专利名称：高频高压x射线探伤机的制作方法
技术领域：
本发明专利申请涉及的是X射线探伤机，尤其涉及的是高频小体积化、X射线管高效工作的X射线探伤机。
背景技术：
X射线探伤机的核心部件为X射线管，X射线管的工作效率取决于高压变压部分和灯丝电源部分，高压变压部分在阴、阳极之间形成强大的高压电场，灯丝电源部分为阴极灯丝单独供电，促使灯丝产生自由电子，在高压电场下加速成为高能电子束轰击阳极板，产生X射线。现有的X射线探伤机产品，高压变压部分是在安全距离之间由高压电缆连接X射线管桶，独立于X射线管桶；另外的便携式小型化X射线探伤机，由低频高压变压器产生所需高压，高压变压部分和灯丝电源部分与X射线管共同设置在X射线管桶内，由低压电缆连接控制台，便携式X射线探伤机的大小决定于低频高压变压器和灯丝电源部分尺寸。高频率、小体积、高压、大功率是X射线探伤机技术研制发展方向，但高频变压技术发展存在诸多技术问题变压器高压输出值低、工作效率低、自身发热严重、分布电容和漏电容在高频工作状态中的负面影响等，所以高频化高压变压技术成为探伤机技术发展难以逾越的技术瓶颈，另外灯丝电源部分电源信号的获取、高压电气的绝缘防护、如何实现灯丝调压功能都是直接影响探伤机性能且亟待解决的技术难题。目前尚无真正意义的高频高压变压器，只能由高频次高压变压器升至次高压，由倍压整流电路输出直流高压，经高压电缆连接供给X射线管高压，倍压整流电路中的二极管和电容存在相当的漏电，倍压级数越多能损越大，效率低、倍压值有限、体积大、工作不稳定。高压电缆作为现有X射线探伤机的一组成构件存在传输高压信号衰减严重、高压电缆接头结构复杂、反复插拔中有发生高压泄漏的隐患的问题，特别是高压电缆自身造价高昂，重量沉，如何省掉高压电缆部件也是探伤机技术发展所追求的。再有，如何设计、处理灯丝电源部分是探伤机技术发展的另一技术难题。目前灯丝电源部分，一种设计结构是直接取自中高频次高压变压器的一次级绕组来获取灯丝供电电压，且不说目前还没有真正意义的高频高压变压器，仅从灯丝电源绕组的高频工作方式而言，几乎是无法实现灯丝电源电压可调的技术目的；另一种结构是设置单独的灯丝供电电路，组成包括整流、逆变电路和变压器为灯丝供电，灯丝变压器初级绕组工作于低压部分，次级绕组悬浮于高压变压器上，两绕组间的高压绝缘处理极为关键，否则影响灯丝变压器的可靠、稳定工作性能，其绝缘处理结构复杂，导致小型变压器体积却变得结构复杂而庞大，不利于安全防护设计。现有探伤机产品更多的应用了开关电源和高频斩波电路，如开关电源和高频逆变或斩波电路中应用具有驱动功率小、开关损耗小、工作频率高技术特性的新型半导体器件——绝缘栅双极型晶体管IGBT，其中处理好开关晶体管尖峰能量缓冲、吸收和释放利用问题，就能够消除冲击、保护开关晶体管、使之可靠工作。电容是现有尖峰能量吸收电路中用于暂存尖峰能量的重要组成部件，但其能量释放却大多消耗在放电电阻上，消耗生热，那么如何运用简单而稳定电路提高能量利用效率、避免探伤机组成部分工作发热是X射线探伤机面临的最大问题。
发明内容
