X線高電圧装置 - インバータ式 / 制御装置

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X線高電圧装置

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インバータ式高電圧装置

○インバータ式高電圧装置の分類 

(61.9)
・変圧器形
:据置形(出力30~100kW)がある
 電源設備からX線照射エネルギーを供給する

・エネルギー蓄積形
コンデンサエネルギー蓄積形(胃部・胸部集団検診に用いる間接撮影用装置)、
 電池エネルギー蓄積形:移動形(出力15kW程度)がある

○インバータ式高電圧装置の特徴

(71am10、70pm7、69am6、69pm6、68am5、67am6、64.13、64.14、63.9、62.13、60.14)
1,X線照射中に交流電力を直流電力に変換してから高周波交流電力に変換して、高電圧を得る
→ 出力の調節

2,相電源でも3相(12ピーク形)装置と同等のX線出力が得られる
 インバータ式装置では単相、3相、コンデンサ式、直流電源などに関わらず、低いリプル百分率が得られる
 → 軟線成分が少なく大出力のX線が得られる

3,電源位相に関係なくX線を発生・遮断できる

4,動作(インバータ)周波数が高く,管電圧のリブル百分率が小さい
 インバータ周波数が大きいほど電磁障害対策が必要になってくる

5,周波数
 数十~50kHz、高いと高電圧ケーブルの浮遊容量による平滑化作用大きくなり、
 高電圧変圧器でのエネルギー損失が多くなり、管電圧のリプル百分率が小さくなる

6,短時間最大定格
 電源容量で制限を受けるため、
 電源電圧の変動率は無負荷時で5%、
 短時間最大定格負荷時で10%以下(100.200Vの場合)である必要がある
 電源インピーダンス:
  → 電源容量:

7,管電圧立下り時間
 周波数が高く、管電流が小さいと高電圧ケーブルの平滑効果が大きくなり長くなる

8,電力変換効率
 インバータ周波数が高いほど低下する

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方形波型インバータ式高電圧装置

○方形波形インバータ式装置の基本回路  (68am5)
① AC – DCコンバータ(交流 – 直流変換)
:直流電源の整流を行う

② DC – DCコンバータ
 (直流電圧可変回路:チョッパ回路+平滑化フィルタ)
 共振形では不要

③ 高周波インバータ
:直流を大電力半導体スイッチング素子によって高周波交流に変換

④ 高周波高電圧変圧器
:高電圧交流を発生

⑤ 全波整流回路、高電圧ケーブル

○方形波形インバータ式装置の特徴 (66.12)
 方形波形ではスイッチング時の電圧・電流の変化が直線
 方形波形では電圧と電流がともに値をもつ期間が長い
 負荷によってインバータ周波数は変わらず(周波数が固定)、リプル百分率が変わらない
 ハードスイッチング:半導体素子での電力損失が大きい

共振形インバータ式高電圧装置


○共振形インバータ式装置の基本回路と特徴

 共振回路:共振用コイル・コンデンサ高電圧変圧器からなる
 ソフトスイッチング:半導体素子での電力損失が小さい
 DC-DCコンバータが不要
 共振形では電流が遅れて変化するため,電圧と電流がともに値をもつ期間が短い
 負荷が高いほどインバータ周波数が高くなり(周波数が可変)、リプル百分率は小さくなる
 
 スイッチング時の損失:方形波(非共振)インバータ共振インバータ

調整機構

(71pm5、70am7、68am7)
・管電圧調整
 高電圧変圧器の入力電圧(1次側)を制御する。3つの方式で、それぞれ以下のように制御
 また、フィードバック制御により精度が向上している
 共振形:共振回路に加えるインバータ周波数回路固有の共振周波数の関係で管電圧を決める
 方形波形:チョッパ回路平均化フィルタからなる直流電圧可変回路(DC-DCコンバータ)で管電圧を調整
      チョッパ回路のオン/オフ時間の割合(パルス幅デューティ比)で管電圧を決める
 その他:インバータ回路出力パルス幅位相シフト角で管電圧を調整する

・撮影時間調整
 インバータ回路を駆動する時間で調整する
 撮影時間は電源周期の影響を受けない

・管電流制御
 インバータ制御による高周波加熱方式を用いる
 フィードバック制御を行うことがある

高電圧変圧器

 変圧器の誘起起電力∝巻数×鉄心断面積×磁束密度×インバータ周波数
  → インバータ周波数が高いと小型軽量化可能

管電圧リプル率

「共振波形での管電流:大きい
 ↓
「インバータ周波数:高い」「高電圧ケーブル:長い」「方形波形での管電流:小さい
 ↓            ↓           ↓
「高電圧ケーブルの平滑効果:大きい」(電源効率が悪い、損失が大きい)
 ↓
「管電圧リプル率:小さい」 

X線制御装置(管電圧、管電流、撮影時間の制御)

○管電圧の制御
 → 管電圧の選択は単巻変圧器の二次側のタップを切り替えて行う

○管電流の制御
 → フィラメント加熱変圧器の1次側のタップを切り替えて行う

○撮影時間の制御
・管電圧波高値(最大値)の75%の立ち上がりと立ち下がりとの間の時間
 :「インバータ式」「6・12ピーク形

・管電圧波形のパルス数で表す(電気角45°をこえた部分が1パルス)
 :「2ピーク形(単相全波整流形)

・負荷の開始(充電)管電圧と負荷の終了(波尾切断)管電圧との間の時間
 :「コンデンサ式

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