x光安检机多少钱_X光机电源设计与研究13

发布时间：2016-11-04 07:49

本文关键词：X光机电源设计与研究，由笔耕文化传播整理发布。

工业中可以用来探伤；这样的启示，1895年11月8日伦琴在研究射线管；skvto士75kv);电压纹波:低频纹波应在输；压电源、三端开关型降压稳压器[‘J，也是本论文闭；中，玲为输出电压;几为输出电流Dmax为最大占空；

工业中可以用来探伤。X光也可激发荧光、使气体电离、使感光乳胶感光，故X光可用于电离计、闪烁计数器和感光乳胶片等检测。由于晶体的点阵结构对X射线可产生显著的衍射作用，所以X光衍射法已也是研究晶体结构、形貌和各种缺陷的重要手段。正是基于X光的这些优良特性，使得X射线发生器一X光机在我们的日常生活以及工业生产中有着极其广泛的应用，比如在车站、机场入口处的安检门、安检通道等就是X光机的典型应用，还有医院用于检查身体的医用X光机更是医生做出正确诊断所必不可缺少的工具……产生X光的有效途径为X光机。在X光发现几年之后，随着欧洲迅猛发展的现代工业，真正可以实用的X光机也投入生产，到现在，经过近一个世纪多的发展，X光机工业也有了突飞猛进的进步，新技术、新工艺不断的融入了X光机，比如采用最新的开关电源技术可以极大的减小X光机的体积和重量，采用微机控制可以最大程度的降低X光机对操作人员的辐射，DSC的使用等等，综合起来，现在X光机主要朝着这么几个方向发展:操作简单化、体积轻便化、控制智能化、成本低廉化。但是当前X光机产品基本上被少数几家外国公司垄断，国内的企业由于技术老化加上体制问题，在残酷的市场竞争中一直处于劣势。本论文正是结合当前X光机的市场需求以及发展趋势，为X光机这种特殊负载研制合适的电源，使得国产X光机在技术上、成本上拥有更强的市场竞争力，所以本论文的研究有很好的实际用途和市场前景。1.2X光的产生原理X光是由加了适当电源的X射线管发出的，射线管实际上是具有阴极和阳极的真空管，阴极用钨丝制成，通电后可发射出电子，阳极用高熔点金属制成(一般用钨，用于晶体结构分析的X射线管还可用铁、铜、镍等材料)。用几万伏至几北京交通大学硕士学位论文十万伏的高压加速电子，电子束轰击靶极，X光就从靶极发出。具体过程为:在射线管的阳极和阴极灯丝的加数万伏的高压，同时给阴极灯丝单独供电，当灯管灯丝加热到一定的温度时，其中的自由电子摆脱原子核的束缚而发射出来，在高压电场的加速下，电子撞击阳极板，X光就从阳极板发射出来，如图1一1所示。本论文的的目的就是设计出这种能为X射线管供电的电源。X射线小|l‘l.es|︵|.|‘.，.|水奋tl灯丝电流控制器全J〕二玉王二〔二〔二二二高压控制器+卜图1一IX光发生原理示意图Fig.l一 1SketehofX一 raygeneration任何新事物的发现都是相当不易的事情，而且机遇也只给那些有准备的人。同样，X光的发现者伦琴也可以给我们这

这样的启示，1895年11月8日伦琴在研究射线管气体放电时，用一只嵌有两个金属电极的密封玻璃管，在电极两端加上几万伏的高压电，用抽气机把玻璃管抽成真空。为了遮住高压放电时的弧光外泄，在玻璃管外面套上一层黑色纸板。当他在暗室中进行这项实验时，偶然发现距离玻璃管两米远的地方，一块用铂氰化钡溶液浸洗过的纸板发出明亮的荧光。再进一步试验，用纸板、木板、衣服及厚约两千页的书，都遮挡不住这种荧光。更令人惊奇的是，当用手去拿这块发荧光的纸板时，竞在纸板上看到了手骨的影像。当时伦琴认定:这是一种人眼看不见、但能穿透物体的射线。因无法解释它的原理，不明它的性质，故借用了数学中代表未知数的“X’，作为代号，称为“X’，光。这就是X光的发现与名称的由来。X光的发现在人类历史上具有极其重要的意义，它为自然科学和医学开辟了一条崭新的道路。1.3X光机电源系统的总体设计通过前文关于X光发生原理的介绍，很容易联想到X光机电源系统的大致情况，电源系统主要包括高压控制器电路、灯丝电流控制器电路、控制电路、辅助第一章绪论电源和远程监控等几个部分。当电源系统处于工作状态时，首先通过PC机设定射线管的电压和电流值，设定值通过通信模块送到高压发生器模块和灯丝供电模块，从而控制射线管的电压和电流值，而射线管的电压电流值通过通信模块反送回PC机，实现实时监控。X光机电源系统的结构框图如图1一2所示。输入22OV工频交流电，整流之后经有源功率因数校正模块(APFC)实现功率因数校正，采用APFC可以降低产品对电网的危害作用，也使产品适应电网电压变化的能力增强，理论上，电网提供的输入电压在10ov到250v之间，电源系统依然可以正常工作[ll。APFc的400v直流输出分别送入高压控制器和灯丝电流控制器，高压控制器的输出经升压变压器和倍压电路处理后输出即为X射线管两端电压，而灯丝电流控制器的输出经降压变压器处理后即为灯丝电流。电源系统框图如图1一2所示，必须说明的是包括升压变压器、降压变压器、倍压电路、分压电路、采流电阻和射线管在内的这些部分是被封装在真空设备中(图中虚线框内模块)的，其设计与调试不在本论文的范围之内。图1一2电源系统结构图Fig.l一 2FrameworkofX一 rayPowersystemX光机电源具体的技术要求如下:一一一一一一一一一一韭鱼塑生题吐，输入功率要求电网输入电压:loovAc一260vAc， 50Hz/60Hz;电网输入电流:SA(最大有效值);今射线管的两端电压要求电压范围:75一150Kv(正负倍压电路各输出士37.