本发明专利申请的发明目的在于使探伤机的各组成部分适合于目标高频、高压、大功率工作条件、工作稳定、可靠、体积小巧的高频高压型X射线探伤机。所述的目标高频和高压通常是指工作于约IKHz以上中高频信号、输出十几万伏、几十万伏高压、甚至百万伏的特高压。本发明申请提供的高频高压型X射线探伤机技术方案，其主要技术内容是一种高频高压型X射线探伤机，它包括X射线管、灯丝电源部分和高压变压部分，高压变压部分由高频高压变压器和高频驱动电路连接构成，高频高压变压器由初级绕组和次级绕组在磁芯上经绝缘屏蔽层内、外径向叠层绕制构成，两绕组同名端同端设置，次级绕组由若干与初级绕组绕向和螺线方向相同的、沿磁芯轴线顺序排列的绕组段构成，各绕组段之间绝缘层隔离；灯丝电源部分为PWM电源脉宽调制电路，包括灯丝供电电路和PWM信号调制电路，灯丝供电电路是由设置于高频高压变压器负高压侧的次级绕组和该次级绕组输出连接的以灯丝为负载的降压变压器连接构成，PWM信号调制电路由电源电路、PWM信号传输线路和PWM调制开关管连接构成，电源电路的电源信号取自设置于高频高压变压器负高压侧的第二次级绕组，PWM信号传输线路由光纤或光耦和光纤或光耦两端的光感应发射接收器构成。在上述的整体技术方案中，高频高压变压器次级绕组的绕组段按激励方向、每一绕组段串联快恢复二极管后与保持电容并联构成一绕组单元回路，若干绕组单元回路依次串联构成次级绕组。在上述的整体技术方案中，若干绕组单元回路依次串联构成一绕组串，每一绕组串串联高压快恢复二极管后，再依次串联构成次级绕组。在此基础上，每一绕组串串联高压快恢复二极管后再并联高压保持电容构成绕组单元模块，各绕组单元模块依次串联构成次级绕组。在上述整体技术方案中，所述的绕组段均为环形绕组模片，它是由固定复合的三层绝缘膜环片和盘绕设置在三层绝缘膜环片之间绝缘间隔的两层线圈构成，所述的两层线圈是在中层绝缘膜环片的两侧、由绝缘膜环片内缘起始由内向外渐扩螺旋且互为反绕向绕制而成，两层线圈内圈端电连接构成一完整连续绕组线圈。所述的两层线圈可以由一根绕组线绕制而成，即绕组线中部跨中层绝缘膜环片内边缘、在中层绝缘膜环片两侧面由内至外以互为反向绕向绕制而成的两层线圈。在上述的整体技术方案中，所述的绕组段为两外侧固定复合有绝缘外层的环形柔性线路板构成的环形绕组模片，环形柔性线路板的两侧面上、由内至外渐扩螺旋以互为反绕向印制有两覆铜线圈，两线圈的内圈端电连接构成一完整连续绕组线圈。 在上述的整体技术方案中，高频驱动电路由高频逆变电路及其电源电路构成，输出连接至高频高压变压器的初级绕组，电源电路中设有IGBT调压电路，高频逆变电路为IGBT斩波电路，IGBT开关管输出设置有过压吸收电路，该过压吸收电路为IGBT开关管输出端连接由第一快恢复二极管与吸收电容串联的吸收支路，该快恢复二极管并联连接高频变压器的初级绕组，高频变压器次级绕组串接第二快恢复二极管后并联有高频储能转移电容，再连接有馈入IGBT调压电路电解电容的第三快恢复二极管。
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本发明专利申请提供的高频高压X射线探伤机技术方案，应用了具有可靠、稳定的高变压输出效率、高压及特高压输出的高频高压变压器，变压器体积又极为小巧，输出的十几万，几十万以及百万伏高压、以至特高压的稳定工作电压可直接接入X射线管阳、阴极上，省去高压电缆，免去了高压电缆连接结构所带来的一系列技术问题；灯丝电源部分的供电信号直接取自高频高压变压器高频高压侧的一组次级绕组，再由降压变压器实现与灯丝电压阻抗匹配，通过光纤或光耦隔离远距离引入低频PWM载波脉宽调制控制信号，实现了灯丝电流连续可调的技术目的，而且供给灯丝加热的电源部分均工作于高压环境，远距离传输PWM载波脉宽调制控制低频信号，高压部分与低压部分电气隔离，构件简单、无需如现有技术一样作复杂的高、低压间的绝缘处理，工作稳定、可靠，灯丝电源部分入端与出端之间电位差小，体积小巧，该电路尺寸与X射线管相比微不足道，例如实现2505型X射线探伤机的X射线管，管直径为90mm、长度为275mm