(fā)生器的設(shè)計(jì)

高頻高壓發(fā)生器由高壓變壓器、倍壓整流器、燈絲變壓器及測量取樣回路組成。高壓發(fā)生器將控制器輸出的高頻電源進(jìn)行升壓變壓，再由倍壓整流電路經(jīng)過多級倍壓得到高壓電源，高壓電源信號由測量回路反饋給控制器，控制器再根據(jù)反饋信號對輸出的高電壓進(jìn)行控制，最終得到輸出穩(wěn)定的高壓電源。

1.2.1 倍壓電路選擇

常用的多級倍壓電路有多種形式，包括橋式串接倍壓整流電路、信克爾倍壓整流電路、科克羅夫特倍壓整流電路等，每種形式都各有利弊。經(jīng)過多次試驗(yàn)對比,最終選擇科克羅夫特倍壓整流電路(見圖2)。

圖2 科克羅夫特倍壓整流電路圖

1.2.2 取樣電路設(shè)計(jì)

在工頻X 射線機(jī)中，當(dāng)管電流增加時(shí),即使變壓器初級電壓保持不變，高壓發(fā)生器的高壓輸出也不會有大的衰減，因此高壓取樣可采用直接測量初級電壓計(jì)算次級高壓的取樣方法。在高頻高壓發(fā)生器中因采用了次級多倍壓整流，通過測試數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)輸入電壓保持不變時(shí)，電源輸出的電壓隨著負(fù)載的增加出現(xiàn)很大衰減。為了保證輸出高壓的穩(wěn)定，在高頻高壓發(fā)生器中高壓取樣采用次級電阻分壓直接取樣。

1.2.3 主變壓器設(shè)計(jì)

高頻高壓發(fā)生器的頻率提高到40 kHz后，普通常規(guī)低速器件和磁性材料已經(jīng)不能滿足要求。對于變壓器鐵芯，需選用高頻特性好的材料。為了降低線圈高頻阻抗，采用特殊高頻繞線。高頻高壓發(fā)生器工作時(shí)無功電流較大，為了降低無功電流，對于高壓變壓器線圈，采用特殊繞制方法。高頻高壓升壓變壓器的線圈匝數(shù)多，分布電容大，且漏電感大，會給電源調(diào)制電路帶來較大影響。經(jīng)過多次試驗(yàn)，采用分段繞組結(jié)構(gòu)以減小其對電源調(diào)制電路的影響[2]。

1.2.4 燈絲變壓器設(shè)計(jì)

燈絲變壓器雖然功率小,但其絕緣等級高，需要耐受整個(gè)高壓輸出的電壓，為了減小體積，提高可靠性，經(jīng)過多次試驗(yàn)，確定采用樹脂澆鑄模塊化設(shè)計(jì)。

1.2.5 高壓絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于提高了高頻高壓發(fā)生器的電源頻率，變壓器體積大大減小。變壓器油是一種優(yōu)良的絕緣材料,而且具有冷卻作用。另外，發(fā)生器采用多種特殊的均場結(jié)構(gòu)并采用絕緣材料，以保證發(fā)生器在小體積下能長期可靠工作。

1.3 關(guān)鍵技術(shù)突破和創(chuàng)新點(diǎn)

專用高頻超高壓電源及移動式高頻大功率X射線機(jī)的關(guān)鍵技術(shù)突破和創(chuàng)新點(diǎn)為：首次將高頻逆變電源技術(shù)應(yīng)用在工業(yè)X射線探傷機(jī)上，高壓發(fā)生器輸出高壓紋波小，可用于工業(yè)CT檢測。

