Оптимизация множителя напряжения для высокоэффективного литья крупногабаритных конструкций.

Оптимизация множителя напряжения для высокоэффективного литья крупногабаритных конструкций.

Резюме

Для контроля стальных отливок толщиной 400–600 мм необходимы рентгеновские лучи с энергией выше 450 кВ, а такое напряжение требует длинной цепи умножителей с высоким пульсирующим током. В этой статье приводятся соотношения пульсаций умножителя, зависимости тока от напряжения конденсатора и эффективной плотности мощности, определяющие конструкцию, а затем шесть стратегий: высоковольтные отдельные блоки, большая емкость на ступень, диэлектрик с низкими потерями, распределение напряжения и защита от перенапряжений, тепловая конструкция и модульное техническое обслуживание.

1. Введение

Крупные стальные отливки, ядерные клапаны и главные валы ветряных турбин предъявляют чрезвычайно высокие требования к проникающей способности КТ. Когда толщина стенок достигает 400–600 мм, а плотность материала высока, энергия рентгеновского излучения должна превышать 450 кВ для получения приемлемого контраста. Более низкая энергия приводит к недостаточному количеству фотонов в детекторе и снижению детализации изображения.

Высокое напряжение влечет за собой свои издержки. Оно требует более длинного множителя напряжения, большей нагрузки на каждую деталь и большего пульсирующего тока в цепи. Конденсаторы накапливают энергию и фильтруют выходной сигнал, поэтому их номинальное напряжение, емкость, потери и надежность определяют, будет ли система поддерживать стабильную выходную мощность в течение длительного периода времени.

В данной статье рассматривается конструкция умножителя: пульсации, токовая нагрузка, эффективный коэффициент рассеяния, а также компоновка и тепловые параметры, обеспечивающие стабильность цепи на 450 кВ.

2. Основной механизм

2.1 Выходной сигнал умножителя и пульсации

В n-ступенчатом умножителе Кокрофта-Уолтона выходной сигнал и пульсации определяются количеством ступеней, частотой переключения и емкостью каждой ступени.

V_out = n · V_in − (I_load / (f · C)) · n(n+1)/2

где n — количество каскадов, V_in — пиковое входное напряжение, I_load — ток нагрузки, f — частота переключения, а C — емкость на каскад.

ΔV = (I_load / (f · C)) · n(n+1)/2

где ΔV — амплитуда пульсаций на выходе, а остальные параметры определены, как указано выше.

Три рычага позволяют уменьшить пульсации: повысить C, снизить n или повысить f. При напряжении 450 кВ количество ступеней не может значительно сократиться при использовании компонентов на 30 кВ, поэтому на практике целесообразно повысить как напряжение, так и емкость блока.

2.2 Токовая нагрузка и потери на конденсаторе

Среднеквадратичное значение пульсаций тока через конденсаторы умножителя увеличивается с увеличением количества каскадов.

I_C,rms ≈ I_load · √[ (2n² + 1) / 3 ]

где I_C,rms — среднеквадратичный ток конденсатора, I_load — ток нагрузки, а n — количество каскадов.

Этот ток нагревает деталь за счет эквивалентного последовательного сопротивления и диэлектрических потерь:

P_loss = I_C,rms² · ESR + V_rms² · ωC · DF_eff

где P_loss — общие потери на конденсаторе в ваттах, ESR — эквивалентное последовательное сопротивление, V_rms — среднеквадратичное напряжение на компоненте, ω — угловая частота (2πf), C — емкость, а DF_eff — эффективный коэффициент рассеяния.

При n = 15 и I_load = 20 мА ток конденсатора достигает примерно 200 мА. Этот ток в цепи с ESR 5 Ом рассеивает реальную мощность, поэтому каскад, который его пропускает, должен иметь либо меньшее ESR, либо более короткую цепь.

2.3 Эффективный коэффициент рассеяния

Эффективный коэффициент рассеяния объединяет диэлектрические потери и потери в проводнике.

DF_eff = tanδ + ωC · ESR

где tanδ — тангенс угла диэлектрических потерь, ω — угловая частота, C — емкость, а ESR — эквивалентное последовательное сопротивление.

