CN203590579U - 工业x射线探伤机用的高频高压开关电源装置 - Google Patents

工业x射线探伤机用的高频高压开关电源装置 Download PDF

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张彬
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Abstract

一种工业X射线探伤机用的高频高压开关电源装置,采用双高频逆变结构、调幅和高频灯丝的控制方式,使用压控震荡及驱动电路,使开关电源可以抵抗电网的干扰,提高了直流电压的稳定度。电压回路采用调幅方式来控制输入,使倍压电路的电压波形更稳定无失真,提高电路的可靠性。使用AC-DC,DC-AC的双逆变回路来控制电压,AC-DC采用高频全桥闭环逆变电路,使其输出的直流电压稳定,不受电网波动的影响,给DC-AC闭环电压回路逆变电路提供稳定的直流电压。通过调节AC-DC的输出电压来调节整个设备的输入电压,使其具有了抵抗电网波动的能力。采用高频双闭环灯丝回路,对于灯丝变压器的耐压问题采用多级变压器耦合,减小每一级的耐压。

Description

工业X射线探伤机用的高频高压开关电源装置
技术领域
本实用新型涉及一种开关电源装置,尤其涉及一种工业X射线探伤机用的高频高压开关电源装置。 
背景技术
欧美发达国家,传统的工频X射线探伤机已被淘汰,取而代之的是性能优越的高频高压电源的X射线探伤机,国内的市场需求也正朝着这个方向转变,但进口产品所配置的高频高压电源装置价格昂贵,制约这类探伤机的扩大应用。 
目前这种用途的高频高压电源装置所采用的电路是先将220V AC电源通过整流桥式电路整流成310V直流,再将直流电送给逆变电路,通过逆变电路的PWM的脉宽调制技术控制逆变的输出电压,再将逆变输出电压传给主变压器,主变压器再连接倍压整流电路,最后输出高压,从而实现管电压的控制。灯丝电路逆变部分与高压回路类似,只是灯丝变压器输出后整流,然后直接接X射线管灯丝,没有倍压整流。但由于X射线管阳极接地,灯丝变压器接在高压端,对灯丝变压器的耐压要求高。由于上述的电路结构,使得发生器对所在电网的电源品质要求较高,但国内大部分的工厂电网的功率因数都不高,会造成高压发生器的输出不稳定,严重影响电压输出的稳定度,降低X射线管成像质量,影响用户使用。高频高压开关电源的输出电压最终是加在X射线管的两端,从而是X射线管产生X射线,不同的电压值会产生波长不同的X射线,但由于电压输出的纹波大,同时会产生无用波长的X射线,干扰成像的清晰度。解决纹波大的方法就是提高主逆变电路的开关的频率,频率越高,纹波越小。 
发明内容
针对现有高频高压开关电源装置存在的问题,本实用新型提供了一种采用双高频逆变结构、调幅和高频灯丝的控制方式,可提高直流电压稳定度和电路可靠性的工业X射线探伤机用的高频高压开关电源装置。 
解决上述技术问题所采取的具体技术措施如下: 
一种工业X射线探伤机用的高频高压开关电源装置,其特征在于:其电路由双闭环电压回路和高频双闭环灯丝回路构成,其中:双闭环电压回路由AC-DC和DC-AC的双逆变闭环电压回路组成,在第一级AC-DC闭环电压回路中,交流电220V、50Hz的电网电压与整流桥DZ2连接,整流桥DZ2的输出连接电解电容C2,电解电容C2的正极连接绝缘栅双极型晶体管Q1、Q2,电解电容C2的负极连接绝缘栅双极型晶体管Q5、Q6,由4个绝缘栅双极型晶体管Q1、Q2、Q5、Q6组成第一级全桥逆变电路,第一级全桥逆变电路的输出经过隔直电容C1连接高频变压器T1的初级,高频变压器T1的次级的两组线圈分别连接整流桥DZ1和DZ3,整流桥DZ1的输出连接滤波电感L1和滤波电容C3,整流桥DZ3的输出连接滤波电感L2和滤波电容C4,滤波电感L2连接滤波电容C3,两组直流输出串联,滤波电感L1为正输出,滤波电容C4经过分流器R6为负输出,滤波电感L1连接采样电阻R1;在第二级DC-AC闭环电压回路中,第一级AC-DC闭环电压回路的正输出连接绝缘栅双极型晶体管Q3和Q4,负输出连接绝缘栅双极型晶体管Q7和Q8,由绝缘栅双极型晶体管Q3、Q4、Q7、Q8组成第二级全桥逆变电路,第二级全桥逆变电路的输出连接主变压器T2的初级,主变压器T2的次级连接倍压整流模块BY1,主变压器T2次级的一端为电流的采样点,倍压整流模块BY1与倍压整流模块BY2相连,倍压整流模块BY2与倍压整流模块BY3相连,倍压整流模块BY3和倍压整流模块BY4相连,倍压整流模块BY4输出连接采样电阻R3,采样电阻R3为电压的采样点,倍压整流模块BY4的输出连接限流电阻R4,限流电阻R4和限流电阻R7、限流电阻R8串联,限流电阻R8连接X射线管的阴极大焦点灯丝R9和小焦点灯丝R10的公共点,射线管阳极接地;
