王名杰
(山东省烟台职业学院 电气工程系 山东 烟台 264000)
摘 要： 提出解决X射线探伤机系统高压直流电源缺陷的电气控制系统方案，即采用高频交流电源为X射线探伤机系统高压线圈的电源，可减少X射线探伤机系统体积、减少成本、提高系统的稳定性和减少带负载时直流输出电压降落。
关键词： C-W倍压;X射线;高频交流电;纹波电压;电压降落
中图分类号：TG115 文献标识码：A 文章编号：1671-7597(2011)0920091-01
1 结论
随着医疗器械、压力管道和工业机械等行业快速发展，这些行业使用的金属、非金属等材料制成零部件，铸造及焊接部件进行无损检测，定其内部是否存在缺陷，为了实现对上述产品实行无损检测，就需要X射线及超声波探伤设备，而现有的X射线及超声波探伤设备高压电源的体积大，并且多采用进口的设备。为了减少体积和成本，本文设计出一款体积少成本低的高压直流电源。
450x射线探伤机系统使用的X射线管的主要参数：
1)X射线管的高压线圈电压为20～450kV连续可调;
2)X射线管的管电流调节范围小焦点工作时0～2mA，大焦点工作时0～10mA。
由此可见，450x射线探伤机系统是属于高电压、小电流的地方，所以可以使用倍压整流电路。所谓倍压整流，可以把较低的交流电压，用耐压较低的整流二极管和电容器，“整”出一个较高的直流电压。倍压整流电路一般按输出电压是输入电压的多少倍，分为二倍压、三倍压与多倍压整流电路。
450x射线探伤机系统采用单片机作为核心芯片，采用彩色液晶显示屏作为显示器，控制系统主要分为两部分，其一是控制X射线管的两端电压和流过的电流大少，其二是控制X射线管的灯丝两端电压和流过的电流大少。X射线管的控制回路有X射线管过电流保、直流电机驱动、X射线管交流调压、倍压电路、X射线管电压和X射线管电流的检测;X射线管的灯丝 控制回路有X射线管灯丝过电流保护、X射线管灯丝电源变压器和X射线管灯丝电流的检测等组成
2 450x射线探伤机系统直流高压电源框图
3 450x射线管直流高电压电路（仅以6倍压为例）
450x射线管的直流高电压控制系统框图如图1所示，该电路主要由运算放大器、放大驱动电路、直流电动机、工频自耦变压器、C-W倍压整流电路、X射线管的高电压和X射线管的高电压回路电流检测等电路组成，其工作原理是：Ug为系统的给定电压信号，Ui为系统的电流负反馈信号，系耐压值要大于1.5×2U2MAX，在使用上才安全可靠。通过运算放大器进行运算放大后，在经过功率放大电整流电路带载能力很差，输出很小的功率就会导致输出电压的大幅度跌路驱动直流电动机，直流电动机可以实现正反转，直流电动机与自耦变压落。假设输出电流为I，每个电容的容量相同为C，交流电源频率为f，输器转轴相连，当直流电动机正转带动工频自耦变压器转轴旋转，使工频自耦变压器输出交流电压升高，反之，当直流电动机反转带动工频自耦变压器转轴旋转，使工频自耦变压器输出交流电压降低，工频自耦变压器的二次侧与C-W倍压整流电路相连，使工频自耦变压器输出的交流电转化为高圈相连，X射线管的高电压线圈通过高压直流电将产生高压电场，与X射线管的高电压线圈有一个电流采样电路输出电流反馈信号Ui，电流反馈信号Ui加到运算放大器的输入端，形成一个闭环控制系统
450x射线管直流高电压电路的电路原理图如图2所示，Ug系统给定电 压，Ui系统反馈电压，R为负载电阻。450x射线管直流高电压电路工作原理 是：当系统的给定电压信号U
g为正时，通过电压比较器输出一个负的信号，该负的信号经过非门电路U21得到信号Uz为正(1)，双与非门U32的输出为低电平，正信号Uz经过非门电路U22得到信号Uf为负(0)，双与非门U31输出为高电平(1)，所以三极管V1导通，正电源VCC通过三极管V1、直流电动机和双与非门U32组成正转通路，使得高频自耦变压器输出转轴转动使输出电压升高，经过C-W倍压整流电路输出直流电压增高，负载得到较高的直流电压，反之，负载电压降低。高频倍压电路原理与工频电路相似。
在实际电路中，负载上的电压大约为UL=6X1.2U2。整流二极管所承受的最高反向电压均为U2MAX。电容器上的直流电压Uc4=U2MAX，Uc6=2U2MAX，Uc ，可以据此设计电路和选择元件，照这样办法，增加多个二极管和相同数量的电容器，既可以组成多倍压整流电路。电容器的工作原理是：Ug为系统的给定电压信号，Ui为系统的电流负反馈信号，系统的给定电压信号Ug整流电路带载能力很差，输出很小的功率就会导致输出电压的大幅度跌落。假设输出电流为I，每个电容的容量相同为C，交流电源频率为f，输出电压纹波δU为：
δU=[(N+1)N/2](I/fc)
由上式可以看出，输出电压纹波δU大小与负载电流I成正比，与交流
电源频率f和电容的容量C成反比。
则电压跌落为：
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ΔU=I[(2/3)n +(1/2)n -(1/6)n]/fc 式中N为整流输出电压的倍数(N=1,2,3……n)，由上式可以看出，输出电压纹波ΔU大小与负载电流I成正比，与交流电源频率f和电容的容量C成反比。
采用电子设计自动化软件EWB进行仿真的结果，假如电容采用10μF，交流电源的频率为4.9-5KHZ时负载两端的电压波形如图3所示，由图可以看出输出是稳定性较好的直流电压，负载两端的电压稳定在7.9KV。输出直流电压的纹波电压δU增大，负载两端的电压仍稳定在7.9KV。
有以上实验数据可以看出，由电容和二极管组成的直流倍压电路的输出直流电压的纹波电压δU和跌落电压ΔU与理论推导是不完全相吻合。
4 高频直流电源
高频直流电源主要有桥式整流电路、滤波电路、高频变压器、C-W倍压电路和X射线管高压线圈等组成。假若高频高压电源的频率采用1.2KHZ时，则频率提高了20倍，C-W倍压电路输出高频高压电源输出电压 纹波将缩小20倍，高频高压电源输出电压跌落将缩小20倍。在容量相同的 情况下，工频自耦变压器的体积要远远大于高频自耦变压器的体积，采用 高频自耦变压器供电系统的直流输出电压的性能将有很好的改善。
5 结论
高频交流电源应用到X射线探伤机系统中，可以减小X射线探伤机系统中电源的体积，X射线探伤机系统的直流电源的纹波减小，提高直流电源的带负载的能力，X射线探伤机工作稳定性和可靠性提高，倍压整流电路只能在负载较轻(即R较大，输出电流较小)的情况下工作，否则输出电压会降低。
参考文献：
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作者简介：
王名杰(1963-)，男，副教授，山东省烟台职业学院电气工程系，主要承担自动化控制及单片机方面教学与科研工作，曾获得山东省大学生机电产品创新设计竞赛的优秀指导教师奖，已获得国家实用新型专利六项，曾在公开刊物 发表学术论文3篇。