Генератор высокой мощности 450 кВ переключается на частоте 50–100 кГц. На этой частоте коэффициент полезного действия (DF_eff) в 0.5% приводит к потерям в несколько ватт в одном конденсаторе, и тепло не имеет выхода в герметичном масляном баке. Детали с низким коэффициентом полезного действия повышают как эффективность, так и надежность, поскольку они снижают тепловыделение в источнике.

2.4 Потоковая передача данных, нагрузка и эффективность вместе

Эффективность зависит от потерь при переключении, диэлектрических потерь конденсатора, а также потерь в меди и сердечнике трансформатора. Для системы 450 кВ/15 мА каждый 1% повышения эффективности отводит около 70 Вт тепла. Это снижение уменьшает температуру в самой горячей точке конденсатора на 5–8 °C, что примерно вдвое увеличивает срок службы согласно соотношению Аррениуса. Выбор компонентов и тепловая схема должны решаться одновременно, поскольку компонент, выбранный с учетом потерь, но неправильно установленный, отдает тепло обратно.

Рис. 1 — Четыре ступени по 100 кВ, 22 нФ срезают пульсации цепи 450 кВ с 1.2 кВ до 90 В и поддерживают температуру в горячей точке ниже 85 °C.

3. Проблемы проектирования

Проблема 1: Длинная цепь приводит к просадкам напряжения и высоким пульсациям.

Для достижения напряжения 450 кВ с использованием компонентов на 30 кВ требуется пятнадцать последовательно соединенных ступеней. Каждая добавленная ступень увеличивает внутреннее сопротивление цепи, поэтому ток нагрузки вызывает видимое падение напряжения. При n = 15, I_load = 10 мА, f = 100 кГц и C = 10 нФ падение напряжения достигает примерно 1.2 кВ, а пульсации остаются примерно на том же уровне, около 0.27% от выходного напряжения. Такой уровень пульсаций ухудшает контрастность, и мелкие трещины и пористость становятся трудноразличимыми в стене толщиной более 200 мм.

Проблемный момент 2: Повышение температуры вследствие потери СОЭ под импульсной нагрузкой.

В литых КТ используется импульсная облучение высокой дозы, при этом ток трубки достигает десятков миллиампер. Конденсаторы умножителя заряжаются и разряжаются с высокой частотой и большим током, а среднеквадратичный ток возрастает с увеличением количества каскадов. При n = 15 и I_load = 20 мА, I_C,rms достигает примерно 200 мА. При ESR = 5 Ом и DF_eff = 0.5% один конденсатор рассеивает несколько ватт. В герметичном масляном баке или литом алюминиевом корпусе это тепло поднимает температуру горячей точки выше 100 °C, и срок службы уменьшается вдвое при каждом повышении температуры на 10 °C.

Проблемный момент 3: Сбой на одном этапе приводит к обрушению всей цепи.

В последовательном умножителе один конденсатор закорачивает свою ступень, остальные принимают перераспределенное напряжение, выходное напряжение падает, и система отключается по защитному сигналу. Поскольку ступени расположены близко друг к другу, поиск неисправной детали требует поэтапной разборки и тестирования каждой ступени, что может занять от нескольких часов до целого дня. На производственной линии, стоимость которой исчисляется десятками миллионов в год, один день простоя обходится в сотни тысяч юаней, что намного больше, чем стоимость конденсатора, ставшего причиной поломки.

4. Этапы проектирования

Стратегия 1: Использование высоковольтных одноблочных установок для сокращения количества этапов.

Блок на 100 кВ позволяет системе на 450 кВ использовать два конденсатора последовательно на каждом каскаде, поэтому для системы на 200 кВ на каскад требуется всего 2–3 каскада вместо 15. Более короткая цепь одновременно снижает внутреннее сопротивление и пульсации, а также исключает необходимость в паяных соединениях, проводке и точках отказа. При n = 4 и C = 22 нФ пульсации падают примерно до 90 В, что составляет 0.02% от 450 кВ.

Стратегия 2: Увеличить емкость на каждом этапе для подавления пульсаций.