skvto士75kv);电压纹波:低频纹波应在输出电压峰峰值的1%之内;过压保护:定义为大于170kv持续loms;令射线管的电流要求工作范围:0.1一1，ZmA;令射线管的灯丝供电电路输出电流:3.2士0.2AmPs输出电压 :3.5Vrms.4论文的主要研究内容本论文主要是针对当前x光机电源系统进行俊计与研究。具体内容如下:(1)X光机高压控制器主电路，控制电路和驱动电路设计和调试;(2)X光机灯丝电流控制器主电路，控制电路和驱动电路设计和调试;(3)X光机辅助电源设计和调试;(4)X光机APFC设计和调试;(5)X光机电源控制系统建模、参数计算等;(6)数字控制软、硬件的设计，包括控制算法的实现、PC监控软件设计。第二章高压控制器设计第二章高压控制器设计2.1高压控制器主电路的设计高压控制器的主要任务就是将市电经过适当的变换，成为75kV一150kV的直流电压，该电压用于射线管两端产生高压电场以加速电子，从而使电子以较高能量撞击靶极产生X光。以上的叙述是X射线电源的基本原理，在X光机诞生的一百多年里，这一点并没有改变，只是随着半导体器件的不断进步，具体实现高压的方法经历了很大的变革。较早使用的方法是晶闸管调压法，也就是市电经过可控整流之后再逆变输出，在这一过程中通过调节晶闸管的触发角来调节整流后的直流电压以达到调压的目的。这种方法的不足之处是显而易见的，由于晶闸管的开关频率不可能很高，所以势必造成整个X光机电源系统特别是后面变压器既笨重而且体积庞大，此外还会给电网极大的谐波污染Iz]。基于传统X光机电源系统拓扑结构的缺陷，本论文提出一种全新的电路设计思路:采用MOSFET代替晶闸管从而极大地提高开关频率以降低电源系统的体积和重量;在前端采用APFC使电路的功率因数达到1以克服对电网的谐波污染;斩波电路部分采用BUCK变换器使电路的结构和调压更加简单;逆变部分采用半桥电路，以解决输出波形伏秒不平衡的问题，且逆变电路可以设置固定的频率和脉宽，对实现软开关提供很好的条件，并且能充分利用高频变压器，也避免了在低压大电流情况下对逆变电路的损害。具体的设计如图2一1所示。BBBUCKKKKK半桥逆 .....升压变 .....倍压整整整卜x射线线变变换器器器变电路路路压器器器流流流管管400voeLfCfCOM倍压电路图2一1高压控制器主电路结构框图Fig.2一 1TOPologyofHigh一 VoltController该主电路主要有几个模块:BUCK模块，半桥逆变模块，升压变压器，倍压电路模块等。北京交通大学硕士学位论文2.1.1Buck变换器设计Buck变换器又称降压变换器、串联开关稳