其他設(shè)計(jì)特點(diǎn)有：采用軟開關(guān)特性的準(zhǔn)諧振電源變換器來驅(qū)動高壓發(fā)生器；管壓、管流調(diào)節(jié)速度快；管壓、管流調(diào)節(jié)精度高；高壓變壓器的設(shè)計(jì)采用分段繞組結(jié)構(gòu)；倍壓整流器的設(shè)計(jì)采用對稱梯形分布結(jié)構(gòu)；燈絲變壓器采用樹脂澆鑄模塊化設(shè)計(jì)；高壓絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用油紙復(fù)合絕緣設(shè)計(jì)以減小體積；高壓發(fā)生器的特點(diǎn)在于采用多種特殊的均場結(jié)構(gòu)、絕緣材料、分段繞組等工藝。

2 與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)對比以及具體應(yīng)用

2.1 HS-XY系列高頻X射線機(jī)性能

在解決關(guān)鍵技術(shù)之后，結(jié)合已有的整機(jī)生產(chǎn)與制造技術(shù),最終設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了HS-XY系列高頻移動式X射線機(jī)。HS-XY-450和HS-XY-600專用高頻超高壓電源及移動式高頻X射線機(jī)整機(jī)性能良好，其指標(biāo)如表1所示。

大功率高頻高壓升壓變壓器用于將逆變電源輸出的高頻電源變換為高頻高壓電。大功率多倍壓整流電路用于將升壓變壓器輸出的高頻高壓電整流成更高電壓的直流電。小體積髙耐壓燈絲變壓器用于控制輸出穩(wěn)定的X射線管電流。

表1 HS-XY系列專用高頻超高壓電源及移動式高頻X射線機(jī)性能指標(biāo)

2.2 與國外同類產(chǎn)品的技術(shù)指標(biāo)對比

在對HS-XY-450和HS-XY-600專用高頻超高壓電源及移動式高頻大功率X射線機(jī)的樣機(jī)進(jìn)行長期試驗(yàn)后，試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:穿透力、透照靈敏度、X射線輻射角，計(jì)時(shí)器計(jì)時(shí)誤差、管電壓、過電壓保護(hù)、過電流保護(hù)、溫度保護(hù)裝置、工作頻率、紋波系數(shù)、成像靈敏度、圖像分辨率、安全性、穩(wěn)定度、外觀等各檢測項(xiàng)目均達(dá)到檢測指標(biāo)要求。其使用效果和主要技術(shù)參數(shù)完全達(dá)到世界先進(jìn)產(chǎn)品的水平，HS-XY-450和HS-XY-600移動式高頻電源與國外產(chǎn)品指標(biāo)對比如表2，3所示。

表2 HS-XY-450移動式高頻電源與國外產(chǎn)品指標(biāo)對比

表3 HS-XY-600移動式高頻電源與國外產(chǎn)品指標(biāo)對比

經(jīng)過與進(jìn)口設(shè)備性能數(shù)據(jù)的對比分析，可以看出HS-XY-450和HS-XY-600高頻X射線機(jī)在管流調(diào)整性能上更為精確，優(yōu)于進(jìn)口設(shè)備。

2.3 450 kV和600 kV高頻X射線機(jī)應(yīng)用

450 kV和600 kV高頻X射線機(jī)產(chǎn)品問世后，經(jīng)多方用戶使用，得到了一致的好評和認(rèn)可。用戶反饋使用情況具體如下所述。

(1)由于設(shè)備管電流大，曝光時(shí)間減少了一半，效益提高了近一倍。

(2)檢測靈敏度由原來的1.5%～2%范圍提高到1.0%，大大提高了檢測的可靠性。

(3)設(shè)備的重復(fù)精度高，底片黑度均勻，底片的合格率達(dá)到100%。

(4)工作頻率達(dá)到40 kHz,成像清晰穩(wěn)定，特別適合作為工業(yè)CT光源。

3 結(jié)語

HS-XY系列高頻移動式X射線機(jī)的研制成功，提高了國產(chǎn)X射線機(jī)的整體技術(shù)水平，打破了國外產(chǎn)品對中國市場高端產(chǎn)品的壟斷，填補(bǔ)了國內(nèi)的空白，對我國無損檢測行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步起到了很大的促進(jìn)作用，同時(shí)也提高了企業(yè)的綜合實(shí)力。