CN111212511A - 一种直流高压电源及低能电子加速器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种直流高压电源及低能电子加速器，低能电子加速器包括安装筒和设于安装筒中的加速管，直流高压电源包括设于安装筒内部的高压模块和设于安装筒外部的高压电源控制器，高压模块包括套设于加速管外周的环状的升压塔和设于升压塔上的升压电路，高压电源控制器与升压电路连接。本申请提供的直流高压电源与加速管组合后整体的体积较小，大大减小整个低能电子加速器的体积，实现低能电子加速器的小型化。

Description

一种直流高压电源及低能电子加速器

技术领域

本发明涉及电子加速器技术领域，更具体地说，涉及一种直流高压电源及低能电子加速器。

背景技术

工业辐照电子加速器是指主要用于辐照各种材料、参与化学反应和进行灭菌消毒等工业生产过程的电子加速器装置。其中应用最广泛的属高频高压型电子加速器和谐振变压器型电子加速器，这两种机型在低能段(低于500keV)，因需要大功率高频电源或中频发电机等电源系统供电，来使加速器内部整流倍压系统升压，导致整个加速器体积比较大。

综上所述，如何实现加速器的小型化，是目前本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种直流高压电源，其与加速管组合后整体的体积较小，大大减小整个低能电子加速器的体积，实现低能电子加速器的小型化。本发明的另一目的是提供一种包括上述直流高压电源的低能电子加速器。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种直流高压电源，应用于低能电子加速器，所述低能电子加速器包括安装筒和设于所述安装筒中的加速管；所述直流高压电源包括：

设于所述安装筒内部的高压模块，所述高压模块包括套设于所述加速管外周的环状的升压塔和设于所述升压塔上的升压电路；

设于所述安装筒的外部的高压电源控制器，所述高压电源控制器与所述升压电路连接。

优选的，所述升压塔包括多个环形的升压塔层级环，每一所述升压塔层级环由至少两个圆弧形的升压塔层级片沿所述加速管的周向拼接而成，全部所述升压塔层级环在所述加速管的外周从下至上依次堆叠设置。

优选的，所述升压电路包括变压器及与所述变压器连接的全波倍压整流电路。

优选的，所述全波倍压整流电路包括第一整流模块及第二整流模块，所述第一整流模块和所述第二整流模块均包括第一电容单元、第二电容单元及二极管单元，其中：

所述第一电容单元和所述第二电容单元均包括n个串联的电容，所述二极管单元包括2n个串联的二极管，所述第一电容单元中的第i个电容与所述二极管单元中的第2i-2个二极管及第2i-1个二极管并联，所述第二电容单元中的第j个电容与所述二极管单元中的第2j-1个二极管及第2j个二极管并联，1＜i＜n，1≤j＜n；

所述第一电容单元的第一个电容的第一端、所述第二电容单元中的第一个电容的第一端及所述二极管单元中的第一个二极管的阴极均与所述变压器连接。

优选的，所述全波倍压整流电路中每若干个电容为一个电容组，每若干个二极管为一个二极管组；每一所述升压塔层级片包括顶片和底片，同一所述升压塔层级片中的所述顶片和所述底片之间设有一安装槽，每一所述安装槽中设有一个所述电容组和一个所述二极管组。

优选的，所述顶片和所述底片均为绝缘片。

优选的，所述升压塔还包括若干个竖直设置、且位于所述升压塔层级片外侧的立柱，所述升压塔层级片与所述立柱固定连接。

优选的，所述升压塔的底部设有朝向所述升压塔送风的风扇。

优选的，所述升压塔的顶部设有均压环。

一种低能电子加速器，包括安装筒、设于所述安装筒中的加速管、以及上述任意一种直流高压电源。

通过上述方案，本申请提供的直流高压电源的有益效果在于：

本发明提供的直流高压电源包括设置在低能电子加速器的安装筒内部的高压模块和设置在安装筒外部的高压电源控制器，其中，高压模块包括套设于加速管外周的环状的升压塔和设于升压塔上的升压电路；高压电源控制器与升压电路连接。