，而灯丝电源部分的直径仅为60mm、长度仅为30mm，在保证探伤机更为高效、稳定的工作前提下，探伤机体积得到大幅度缩小，规格为2505型低频便携式玻璃壳体X射线管发生器，其尺寸为直径320mmX高度720mm，其控制器尺寸为36h310X225mm，而本技术方案的X射线探伤机实现了高压、特高压输出、高效率、高稳定和可靠工作目的的前提下，其尺寸仅有直径170mmX高度620mm以内，比现有低频便携探伤机体积还小很多，控制器更为小巧，尺寸可有约250x200x120mm，X射线探伤机的尺寸仅取决X射线管的尺寸。本技术方案中，IGBT开关管的调压电路和斩波驱动电路中采用新型过压吸收电路，实现了开断尖峰过压能量的高效吸收和无发热全利用，维护了 IGBT开关管合理、稳定的工作环境，协调了调压电解电容与高频储能转移电容之间的协调工作关系，实现了 X射线探伤机高效能和高稳定性工作。
图1和图2分别是本发明中的高频高压变压器的两实施构造3是图2的局部放大4是高频高压变压器绕组段为环形绕组模片的结构构造5、图6分别是本高频高压型X射线探伤机的两实施例电路原理7是IGBT过压吸收电路的电路原理图。
具体实施例方式本发明专利申请提供的高频高压型X射线探伤机，它包括X射线管21、灯丝电源部分A2和高压变压部分。高压变压部分由高频高压变压器B和高频高压变压器B的高频驱动电路连接构成，高频高压变压器B的初级绕组m、次级绕组N2和初级绕组m与次级绕组N2之间的绝缘屏蔽层52内、外套置于磁芯50上，初级绕组Ni、次级绕组N2为同名端在磁芯50上同端设置，初级绕组附的匝数虽少，亦应该与次级绕组N2在磁芯上占据相等或尽可能接近的长度，初级绕组W两端连接于高频驱动电路的驱动输出。次级绕组N2为若干与初级绕组W绕向和螺线方向相同的、沿磁芯轴线依次顺序排列的绕组段nn构成，各绕组段11 同一螺线方向、相同绕向、统一同名端方向依次顺序排列套装设置在初级绕组W的绝缘屏蔽层52外，相邻绕组段~之间绝缘隔离。在上述结构基础上，为进一步提高高频高压变压器的高压输出能力，高频高压变
6压器次级绕组的绕组段nn按激励方向、每一绕组段ηη串联快恢复二极管Dl后与保持电容Cl并联构成一绕组单元回路，若干绕组单元回路依次串联构成次级绕组Ν2。为获得更高的高压或特高压输出，若干绕组单元回路依次串联构成一绕组串加，每一绕组串Sn串联高压快恢复二极管D2后，再依次串联构成次级绕组Ν2，为了增强每一绕组串Si!的储能和均压能力，每一绕组串Si!串联高压快速恢复二极管D2后并联高压保持电容C2构成绕组单元模块，各绕组单元模块依次串联构成次级绕组N2。其中的快速恢复二极管D1和电容C1的耐压值均应满足本绕组段的耐压设计值，高压快速恢复二极管A和电容C2的耐压值应满足绕组串的耐压设计值。初级正向激励时，次级绕组N2的空间感应电场沿绕组段在磁芯轴向设置顺序呈逐段叠加递增，在快速恢复二极管A整流和止逆作用下，绕组段与绕组段之间、绕组段线圈之间的杂散分布电容和每一绕组单元回路的电容C1、每一绕组单元模块的电容C2的总合作用下，将各绕组段空间感应电场逐段递增、保持、贮存，初级侧信号反向回程时，快速恢复二极管D1A2快速关断，阻断、扼制电荷由电容C1、电容C2和杂散分布电容泄放，从而始终保持稳定的正向输出，避免了反向耦合损失，因而能够实现稳定的高压、特高压输出。快速恢复二极管D2的另一作用是保护作用，即防止反向高压击穿绕组单元回路中的快速恢复二极管D1和电容C1。