压电源、三端开关型降压稳压器[‘J，也是本论文闭环调压的核心电路，Buck电路设计的成败直接决定了整个电源系统输出的稳定度和精度，所以电路参数的选择一定要依据精准的计算和工程设计经验来决定。1.电路原理简介图2一2所示为由以占空比D工作的晶体管界、二极管Dl、电感L、电容C组成的Buck变换器，电路完成吧直流电压岭转换成直流电压Vo的功能。当开关导通时，有电流i，二红流过电感线圈L，电流线性增加，在负载R上流过电流I。，两端输出电压Vo，极性上正下负。当i;之I。时，电容在充电状态。这时二极管Dl承受反向电压，经时间几双后，当开关导通时，由于线圈L中的磁场将改变线圈L两端的电压极性，以保持器电流i:不变。负载R两端电压仍是上正下负。在红‘Io时，电容处于放电状态，有利于维持Io、气不变，这时二极管D，承受正向偏压为电流几构成通路。由于变换器输出电压代小于电源电压凡，所以即实现了降压。工作中输入电流is是脉动的，但输出电流几在电感L、二极管D，、电容C的滤波作用下却是连续平稳的。MOSFETCIR图2一ZBuck电路原理图Fig.2一 2SehematieofBuekConverter2.占空比D工作范围的确定屹是Buck电路的输入，玲是Buck电路的输出。由于岭是经有源功率因数校正器(APFC)的输出，故在额定功率时基本保持恒定约为直流400V，考虑一些极端的不稳定情况，给电路增加一些裕量，设计为上下变化45V，故Vs(min)一355V，呱 max)=445v;从前面的介绍中可以得知，Buck电路的输出要经过半桥逆变、升压变压器和倍压整流电路一系列的“升压”环节，通过调整Buck电路的输出来控制整个高压控制器的输出电压，倍压电路的倍压级数为16，升压变压器的匝数比为第二章高压控制器设计22.5:1440。当BUCK电路输出为75v时，逆变输出频率30KHz，峰峰值75V的交流，经过升压变压器之后升为峰峰值4800V交流，再经16倍压电路之后输出为38400V(倍压电路输出约为交流峰值的整数倍)，再加上正负两级倍压，输出为7680OV，这是理论值，考虑到元件上的电压降，此时的输出约为7500oV，即为75kV，其他等级的输出电压也是同样的当理，此处不再论述。考虑到电源系统要求的最终输出电压在75kV一150kV，可以将Buck电路的输出Vo设计为:玲(max)一375V，Vo(m、n)一75V，将数据代入公式2一l鱼竺、D:兰竺岭(max)岭‘nun)(2一1)得到:兰<D<些445355(2一2)考虑到死区时间以及D的物理意义(D不能大于1)，确定D的范围为0.2<D<0.83.电感值L的计算及设计从相关的参考文献可以得知，Lc=玲刀maxTs2Io电感的计算公式为:(l一Dm访)RTs’2(2一3)其

中，玲为输出电压;几为输出电流Dmax为最大占空比;Dm‘。为最小占空比;R为负载电阻;Ts为开关周期。在X光机电源系统设计初期进行仿真时，Buck电路的负载电阻大约为2000几，当开关频率为IO0kHz时，将以上数值代入公式2一3可得到:几=(l一 0.2)x2000x10一，2二smH根据工程经验，通常取电感量为临界连续电感量的1.2倍，所以当开关频率为100kHz时，选取L=l.ZLc=9.6mH。电感在工程上常用的设计方法通常有两种[ll:面积乘积法和几何参数法，但是AP法相对于几何参数法在计算上以及原理上都更容易理解，在这里就只对AP法北京交通大学硕士学位论文进行简要的介绍。磁心窗口面积A*、磁心截面积A。的乘积AP与可储能的值LI’有正比的关系，于工作磁感应强度B二、电流密度J、窗口面积使用系数K。是反比的关系，具体表达式为公式2一3:A尸=A尸A。=L尸B附汤丫。(2一4)上式说明只要相关参数选值合适，电流I就会产生合适的温升，这就是按照AP法设计电感的原理。经过一系列的推导，公式2一4可以推导出电感的表达式2一5，具体推导过程可以参考相关文献，此处不再详细论述。:=旦兰竺兰、10一SHl:+l二/刀。通常情况下，z:)l。/产:，上式可以化简为L=0.4左入zlg生、10一8万(2一5)其中，l。为电感气隙。经过大量的计算，最终设计出电感如图2一3所示图2一 3Buck电路电感器照片Fig.2一 3InduetorPhotoofBuekConverter4.电容值的计算及并联泄放电阻的选取Buck电路电容计算公式为。_Von，2七一丽河“ma·’:(2一6)其中，△Vo为纹波电压，工程上的经验值一般为小于输出电压的0.5%，即△玲/玲<0.5%，所以将相关参数代入公式2一6，可知第二章高压控制器设计c_里望兰8x9.6xo.sx(10一，)’=2.08解实际取4.7解，400V的电解电容。为了避免电容被持续的充电，需要在电容两端并联一个功率电阻，如果Buck的最大输出电压为375V，则选取100kQ电阻的损耗为大约为0.14w，所以选择功率电阻为10Ok贝，IW.5.峰值电流的计算ITr一Iz+合AI!一会·告令气·:(2一7)其中，Rm，为最小的负载电阻，代入相关参数可以得知峰值电流为2.63A。5.功率开关与二极管的选择开关电源中的功率开关晶体管是影响电源可靠性的关键器件，，开关电源所出现的故障中约60%时开关管引起的〔门，所以开关管的选择在电源设计中就显得尤为重要。由于MOSFET是一种依靠多数载流子工作的单级型器件，不存在二次击穿和少数载流子的储存时间问题，所以具有较大的安全工作区、良好的散热稳定性和非常快的开关速度，适用于高频率场合，所以在本论文中使用MOSFET作为开关管。通常，MOSFET的

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