本申请提供的直流高压电源采用环状塔式结构的升压塔，并在升压塔上设置升压电路来提供高压。由于升压塔可以套设在加速管的外周，而不需要在安装筒内设置与加速管并排放置的内置变压器，也不需要采用设置在安装筒外部的外置变压器来提供高压，因此，大大减小了整个低能电子加速器的体积，实现低能电子加速器的小型化。

此外，应当理解的是，本申请提供的低能电子加速器包括上述直流高压电源，因此，本申请提供的低能电子加速器同样具备上述有益效果。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明所提供的直流高压电源装配状态下的结构示意图；

图2为图1中的局部爆炸示意图；

图3为本发明所提供的整流单元的结构示意图；

图4为本发明所提供的一种直流高压电源的工作逻辑图；

图5为本发明所提供的一种全波倍压整流电路原理图；

图6为本发明所提供的一种移相全桥软开关电路原理图。

图1～6中的附图标记为：

安装筒1、筒顶盖11、筒体12、筒底座13、灯丝电源2、电子枪3、加速管4、冷却水道5；

高压电源控制器6、交流接触器601、保险丝FU、滤波器602、整流桥603、防浪涌电路JP1、PFC电路604、滤波电路605、移相全桥软开关电路606、电流互感器JP2、IGBT驱动电路607、保护电路608、显示电路609、控制电路610、远程控制电路611、取样电路612；

高压模块7、均压环71、升压塔72、立柱721、升压塔层级片722、底座723、风扇73、升压电路74、变压器741、全波倍压整流电路742、第一电容单元7421、第二电容单元7422、二极管和电容7423。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参考图1，本申请提供的低能电子加速器包括以下部件：安装筒1、加速管4、直流高压电源等。

安装筒1一般采用钢材料制成，其主要包括筒顶盖11、筒体12、筒底座13，三者形成密闭的腔体结构，腔体结构中充有惰性绝缘气体，惰性气体可采用绝缘效果好的SF6，或者采用氮气和二氧化碳的混合气体，惰性气体需要充至一定压力(例如0.3至0.6MPa)来增加直流高压电源的升压塔层级环的层级间耐压。安装筒1的内壁中间设置有冷却水道5，筒体12的顶端和底端需要开设冷却水道5的进水口和出水口，冷却水道5内通有冷却水，可以为安装筒1降温。安装筒1还可以设置有压力表和安全阀以确保安全。

加速管4设置在安装筒1中，加速管4的顶部设置有电子枪3和灯丝电源2，灯丝电源2安装于高压模块7的上端，灯丝电源2为悬浮模块，其输出电压为对高压模块7输出电压。灯丝电源隔离变压器置于安装筒1的顶部，其低压端位于顶部，输出在下端，其隔离采样电路也位于其中；绝缘方式采用硅橡胶灌封。本申请主要对直流高压电源进行改进，加速管4、电子枪3的具体结构和工作原理可参考现有技术。

本申请提供的直流高压电源包括高压模块7和高压电源控制器6。

高压模块7设置于安装筒1的内部，高压模块7包括升压塔72和升压电路74。

升压塔72呈环状，且升压塔72套设固定于加速管4的外周。升压塔72的结构有多种选择，为了方便拆换，如图2所示，优选升压塔72采用多层结构，即升压塔72包括多个环形的升压塔层级环，全部升压塔层级环在加速管4的外周从下至上依次堆叠设置。为了进一步提高拆换的便利性，优选每一层环形的升压塔层级环由至少两个圆弧形的升压塔层级片722沿加速管4的周向拼接而成，每一升压塔层级环可以具体采用四个圆弧形的升压塔层级片722拼接，每个升压级层级片均可以单独拆卸更换，使维护更加方便快捷。

升压电路74设置于升压塔72上。升压电路74的具体结构有多种选择，例如，本申请提供的一种实施例中，高压模块7的升压采用变压器741及全波倍压电路实现，此时，升压电路74包括用于升压的变压器741和与变压器741连接的全波倍压整流电路742，全波倍压整流电路742的结构可以参考现有技术，本申请同样提供一种可行方案。