在高频双闭环灯丝回路中:三个变压器T11、T12、T13组成大焦点灯丝变压器,三个变压器T14、T15、T16组成小焦点灯丝变压器,48V开关电源的正极连接功率场效应管Q11和Q12,负极连接功率场效应管Q13和Q14,功率场效应管Q11、Q12、Q13和Q14组成全桥逆变灯丝电路,全桥逆变灯丝电路的输出一端连接焦点切换继电器K1的中间触点,焦点切换继电器K1的常闭触点连接大焦点灯丝变压器T11初级的一端,同时焦点切换继电器K1的常开触点连接小焦点灯丝变压器T14初级的一端,大焦点灯丝变压器T11初级的另一端和小焦点灯丝变压器T14初级的另一端相连再连接到采样变压器T10的次级,采样变压器T10次级的另一端连接到全桥逆变灯丝电路输出的另一端,采样变压器T10的初级为内环控制回路的采样点,大焦点灯丝变压器T11的次级连接大焦点灯丝变压器T12的初级,大焦点灯丝变压器T12的次级连接大焦点灯丝变压器T13的初级,大焦点灯丝变压器T13的次级输出连接到整流二极管D1和D2,将交流电整流成直流电再连接到X射线管的大焦点灯丝R11上,小焦点灯丝变压器T14的次级连接小焦点灯丝变压器T15的初级,小焦点灯丝变压器T15的次级连接小焦点灯丝变压器T16的初级,小焦点灯丝变压器T16的次级连接到整流二极管D3和D4,将交流电整流成直流电再连接到X射线管的小焦点灯丝R12上。
本实用新型的积极效果:本实用新型采用双高频逆变结构、调幅和高频灯丝的控制方式,使用压控震荡及驱动电路,重新设计各功能电路,使开关电源可以抵抗电网的干扰,同时由于采用高频逆变技术,电压回路45K、灯丝回路50K获得了较小的纹波系数,提高了直流电压的稳定度。电压回路采用调幅方式来控制输入,使倍压电路的电压波形更稳定无失真,提高电路的可靠性。使用AC-DC,DC-AC的双逆变回路来控制电压,其中第一级AC-DC采用高频全桥闭环逆变电路,使其输出的直流电压稳定,不受电网波动的影响,给第二级DC-AC闭环电压回路逆变电路提供稳定的直流电压。然后通过调节第一级AC-DC高频全桥闭环逆变电路的输出电压,来调节整个设备的输入电压,使其具有了抵抗电网波动的能力。采用高频双闭环灯丝回路,对于灯丝变压器的耐压问题采用多级变压器耦合,减小每一级的耐压。 
附图说明
图1是本实用新型的电压回路原理框图; 
图2是本实用新型的电压回路电路原理图;
图3是本实用新型中主逆变器的输出波形;
图4是本实用新型的灯丝回路原理框图;
图5是实用新型的灯丝回路电路原理图。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型做详细说明。 
一种工业X射线探伤机用的高频高压开关电源装置,如图1至图5所示,其电路由双闭环电压回路和高频双闭环灯丝回路构成,其中:双闭环电压回路由AC-DC和DC-AC的双逆变闭环电压回路组成,在第一级AC-DC闭环电压回路中,交流电220V、50Hz的电网电压与整流桥DZ2连接,整流桥DZ2的输出连接电解电容C2,电解电容C2的正极连接绝缘栅双极型晶体管Q1、Q2,电解电容C2的负极连接绝缘栅双极型晶体管Q5、Q6,由4个绝缘栅双极型晶体管Q1、Q2、Q5、Q6组成第一级全桥逆变电路,第一级全桥逆变电路的输出经过隔直电容C1连接高频变压器T1的初级,高频变压器T1的次级的两组线圈分别连接整流桥DZ1和DZ3,整流桥DZ1的输出连接滤波电感L1和滤波电容C3,整流桥DZ3的输出连接滤波电感L2和滤波电容C4,滤波电感L2连接滤波电容C3,两组直流输出串联,滤波电感L1为正输出,滤波电容C4经过分流器R6为负输出,滤波电感L1连接采样电阻R1;在第二级DC-AC闭环电压回路中,第一级AC-DC闭环电压回路的正输出连接绝缘栅双极型晶体管Q3和Q4,负输出连接绝缘栅双极型晶体管Q7和Q8,由绝缘栅双极型晶体管Q3、Q4、Q7、Q8组成第二级全桥逆变电路,第二级全桥逆变电路的输出连接主变压器T2的初级,主变压器T2的次级连接倍压整流模块BY1,主变压器T2次级的一端为电流的采样点,倍压整流模块BY1与倍压整流模块BY2相连,倍压整流模块BY2与倍压整流模块BY3相连,倍压整流模块BY3和倍压整流模块BY4相连,倍压整流模块BY4输出连接采样电阻R3,采样电阻R3为电压的采样点,倍压整流模块BY4的输出连接限流电阻R4,限流电阻R4和限流电阻R7、限流电阻R8串联,限流电阻R8连接X射线管的阴极大焦点灯丝R9和小焦点灯丝R10的公共点,射线管阳极接地; 