所述的绕组段nn均为环形绕组模片，其结构如图4所示，它是由固定复合的三层绝缘膜环片31、32、33和盘绕设置在三层绝缘膜环片31、32、33之间绝缘间隔的两层线圈a、b构成，所述的两层线圈a、b是于中层绝缘膜环片32两侧、由绝缘膜环片内缘起始由内向外渐扩螺旋互为反绕向绕制而成，两层线圈内圈端电连接构成一完整连续绕组线圈。所述的两层线圈a、b可以由一根绕组线绕制而成，即该绕组线中部跨中层绝缘膜环片内边缘在中层绝缘膜环片两侧面起始由内至外渐扩螺旋以互为反绕向绕制两层线圈。上述结构还可以由柔性线路板方式来实现，即环形柔性线路板的两侧面上、由内至外渐扩螺旋以互为反绕向印制有两覆铜线圈，两线圈的内圈端穿通电连接构成一完整连续绕组线圈，外部固定复合有绝缘外层的构成环形绕组模片。叠合的环形绕组模片所形成的中央管形空间则成为磁芯50、初级绕组m以及磁芯与初级绕组m之间的绝缘构件、初级绕组m与次级绕组N2间的绝缘屏蔽层52的设置腔，环形绕组模片的两层线圈自身连接并通过环形绕组模片的多层叠垒连接等效形成了绕组及其螺线方向。两层线圈a、b的外圈引出端串联快速恢复二极管D1后并联电容C1，使环形绕组模片构成一绕组单元回路。为提高次级绕组空间感应电场递增叠加和反向阻断效果，提高高压效率，可靠、稳定保持高压输出，每一环形绕组模片的两层线圈a、b的内端之间串联设置有快速恢复二极管D3。图5所示的是负高压高频高压变压器，负高压高频高压变压器的次级绕组负高压端连接X射线管21的阴极，与地之间形成负高压电场；图6给出的是为具有双灯丝的X射线管提供的双路电源脉宽调制电路，由两路PWM信号传输线路及各自接收端的驱动电路和开关管构成，分别为两路灯丝供电电路提供PWM调制控制。同时图5所示的是负高压高频高压变压器与正高压高频高压变压器串联应用，串联结点为公共地端，负高压高频高压变压器B的次级绕组负高压端连接X射线管21的阴极，正高压高频高压变压器Bl的次级绕组正高压端连接X射线管21的阳极，在X射线管21的阴极与阳极之间形成所需高压、特别是特高压电场。本高频高压变压器体积小、效率高、能够实现几十万以上的特高压输出，其高压输出端直接连接于X射线管21，无需高压电缆。
灯丝电源部分A2为PWM电源脉宽调制电路，它包括灯丝供电电路和PWM信号调制电路。灯丝供电电路是由设置于高频高压变压器负高压侧的一组次级灯丝电源绕组Ml和该灯丝电源绕组Ml输出连接的以灯丝为负载的降压变压器bl连接构成，降压变压器bl将灯丝绕组的高频感应电压降至灯丝所需的5V左右额定电压范围，并与灯丝阻抗相匹配。在本实施结构中，灯丝电源绕组Ml的两端分别连接于高频高压变压器B的负高压输出端和灯丝阴极上，且本灯丝电源绕组Ml的同名端与高频高压变压器次级绕组同名端设置方向相同，一方面进一步加强灯丝阴极电位，其另一优点灯丝电源绕组Ml电位直接钳位于高频高压变压器负高压，保证各组成部分高压工作的稳定性。PWM信号调制电路由PWM信号传输线路、PWM调制开关管T和电源电路连接构成，控制台的中央控制单元产生低频PWM调制信号，经PWM信号传输线路输送至PWM调制开关管T，本实施例选用的开关管为可控硅，由PWM调制开关管T对灯丝电流实施PWM脉宽载波调制控制，PWM信号传输线路由光纤或光耦和光纤或光耦两端的光感应发射接收器构成，接收后的输出端驱动管驱动连接PWM调制开关管T，PWM信号调制电路的电源电路为接收器和驱动管等提供工作电源，该电源电路的电源信号取自于设置在高频高压变压器负高压侧的一独立次级绕组M2，由整流、滤波、稳压电路连接组成。由光纤或光耦实现了低频低压工作侧与高频高压工作侧的电气隔离，完成中央控制单元远距离PWM调制信号传输，实现灯丝电流的连接可调技术目的，工作稳定、可靠。