Пульсация масштабируется как 1/C, поэтому емкость является наиболее прямым фактором. При f = 100 кГц, I_load = 10 мА, n = 4 и C = 10 нФ пульсация составляет около 100 В, или 0.022% от 450 кВ. Увеличение C до 22 нФ уменьшает ее вдвое, примерно до 50 В. Большая емкость также поддерживает выходное напряжение при импульсной нагрузке, что важно для непрерывного облучения высокими дозами. Один блок 100 кВ/22 нФ позволяет избежать проблемы распределения тока, которая возникает при параллельном соединении компонентов.

Стратегия 3: Использование конденсаторов с низким коэффициентом полезного действия (DF_eff) для снижения нагрева.

An N4700 (T3M) Диэлектрик класса I обеспечивает снижение эффективной диэлектрической проницаемости (DF_eff) ниже 0.1% при 100 кГц и номинальном напряжении, в то время как у обычных компонентов класса II этот показатель превышает 1%. Это снижает диэлектрические потери в десять раз. При V_rms = 100 кВ, C = 10 нФ и f = 100 кГц снижение DF_eff с 1% до 0.1% уменьшает потери на конденсатор примерно с 6.3 кВт до 0.63 кВт, а надежный тепловой путь позволяет поддерживать температуру в зоне перегрева ниже 85 °C.

Стратегия 4: Совместное использование напряжения и предотвращение скачков напряжения.

Установите параллельно каждому последовательному конденсатору градуировочный резистор, выбрав его номинал значительно меньше сопротивления утечки конденсатора при высокой температуре, чтобы обеспечить как статическое, так и динамическое распределение. Добавьте высоковольтные диоды для свободного хода и ограничения напряжения, чтобы подавить обратный импульс от искрения лампы. Поддерживайте приемлемое рассеиваемое напряжение, например, ниже 0.5 Вт, и устанавливайте резисторы подальше от горячих точек конденсаторов, чтобы они не выделяли тепло там, где это наиболее затратно.

Стратегия 5: Усиление проектирования и мониторинга тепловых систем.

Заполните зазор между конденсатором и корпусом радиатора термопастой или прокладкой из нитрида алюминия, чтобы уменьшить контактное тепловое сопротивление. Разместите датчик температуры рядом с каждым каскадом и снижайте мощность или подавайте сигнал тревоги, когда температура в горячей точке превысит 85 °C. Проверьте конструкцию с помощью моделирования CFD и инфракрасных измерений, обеспечив запас не менее 10 °C в худшем случае. Минеральное масло или принудительная вентиляция отводят тепло, если естественного охлаждения недостаточно.

Стратегия 6: Создание подключаемых модулей для быстрого обслуживания.

Интегрируйте каждый каскад с его конденсаторами, резисторами и диодами в модуль с разъемом, индикатором состояния и тестовым портом. Неисправный модуль можно будет извлечь за десятки минут, не разбирая весь генератор.

В рамках плана технического обслуживания необходимо проверять частичный разряд до предела в 5 пКл и проводить инфракрасную термографию каждые шесть месяцев, вести учет тенденций и определять дату замены на основе этих тенденций. Короткая цепочка и модульная конструкция в совокупности снижают как частоту отказов, так и время ремонта.

Параметр компонента	Типичное значение	Условие теста
Номинальное напряжение (серия HVCT8G)	10 кВ постоянного тока	высоковольтный режим 1.5× в течение 60 с
емкость	4700 пФ ±20% (472М)	1 МГц, 1 В среднеквадратичное значение
ЭПР на частоте 1 МГц	ниже 50 мОм	-
Индуктивность петли (хорда E40)	ниже 8 нГн	Расстояние между клеммами: 40 мм
сопротивление изоляции	сопротивление выше 10 ГОм при напряжении 500 В постоянного тока	25 ° C, 60% относительной влажности
Диапазон температур	от −40 °C до +125 °C	Серия МЭК 60068-2
Возможность импульсного DV/DT	выше 50 кВ/мкс	при номинальном напряжении

5. Конденсаторы HVC N4700 для цепей трансформаторов тока литья на 450 кВ

Короткая цепь работает только тогда, когда каждый оставшийся блок пропускает большее напряжение и больший пульсирующий ток без перегрева. Компания HVC производит компоненты N4700 для обоих типов устройств, с емкостью до 22 нФ на блок и номинальным напряжением до 100 кВ. Производство осуществляется на собственном заводе площадью 6,000 м² в Дунгуане и охватывает диапазон напряжений от 1 кВ до 150 кВ.