在高频双闭环灯丝回路中:三个变压器T11、T12、T13组成大焦点灯丝变压器,三个变压器T14、T15、T16组成小焦点灯丝变压器,48V开关电源的正极连接功率场效应管Q11和Q12,负极连接功率场效应管Q13和Q14,功率场效应管Q11、Q12、Q13和Q14组成全桥逆变灯丝电路,全桥逆变灯丝电路的输出一端连接焦点切换继电器K1的中间触点,焦点切换继电器K1的常闭触点连接大焦点灯丝变压器T11初级的一端,同时焦点切换继电器K1的常开触点连接小焦点灯丝变压器T14初级的一端,大焦点灯丝变压器T11初级的另一端和小焦点灯丝变压器T14初级的另一端相连再连接到采样变压器T10的次级,采样变压器T10次级的另一端连接到全桥逆变灯丝电路输出的另一端,采样变压器T10的初级为内环控制回路的采样点,大焦点灯丝变压器T11的次级连接大焦点灯丝变压器T12的初级,大焦点灯丝变压器T12的次级连接大焦点灯丝变压器T13的初级,大焦点灯丝变压器T13的次级输出连接到整流二极管D1和D2,将交流电整流成直流电再连接到X射线管的大焦点灯丝R11上,小焦点灯丝变压器T14的次级连接小焦点灯丝变压器T15的初级,小焦点灯丝变压器T15的次级连接小焦点灯丝变压器T16的初级,小焦点灯丝变压器T16的次级连接到整流二极管D3和D4,将交流电整流成直流电再连接到X射线管的小焦点灯丝R12上。
从图1可以看出本实用新型的电压回路是采用双闭环控制方式,在第一级AC-DC闭环电压回路中,先将交流220V,50Hz的电网电压通过整流桥DZ2,整流成310V的直流电。然后通过由绝缘栅双极型晶体管Q1、Q2、Q5、Q6组成的逆变电路,将310V直流电逆变成高频交流电,然后再通过变压器T1,整流桥DZ1和DZ3,最后输出0V-400V可调的直流电,输出方式采用目前流行的PWM脉宽调制技术。并且在此处有电压反馈环节,使第一级的AC-DC电路输出稳定,即使电网输入电压有波动,由于有闭环控制单元的控制,保证输出稳定,对扰动的抑制能力强,响应速度快。再将0-400V直流电直接送给下一级逆变电路,将直流电逆变成45kHz的交流电,送给主变压器T2,主变压器T2输出连接倍压整流电路,最终输出20-450kV的直流电。在此处还有反馈环节,将最终的电压输出反馈到控制电路,控制电路进行PID调节,形成大闭环。最后组成双闭环控制方式,内环对电网或者其他扰动,能起到快速响应的作用,稳定输出。外环,提高最终输出的响应时间,提高输出的稳定性和重复性。 
本实用新型的这种连接方式,改变输出是通过改变第二级逆变电路输入直流电的幅值,这样做就可以将逆变电路的控制门开到最大,不用调节输出的脉宽,只需要调节幅值,这样做的好处是,不会造成波形畸变,对开关管冲击小,所以可以采用更高的逆变频率和提高其后面的倍压回路的传输效率,同时可以减小倍压电路中高压电容的失效率。逆变输出波形如图3所示。 
图4是灯丝回路的原理框图,从图中可以看出灯丝也是采用双环控制,原理如下:将48V的直流电送给由功率场效应管Q11、Q12、Q13和Q14组成的全桥逆变灯丝电路,逆变成50kHz的交流电送给大焦点灯丝变压器T11或者小焦点灯丝变压器T14,然后大焦点灯丝变压器T13或者小焦点灯丝变压器T16的输出经过由整流二极管D1和整流二极管D2组成的整流桥或者由整流二级管D3和整流二极管D4组成的整流桥,送给灯丝。图5是灯丝回路的电路原理图,第一个闭环是通过采样变压器T10采样,将大焦点灯丝变压器T11或者小焦点灯丝变压器T14的初级电压作为反馈量来控制输出,第二个闭环是通过管电流即开关电源的电流来控制输出。第一闭环有两个作用,一个是可以在没有管电流的情况下,给灯丝加上可以调节的预热电流。第二个作用是可以对灯丝进行保护,比如有无灯丝电流,灯丝极限电流等。第二个闭环作用是稳定管电流,提高精度和重复性。 
灯丝逆变电路输出与灯丝变压器电路连接方式见图5,由于灯丝变压器直接与X射线管阴极相连,电压非常高,对变压器的耐压要求非常高,所以本发明中,灯丝变压器采用多级变压器串联的结构,如图5所示,T11、T12、T13组成大焦点灯丝变压器, T14、T15、T16组成小焦点灯丝变压器,可以将高电压分成三等份,以减小相邻绕组间的电压,提高可靠性。最后将输出整流成直流电,可以使灯丝上产生的电子云量更稳定,有利于输出射线的稳定度。实验证明,电压回路采用双闭环设计,提高了对电网波动的抑制能力。 