本高频高压X射线探伤机的高频驱动电路由高频逆变电路及其电源电路A3构成，高频逆变电路输出连接高频高压变压器的初级绕组。在本实施例中，高频逆变电路的电源电路中设有IGBT调压电路，高频逆变电路为IGBT斩波驱动电路，它还可以是IGBT半桥斩波驱动电路或全桥斩波驱动电路。IGBT调压电路是由IGBT开关管、IGBT输出连接的续流二极管、电抗器和调压电解电容C。构成。在本实施例结构中，IGBT输入端连接有LC滤波电路，如图5所示，该LC滤波电路的作用，一是吸收IGBT高速开通瞬间的过电流，防止电源侧空气开关动作，二是减弱IGBT高速开关回馈至电网的高频干扰。IGBT输出端连接有馈入储能电解电容的过压吸收电路Al，如图7所示，IGBT开关管输出端并联有快恢复二极管Da和吸收电容Ca串联的吸收支路，高频变压器Ta的初级绕组并联连接于快恢复二极管Da上，高频变压器Ta的次级绕组串接第二快恢复二极管Db和高频储能转移电容Cb，再经第三快恢复二极管Dc馈入IGBT调压电路的电解电容C。。IGBT调压电路中的LC滤波电路、带有馈能转移电容的IGBT调压电路的馈能式过压吸收电路，是IGBT管实际应用于高频PWM调压电路的关键技术。当IGBT关断时，变压器和滤波电抗器的感应势能经吸收支路的快恢复二极管Da由吸收电容Ca吸收该尖峰值；当IGBT下次导通时，电容Ca的储能由高频变压器Ta的初级绕组经IGBT泄放，另外，高频变压器Ta的次级绕组的感生电势经第二快恢复二极管Db储存于储能转移电容Cb，当储能转移电容Cb电位高于电解电容C。电位时，由第三快恢复二极管Dc将高出的电能馈送至储能电解电容C。，这样既实现了尖峰吸收目的，同时解决了吸收能量再利用时的放热问题。本高频高压型X射线探伤机的高频高压变压器，其次级绕组中的二极管和电容电路相当于多个半波整流电路的串联叠加，初级绕组采用正程驱动，本IGBT馈入储能电解电容的过压吸收电路同时兼作初级绕组回程LC谐波，该LC谐波振荡维持了高频高压变压器更高的输出效率，提高驱动效率高，图5和图6中均给出了连接有本过压吸收电路。为解决高频高压变压器工作中的初级绕组m与次级绕组N2之间的屏蔽层高频涡流发热、导致变压器工作稳定性和可靠性差的技术问题，初级绕组W和次组绕组N2之间的屏蔽层为梳式屏蔽层51，如图1和图2所示，其梳状屏蔽层51于磁芯50的一端部连成一体，包裹于初级绕组m的主层面部、沿磁芯50轴向有若干条形缺口，构成梳形屏蔽层。经实验证明，它不仅具有原有的屏蔽作用，而且避免了涡流发热现象。
权利要求
1.一种高频高压型X射线探伤机，它包括X射线管、灯丝电源部分和高压变压部分，其特征在于高压变压部分由高频高压变压器和高频驱动电路连接构成，高频高压变压器(B)由初级绕组(Ni)和次级绕组(N2)在磁芯(50)上经绝缘屏蔽层(52)内、外径向叠层绕制构成，两绕组同名端同端设置，次级绕组由若干与初级绕组绕向和螺线方向相同的、沿磁芯轴线顺序排列的绕组段(nn)构成，各绕组段之间绝缘层隔离；灯丝电源部分为PWM电源脉宽调制电路，包括灯丝供电电路和PWM信号调制电路，灯丝供电电路是由设置于高频高压变压器负高压侧的次级绕组(Ml)和该次级绕组输出连接的以灯丝为负载的降压变压器(bl)连接构成，PWM信号调制电路由电源电路、PWM信号传输线路和PWM调制开关管连接构成，电源电路的电源信号取自设置于高频高压变压器负高压侧的第二次级绕组(M》，PWM信号传输线路由光纤或光耦和光纤或光耦两端的光感应发射接收器构成。