本申请提供的一种全波倍压整流电路742的实施例中，如图5所示，全波倍压整流电路742包括第一整流模块及第二整流模块，第一整流模块和第二整流模块均包括第一电容单元7421、第二电容单元7422及二极管单元，其中：第一电容单元7421和第二电容单元7422均包括n个串联的电容，二极管单元包括2n个串联的二极管，第一电容单元7421中的第i个电容与二极管单元中的第2i-2个二极管及第2i-1个二极管并联，第二电容单元7422中的第j个电容与二极管单元中的第2j-1个二极管及第2j个二极管并联，1＜i＜n，1≤j＜n；第一电容单元7421的第一个电容的第一端、第二电容单元7422中的第一个电容的第一端及二极管单元中的第一个二极管的阴极均与变压器741连接。

进一步的，本申请提供的一种实施例中，全波倍压整流电路742中每若干个电容为一个电容组，每若干个二极管为一个二极管组；每一升压塔层级片722包括顶片和底片，同一升压塔层级片722中的顶片和底片之间设有一安装槽，每一安装槽中设有一个电容组和一个二极管组。具体的，单个升压塔层级片722内安装有多个整流二极管和高压陶瓷电容，此时升压塔层级片722与安装于其内部的二极管、电容组成独立的整流单元，整理单元的结构如图3所示，图中的编号7423指安装于升压塔层级片722中二极管和电容。

在实际应用中，升压电路74中的电子元器件需要通过走线实现电路连接，考虑到升压电路74设置于升压塔72上，因此，在实际应用中，可以将升压电路74的走线预先设置在升压塔72上，例如，将走线具体设置在升压塔层级片722上，此时升压塔层级片722相当于PCB板，来实现电路连接。

可选的，优选升压塔层级片722采用绝缘材料制成，即顶片和底片均为绝缘片，从而起到绝缘的作用，绝缘材料可以具体选用环氧树脂。可选的，在实际装配时，还可以设置立柱721，即升压塔72还包括若干个竖直设置、且位于升压塔层级片722外侧的立柱721，升压塔层级片722与立柱721通过螺栓连接、或其他机械结构保持固定。立柱721采用聚四氟乙烯、或环氧等绝缘材料制成。在实际应用中，对于采用四个升压塔层级片722拼接形成一层升压塔层级环的方案，相应的，立柱721可以设置四个。

可选的，为了确保元件工作环境温度，避免温度过高而影响其性能，本申请提供的一种实施例中，升压塔72的底部设有朝向升压塔72送风的风扇73，风扇73可以具体设置在升压塔72的底座723上，来为整个高压模块7进行风冷，另外，安装筒1内还需要配合设置独立的冷却风道。

可选的，为了使顶部高压端的端部高压电场得以均匀分布降低该处的局部打火概率，本申请提供的一种实施例中，升压塔72的顶部设有均压环71。

高压电源控制器6设置于安装筒1的外部，高压电源控制器6与高压模块7的升压电路74连接。请参考图4，高压电源控制器6主要包括依次连接的交流接触器601、保险丝FU(即图4所示的保险丝FU1、保险丝FU2、保险丝FU3)、滤波器602、整流桥603、防浪涌电路JP1、PFC电路604、滤波电路605、移相全桥软开关电路606、电流互感器JP2；还包括IGBT驱动电路607、保护电路608、显示电路609、控制电路610、远程控制电路611、取样电路612。基本工作原理为：输入三相380VAC，经过整流滤波变为直流，经过移相全桥软开关电路606变为高频交流电，然后经过变压器741升压，隔离。再经过全波倍压整流电路742整流滤波升压，变为高压直流。

其中，取样电路612通过置于升压塔72中的高压电阻进行分压取样，以及串联在升压电路74中的电阻进行输出电流取样，将取样通过同轴线缆传输至控制电路610，控制电路610将取样经放大滤波处理后，提供给闭环控制电路，经PID运算后便可调整PWM芯片输出的驱动的占空比，以此来控制IGBT驱动电路607，进而调整输出状态。

电源逆变电路采用移相全桥软开关电路606，其电路原理可以参考图6所示的电路结构。传统的硬开关电路当功率很大时，开关器件发热严重，电磁噪声高，并且体积大，而移相全桥软开关电路606具有开关损耗小、噪声小、输出纹波参数优良的特点，同时在低负载时稳定性好。