Claims (1)

1.一种工业X射线探伤机用的高频高压开关电源装置,其特征在于:其电路由双闭环电压回路和高频双闭环灯丝回路构成,其中:双闭环电压回路由AC-DC和DC-AC的双逆变闭环电压回路组成,在第一级AC-DC闭环电压回路中,交流电220V、50Hz的电网电压与整流桥DZ2连接,整流桥DZ2的输出连接电解电容C2,电解电容C2的正极连接绝缘栅双极型晶体管Q1、Q2,电解电容C2的负极连接绝缘栅双极型晶体管Q5、Q6,由4个绝缘栅双极型晶体管Q1、Q2、Q5、Q6组成第一级全桥逆变电路,第一级全桥逆变电路的输出经过隔直电容C1连接高频变压器T1的初级,高频变压器T1的次级的两组线圈分别连接整流桥DZ1和DZ3,整流桥DZ1的输出连接滤波电感L1和滤波电容C3,整流桥DZ3的输出连接滤波电感L2和滤波电容C4,滤波电感L2连接滤波电容C3,两组直流输出串联,滤波电感L1为正输出,滤波电容C4经过分流器R6为负输出,滤波电感L1连接采样电阻R1;在第二级DC-AC闭环电压回路中,第一级AC-DC闭环电压回路的正输出连接绝缘栅双极型晶体管Q3和Q4,负输出连接绝缘栅双极型晶体管Q7和Q8,由绝缘栅双极型晶体管Q3、Q4、Q7、Q8组成第二级全桥逆变电路,第二级全桥逆变电路的输出连接主变压器T2的初级,主变压器T2的次级连接倍压整流模块BY1,主变压器T2次级的一端为电流的采样点,倍压整流模块BY1与倍压整流模块BY2相连,倍压整流模块BY2与倍压整流模块BY3相连,倍压整流模块BY3和倍压整流模块BY4相连,倍压整流模块BY4输出连接采样电阻R3,采样电阻R3为电压的采样点,倍压整流模块BY4的输出连接限流电阻R4,限流电阻R4和限流电阻R7、限流电阻R8串联,限流电阻R8连接X射线管的阴极大焦点灯丝R9和小焦点灯丝R10的公共点,射线管阳极接地;在高频双闭环灯丝回路中:三个变压器T11、T12、T13组成大焦点灯丝变压器,三个变压器T14、T15、T16组成小焦点灯丝变压器,48V开关电源的正极连接功率场效应管Q11和Q12,负极连接功率场效应管Q13和Q14,功率场效应管Q11、Q12、Q13和Q14组成全桥逆变灯丝电路,全桥逆变灯丝电路的输出一端连接焦点切换继电器K1的中间触点,焦点切换继电器K1的常闭触点连接大焦点灯丝变压器T11初级的一端,同时焦点切换继电器K1的常开触点连接小焦点灯丝变压器T14初级的一端,大焦点灯丝变压器T11初级的另一端和小焦点灯丝变压器T14初级的另一端相连再连接到采样变压器T10的次级,采样变压器T10次级的另一端连接到全桥逆变灯丝电路输出的另一端,采样变压器T10的初级为内环控制回路的采样点,大焦点灯丝变压器T11的次级连接大焦点灯丝变压器T12的初级,大焦点灯丝变压器T12的次级连接大焦点灯丝变压器T13的初级,大焦点灯丝变压器T13的次级输出连接到整流二极管D1和D2,将交流电整流成直流电再连接到X射线管的大焦点灯丝R11上,小焦点灯丝变压器T14的次级连接小焦点灯丝变压器T15的初级,小焦点灯丝变压器T15的次级连接小焦点灯丝变压器T16的初级,小焦点灯丝变压器T16的次级连接到整流二极管D3和D4,将交流电整流成直流电再连接到X射线管的小焦点灯丝R12上。
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