450 kV和600 kV高頻X射線機的設計與應用

(丹東華日理學電氣有限公司，丹東 118000)

我國X射線檢測行業所使用的高頻高壓電源長期受制于進口設備，傳統的工頻高壓電源體積非常大，最大的缺點是易受電網波動影響，其負載功率越大所產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射線機使用。高頻高壓電源率先在國外研制成功，高穩定性的專用高頻超高壓電源是移動式高頻X射線機的核心基礎部件，而移動式高頻X射線機又是X射線數字成像系統中的射線源。解決高頻超高壓電源才能完成移動式高頻X射線機的研發，在此基礎上，才能實現整個儀器設備的開發和應用。介紹了450 kV和600 kV高頻X射線機的關鍵研發技術，并研制出了具有自主知識產權的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射線機的研制成功，提高了國產X射線機的整體技術水平，打破了國外產品對中國市場高端產品的壟斷，填補了國內的空白。

1 專用高頻超高壓電源的研發

專用高頻超高壓電源由高頻電源調制器和高頻高壓發生器組成。高頻電源調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、高穩定性、大功率等特點。高頻高壓發生器具有體積小、可靠性高、絕緣性能好等特點。

1.1 高頻電源調制器的設計

高頻電源調制器主要包括千伏控制部分、毫安控制部分和單片機控制部分。其工作原理是通過單片機控制部分發出工作指令，對千伏控制部分、毫安控制部分分別進行控制，給出千伏、毫安設定值；然后，千伏控制部分和毫安控制部分分別根據千伏和毫安設定值進行閉環工作，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 系統電源拓撲選擇

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

1.1.2 逆變電路選擇

三相電源整流后的最高電壓可達600 kV，而主功率電路在中、大功率逆變電源中常用的電路拓撲結構有推挽電路、半橋電路和全橋電路。推挽電路開關管電壓應力過大，半橋電路主功率開關管的電流應力也大，因此選擇全橋電路作為整個系統的主功率電路。

1.1.3 電源調制器電路拓撲選擇

移動式高頻X射線機的設計開發從本質上講就是要設計一款能夠適應X射線機使用要求的高度穩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)，而且在整個調整范圍都要求輸出穩定，線路及變壓器的分布參數對系統的影響很大,故而設計難度非常大。經過多次試驗，設計出電源調制器電路(見圖1)。

圖1 電源調制器電路設計原理框圖

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，具有開關速度快、通流能力強、控制驅動電路簡單等優點，故在設計中采用IGBT作為主功率器件。為了降低開關損耗，采用諧振軟開關變換技術。控制采用串口通信雙單片機系統，組成人機交換界面，電源變換器中的單片機通過串口得到操作指令，對電源變換器的工作狀態進行控制。千伏控制采用IGBT斬波調壓電路，其結構簡單，工程上易于實現。逆變電路采用IGBT，PWM(脈沖寬度調制)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構。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(場效應管)，PWM半橋變換電路，此種電路結構簡單，驅動電路簡單且易于實現高頻化[1]。

1.2 高頻超高壓發生器的設計

高頻高壓發生器由高壓變壓器、倍壓整流器、燈絲變壓器及測量取樣回路組成。高壓發生器將控制器輸出的高頻電源進行升壓變壓，再由倍壓整流電路經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，控制器再根據反饋信號對輸出的高電壓進行控制，最終得到輸出穩定的高壓電源。

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。經過多次試驗對比,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 取樣電路設計

在工頻X 射線機中，當管電流增加時,即使變壓器初級電壓保持不變，高壓發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算次級高壓的取樣方法。在高頻高壓發生器中因采用了次級多倍壓整流，通過測試數據可以看出，當輸入電壓保持不變時，電源輸出的電壓隨著負載的增加出現很大衰減。為了保證輸出高壓的穩定，在高頻高壓發生器中高壓取樣采用次級電阻分壓直接取樣。

1.2.3 主變壓器設計

高頻高壓發生器的頻率提高到40 kHz后，普通常規低速器件和磁性材料已經不能滿足要求。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。高頻高壓發生器工作時無功電流較大，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多，分布電容大，且漏電感大，會給電源調制電路帶來較大影響。經過多次試驗，采用分段繞組結構以減小其對電源調制電路的影響[2]。

1.2.4 燈絲變壓器設計

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

1.2.5 高壓絕緣結構設計

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

1.3 關鍵技術突破和創新點

專用高頻超高壓電源及移動式高頻大功率X射線機的關鍵技術突破和創新點為：首次將高頻逆變電源技術應用在工業X射線探傷機上，高壓發生器輸出高壓紋波小，可用于工業CT檢測。

其他設計特點有：采用軟開關特性的準諧振電源變換器來驅動高壓發生器；管壓、管流調節速度快；管壓、管流調節精度高；高壓變壓器的設計采用分段繞組結構；倍壓整流器的設計采用對稱梯形分布結構；燈絲變壓器采用樹脂澆鑄模塊化設計；高壓絕緣結構設計采用油紙復合絕緣設計以減小體積；高壓發生器的特點在于采用多種特殊的均場結構、絕緣材料、分段繞組等工藝。

2 與國外同類產品的技術指標對比以及具體應用

2.1 HS-XY系列高頻X射線機性能

在解決關鍵技術之后，結合已有的整機生產與制造技術,最終設計并生產了HS-XY系列高頻移動式X射線機。HS-XY-450和HS-XY-600專用高頻超高壓電源及移動式高頻X射線機整機性能良好，其指標如表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射線機性能指標

2.2 與國外同類產品的技術指標對比

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射線機的樣機進行長期試驗后，試驗數據表明:穿透力、透照靈敏度、X射線輻射角，計時器計時誤差、管電壓、過電壓保護、過電流保護、溫度保護裝置、工作頻率、紋波系數、成像靈敏度、圖像分辨率、安全性、穩定度、外觀等各檢測項目均達到檢測指標要求。其使用效果和主要技術參數完全達到世界先進產品的水平，HS-XY-450和HS-XY-600移動式高頻電源與國外產品指標對比如表2，3所示。

表2 HS-XY-450移動式高頻電源與國外產品指標對比

表3 HS-XY-600移動式高頻電源與國外產品指標對比

經過與進口設備性能數據的對比分析，可以看出HS-XY-450和HS-XY-600高頻X射線機在管流調整性能上更為精確，優于進口設備。

2.3 450 kV和600 kV高頻X射線機應用

450 kV和600 kV高頻X射線機產品問世后，經多方用戶使用，得到了一致的好評和認可。用戶反饋使用情況具體如下所述。

(1)由于設備管電流大，曝光時間減少了一半，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)設備的重復精度高，底片黑度均勻，底片的合格率達到100%。

(4)工作頻率達到40 kHz,成像清晰穩定，特別適合作為工業CT光源。

3 結語

HS-XY系列高頻移動式X射線機的研制成功，提高了國產X射線機的整體技術水平，打破了國外產品對中國市場高端產品的壟斷，填補了國內的空白，對我國無損檢測行業的技術進步起到了很大的促進作用，同時也提高了企業的綜合實力。