本申请提供的直流高压电源由多模块系统组成，高压电源控制器6和高压模块7为接地模块，输入为AC380V，输出电压为对地电压，采用各个模块独立运行，若模块出现故障，只需更换对应故障模块即可。安全设计上，整机外部任何部位都没有高压器件外露，确保操作者使用安全。高压模块7与加速器负载一起安装于安装筒1内，并充以惰性气体来绝缘，由高压电源控制器6控制和监测高压的升压情况，灯丝电源2悬浮设置在高压模块7的高压输出端，这些可以提供给低能电子加速器负载加速管4和电子枪3所需的高压和灯丝电源2功率。相比于现有技术，该直流高压电源集成度高、结构更紧凑，体积较小，实现了低能电子加速器的小型化，解决了现有技术中低能电子加速器电源体积大、效率低、成本高、工作不稳定的问题。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上对本发明所提供的直流高压电源及低能电子加速器进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种直流高压电源，其特征在于，应用于低能电子加速器，所述低能电子加速器包括安装筒(1)和设于所述安装筒(1)中的加速管(4)；所述直流高压电源包括：

设于所述安装筒(1)内部的高压模块(7)，所述高压模块(7)包括套设于所述加速管(4)外周的环状的升压塔(72)和设于所述升压塔(72)上的升压电路(74)；

设于所述安装筒(1)的外部的高压电源控制器(6)，所述高压电源控制器(6)与所述升压电路(74)连接。

2.根据权利要求1所述的直流高压电源，其特征在于，所述升压塔(72)包括多个环形的升压塔层级环，每一所述升压塔层级环由至少两个圆弧形的升压塔层级片(722)沿所述加速管(4)的周向拼接而成，全部所述升压塔层级环在所述加速管(4)的外周从下至上依次堆叠设置。

3.根据权利要求2所述的直流高压电源，其特征在于，所述升压电路(74)包括变压器(741)及与所述变压器(741)连接的全波倍压整流电路(742)。

4.根据权利要求3所述的直流高压电源，其特征在于，所述全波倍压整流电路(742)包括第一整流模块及第二整流模块，所述第一整流模块和所述第二整流模块均包括第一电容单元(7421)、第二电容单元(7422)及二极管单元，其中：

所述第一电容单元(7421)和所述第二电容单元(7422)均包括n个串联的电容，所述二极管单元包括2n个串联的二极管，所述第一电容单元(7421)中的第i个电容与所述二极管单元中的第2i-2个二极管及第2i-1个二极管并联，所述第二电容单元(7422)中的第j个电容与所述二极管单元中的第2j-1个二极管及第2j个二极管并联，1＜i＜n，1≤j＜n；

所述第一电容单元(7421)的第一个电容的第一端、所述第二电容单元(7422)中的第一个电容的第一端及所述二极管单元中的第一个二极管的阴极均与所述变压器(741)连接。

5.根据权利要求4所述的直流高压电源，其特征在于，所述全波倍压整流电路(742)中每若干个电容为一个电容组，每若干个二极管为一个二极管组；每一所述升压塔层级片(722)包括顶片和底片，同一所述升压塔层级片(722)中的所述顶片和所述底片之间设有一安装槽，每一所述安装槽中设有一个所述电容组和一个所述二极管组。

6.根据权利要求5所述的直流高压电源，其特征在于，所述顶片和所述底片均为绝缘片。

7.根据权利要求2所述的直流高压电源，其特征在于，所述升压塔(72)还包括若干个竖直设置、且位于所述升压塔层级片(722)外侧的立柱(721)，所述升压塔层级片(722)与所述立柱(721)固定连接。

8.根据权利要求2至7任意一项所述的直流高压电源，其特征在于，所述升压塔(72)的底部设有朝向所述升压塔(72)送风的风扇(73)。

9.根据权利要求8所述的直流高压电源，其特征在于，所述升压塔(72)的顶部设有均压环(71)。

10.一种低能电子加速器，其特征在于，包括安装筒(1)、设于所述安装筒(1)中的加速管(4)、以及权利要求1至9任意一项所述的直流高压电源。

Images