Шесть параметров, которые здесь имеют значение.

• Сверхвысокие номинальные параметры. Устройства работают при напряжении 100 кВ и выше, что позволяет сократить количество ступеней умножителя на 450 кВ с пятнадцати до четырех или менее.
• Большая емкость на единицу. Один компонент 100 кВ/22 нФ уменьшает пульсации вдвое по сравнению с 10 нФ и позволяет избежать риска распределения тока, характерного для параллельно соединенных компонентов.
• Низкий коэффициент потерь DF_eff. Потери остаются ниже 0.1% на частоте 100 кГц, поэтому диэлектрические потери снижаются на порядок по сравнению с компонентами класса II, а температура в зоне перегрева не превышает 85 °C.
• Возможность работы с пульсирующими токами. Конденсаторы дверной ручки HVCT8G Обеспечивает непрерывную работу на частоте 100 кГц в инверторном умножителе, благодаря низкому уровню звукового давления, обеспечивающему плотное замыкание контура.
• Заводская проверка на ПД. Каждое устройство тестируется на ПД ≤5 пКл, что ограничивает риск поломок в условиях высокой интенсивности воздействия и небольших размеров резервуара.
• Поддержка в подборе и оценке работ. HVR-BSP градуировочные резисторы, резисторы выборки HVRGXP и быстровосстанавливающиеся высоковольтные диоды Поставляются в комплекте, и детали соответствуют электрическим параметрам. Вишай, Мурата и TDK высоковольтная последовательная схема для второго источника.

Доставка и поддержка

Стандартные компоненты поставляются в течение 4–8 недель, а комплекты согласованных каскадов — в течение 6–10 недель, тогда как для указанных выше брендов этот показатель составляет 20–30 недель. Инженеры-технологи HVC оказывают поддержку в расчете пульсаций, исследованиях количества каскадов, выборе резисторов для выравнивания напряжения и проведении теплового анализа.

Отправьте выходное напряжение, ток нагрузки, частоту переключения и коэффициент заполнения. HVC в течение пяти рабочих дней предоставит вам таблицу с множителями, включающую количество каскадов, емкость, ожидаемые пульсации, потери на каскад и два образца для оценки.

6. Часто задаваемые вопросы

В1: Сколько ступеней требуется для умножителя на 450 кВ?

При номинальном напряжении 100 кВ на каждом каскаде может быть не более четырех каскадов, тогда как при напряжении 30 кВ — пятнадцать. Более короткая цепь одновременно снижает внутреннее сопротивление, пульсации, количество соединений и точек отказа. При n = 4 и C = 22 нФ пульсации составляют около 90 В, или 0.02% от выходного напряжения 450 кВ, что находится в пределах целевого значения 0.05% для высококонтрастной визуализации.

В2: Какой уровень волнистости допустим для толстых отливок?

Уровень пульсаций ниже 0.05%, что составляет менее 225 В при 450 кВ. Пятнадцатиступенчатая цепочка с напряжением 30 кВ на ступень обеспечивает пульсации около 1.2 кВ, или 0.27%, и этот уровень размывает мелкие трещины и пористость в стенах толщиной более 200 мм. Увеличение емкости на ступень с 10 нФ до 22 нФ вдвое уменьшает пульсации, поэтому значение емкости является наиболее быстрым регулятором после установки количества ступеней.

В3: Почему количество ступеней приводит к нагреву конденсатора?

Среднеквадратичное значение тока конденсатора зависит от количества каскадов, примерно как I_load·√[(2n²+1)/3]. При n = 15 и I_load = 20 мА этот ток достигает примерно 200 мА, а эквивалентное последовательное сопротивление 5 Ом преобразует его в несколько ватт тепла. Герметичные баки и литые корпуса удерживают это тепло, поэтому температура в горячей точке превышает 100 °C, а срок службы уменьшается вдвое на каждые 10 °C. Меньшее количество каскадов и более низкое эквивалентное последовательное сопротивление отводят тепло непосредственно в источнике.