2.根据权利要求1所述的高频高压型X射线探伤机，其特征在于高频驱动电路由高频逆变电路及其电源电路构成，输出连接至高频高压变压器的初级绕组，电源电路中设有IGBT调压电路，高频逆变电路为IGBT斩波电路，IGBT开关管输出设置有过压吸收电路，该过压吸收电路为=IGBT开关管输出端连接由快恢复二极管(Da)与吸收电容(Ca)串联的吸收支路，该快恢复二极管连接高频变压器(Ta)，高频变压器(Ta)次级绕组串接第二快恢复二极管(Db)后并联有高频储能转移电容(Cb)，再连接有馈入IGBT调压电路电解电容(C。)的第三快恢复二极管(Dc)。
3.根据权利要求2所述的高频高压型X射线探伤机，其特征在于IGBT调压电路的输入端连接有LC滤波电路。
4.根据权利要求1所述的高频高压型X射线探伤机，其特征在于灯丝供电电路中的次级绕组(Ml)为灯丝电源绕组，灯丝电源绕组(Ml)的两端分别连接于高频高压变压器⑶的负高压输出端和灯丝阴极上，且灯线电源绕组(Ml)的同名端与高频高压变压器次级绕组同名端设置方向相同。
5.根据权利要求1、2或4所述的高频高压型X射线探伤机，其特征在于高频高压变压器次级绕组的绕组段按激励方向、每一绕组段串联快恢复二极管(Dl)后与保持电容(Cl)并联构成一绕组单元回路，若干绕组单元回路依次串联构成次级绕组。
6.根据权利要求5所述的高频高压型X射线探伤机，其特征在于若干绕组单元回路依次串联构成一绕组串(Zm)，每一绕组串串联高压快恢复二极管(拟)后，再依次串联构成次级绕组。
7.根据权利要求6所述的高频高压型X射线探伤机，其特征在于每一绕组串串联高压快恢复二极管(拟)后再并联高压保持电容(以)构成绕组单元模块，各绕组单元模块依次串联构成次级绕组。
8.根据权利要求1所述的高频高压型X射线探伤机，其特征在于所述的绕组段均为环形绕组模片，它是由固定复合的三层绝缘膜环片和盘绕设置在三层绝缘膜环片之间绝缘间隔的两层线圈构成，所述的两层线圈是在中层绝缘膜环片的两侧、由绝缘膜环片内缘起始由内向外渐扩螺旋且互为反绕向绕制而成，两层线圈内圈端电连接构成一完整连续绕组线圈。
9.根据权利要求1所述的高频高压型X射线探伤机，其特征在于绕组段为两外侧固定复合有绝缘外层的环形柔性线路板构成的环形绕组模片，环形柔性线路板的两侧面上、由内至外渐扩螺旋以互为反绕向印制有两覆铜线圈，两线圈的内圈端电连接构成一完整连续绕组线圈。
10.根据权利要求1或4所述的高频高压型X射线探伤机，其特征在于高频高压变压器的初级绕组(Ni)和次组绕组(N2)之间的屏蔽层为梳式屏蔽层(51)，即为一端部连成一体，包裹于磁芯(50)的主面部具有若干条形缺口的梳式屏蔽层。
全文摘要
本发明申请提供了一种高频高压型X射线探伤机，它包括X射线管、灯丝电源部分和高压变压部分，高压变压部分由高频高压变压器和高频驱动电路连接构成，高频高压变压器由初级绕组和次级绕组在磁芯上经绝缘屏蔽层内、外径向叠层绕制构成，两绕组同名端同端设置，次级绕组由若干与初级绕组绕向和螺线方向相同的、沿磁芯轴线顺序排列的绕组段构成；灯丝电源部分为PWM电源脉宽调制电路，PWM信号调制电路由光纤或光耦和光纤或光耦实现高压部分与低压部分电气隔离传输PWM信号。本技术方案的高压变压部分、灯线电源部分都极为小巧、工作可靠、安全性能优越，无需高压电缆，X射线探伤机尺寸仅取决X射线管的尺寸。
文档编号G01N23/00GK102368886SQ201110401038
公开日2012年3月7日 申请日期2011年12月5日 优先权日2011年12月5日
发明者于艳, 张志鹏, 张继科 申请人:张继科