Вопрос 4: Какова величина потерь, вносимых диэлектриком?

При DF_eff = 1%, V_rms = 100 кВ, C = 10 нФ и f = 100 кГц один конденсатор потребляет около 6.3 Вт в диэлектрике. Компонент класса I при DF_eff = 0.1% снижает это значение примерно до 0.63 Вт. Вся разница приходится на зону перегрева, поэтому именно диэлектрик с низкими потерями позволяет герметичной конструкции оставаться при температуре ниже 85 °C без более мощной системы охлаждения.

В5: Зачем нужны выравнивающие резисторы в последовательной цепи?

Ток утечки различается между компонентами, даже в пределах одной партии, поэтому компонент с более высоким током утечки потребляет меньше напряжения, а компонент с более низким током утечки — больше. Параллельно каждому конденсатору подключается градуировочный резистор, который компенсирует эту разницу и обеспечивает равномерное распределение. Размер резистора должен быть значительно меньше сопротивления утечки при высоких температурах, его рассеиваемая мощность должна быть ниже 0.5 Вт, а сам резистор следует устанавливать подальше от зоны перегрева конденсатора.

В6: Как сократить время технического обслуживания после отказа какого-либо компонента?

Каждый этап следует оформлять в виде подключаемого модуля с индикатором состояния и тестовым портом, чтобы неисправный модуль извлекался за десятки минут, а не требовал полной разборки. В сочетании с шестимесячным тестом на частичный разряд при предельном значении 5 пКл и инфракрасной термографией, следует вести учет тенденций. Полученные данные позволяют определить дату замены, что обеспечивает планирование большинства ремонтных работ.

7. Рекомендации

1. IEC 60601-1:2005+AMD1:2012, Медицинское электрооборудование — Часть 1: Общие требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикамЖенева: МЭК, 2012.
2. МЭК 60601-2-54, Медицинское электрооборудование — Часть 2-54: Особые требования к базовой безопасности и основным рабочим характеристикам рентгеновского оборудования для рентгенографии и рентгеноскопии.Женева: МЭК, 2018.
3. МЭК 60384-8, Неподвижные конденсаторы для использования в электронном оборудовании — Часть 8: Неподвижные конденсаторы с керамическим диэлектриком, класс 1Женева: МЭК, 2015.
4. МЭК 60270, Методы высоковольтных испытаний — Измерения частичных разрядовЖенева: МЭК, 2015.
5. Эриксон Р.В. и Максимович Д., Основы силовой электроники, 3-е изд. Чам: Спрингер, 2020.
6. Мохан, Н., Унделанд, Т.М., и Роббинс, В.П. Силовая электроника: преобразователи, применение и дизайн, 3-е изд. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley, 2003.
7. Л. Чжэн, Л. Чжу, Дж. Лю, З. Ди и С. Цзи, Самовосстанавливающиеся характеристики металлизированного пленочного конденсатора при постоянном и переменном напряжении с гармониками., в сборнике трудов конференции IEEE по электрической изоляции и диэлектрическим явлениям (CEIDP), стр. 175-178, 2022. https://doi.org/10.1109/ceidp55452.2022.9985286
8. США 10,529,487, Многослойный керамический конденсатор с внутренними электродами, имеющими различное расположение краев., Taiyo Yuden Co., Ltd., выдано в 2020 г., https://www.freepatentsonline.com/10529487.html.
9. ГОСТ IEC 61071-2014, Конденсаторы силовые электронные (Конденсаторы для силовой электроники). Москва: Стандартинформ, 2014.
10. Х. Ван и Ф. Блаабьерг, Надежность конденсаторов в силовых электронных преобразователях, использующих звенья постоянного тока: обзор.IEEE Transactions on Industry Applications, том 50, № 5, стр. 3569-3578, 2014. https://doi.org/10.1109/tia.2014.2308357
11. Команда инженеров по разработке приложений HVC, Керамический конденсатор высокого напряжения Тeхничeскиe рeсурсыhttps://www.hv-caps.com