DE10322747A1

DE10322747A1 - Filtervorrichtung zur elektrischen Energieumwandlung

Info

Publication number: DE10322747A1
Application number: DE10322747A
Authority: DE
Inventors: Jose Emilio Soto; Nicolas Brunet-Manquat
Original assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Current assignee: GE Medical Systems Global Technology Co LLC
Priority date: 2002-05-21
Filing date: 2003-05-20
Publication date: 2003-12-04
Also published as: JP2004007979A; FR2840128B1; US7027314B2; US20030218889A1; FR2840128A1

Abstract

Eine Vorrichtung (3) zum Umwandeln von elektrischer Energie bei einer hohen Betriebsfrequenz, die von einem elektrischen Netzwerk (2) zugeführt wird, umfasst einen zwischen einer Phase (9) und einer Masse der Vorrichtung angeordneten Kondensator (13), wobei die Kapazität des Kondensators derart ist, dass das Hochfrequenzrauschen gefiltert wird, sowie eine Induktionsspule (14), die parallel zu dem Kondensator angeordnet ist, und eine geringe Resonanzfrequenz im Wesentlichen entsprechend der Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzwerks aufweist. Die Vorrichtung stellt eine Filterung bereit, um die Übertragung einer Hochfrequenzinterferenz von der Vorrichtung in das elektrische Netzwerk zu vermeiden, während soweit wie möglich Leckströme durch das Filter vermieden werden. Die Vorrichtung kann bei dem elektrischen Netzwerk für ein Röntgenstrahlgerät angewendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie aus einem elektrischen Einzelphasen- oder Mehrphasennetzwerk, und insbesondere das Filtern am Eingang einer derartigen Vorrichtung.
Die Erfindung betrifft ferner das Unterbinden der Ausbreitung von Interferenz aufgrund der elektrischen Energieumwandlungsvorrichtung über das Versorgungsnetzwerk, insbesondere im Falle eines radiologischen oder anderen Bildgebungsgerätes wie beispielsweise eines Röntgenstrahlgerätes mit einer durch eine hohe Gleichspannung versorgten Röntgenstrahlröhre.
Darüber hinaus betrifft die Erfindung eine elektrische Energieumwandlungsvorrichtung, die zwischen dem elektrischen Netzwerk und der Röntgenstrahlröhre, einem Niederspannungsgleichrichter, einem elektronischen Wechselrichter oder einem Inverter, einem Transformator und einem Hochspannungsgleichrichter angeordnet sein kann.
Die aktiven Schaltungskomponenten der elektrischen Elemente wie beispielsweise Transistoren der MOS- oder IGBT-Bauart arbeiten bei hohen Frequenzen oberhalb von 100 kHz und erzeugen daher auch Interferenzen bei hohen Frequenzen. Diese Interferenz wird wahrscheinlich an das elektrische Netzwerk übertragen, was für den elektrischen Energieversorger nachteilig ist.

Demzufolge liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen. Erfindungsgemäß wird eine Filtereinrichtung angegeben, um die Übertragung einer Hochfrequenzinterferenz von der Energieumwandlungsvorrichtung an das elektrische Netzwerk zu vermeiden, während soweit wie möglich Leckströme durch das Filter vermieden werden.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird die elektrische Energieumwandlungsvorrichtung mit einer hohen Betriebsfrequenz durch ein elektrisches Netzwerk versorgt und umfasst einen zwischen einer Leitung und einer Masse der Vorrichtung befestigten Kondensator, wobei die Kapazität des Kondensators derart ist, dass das Hochfrequenzrauschen gefiltert wird, sowie eine Induktionsspule, die parallel zu dem Kondensator angeordnet ist, und eine geringe Resonanzfrequenz im Wesentlichen entsprechend zu der Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzwerks aufweist. Eine derartige Vorrichtung erfüllt die allgemein anerkannten Erfordernisse für elektromagnetische Kompatibilität.

Die Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele betreffen ein radiologisches Gerät wie etwa ein Röntgenstrahlgerät mit einer Röntgenstrahlröhre sowie eine elektrische Energieumwandlungsvorrichtung zur Versorgung der Röntgenstrahlröhre. Die bereitgestellte Vorrichtung ist mit einem elektrischen Niederspannungswechselstromnetzwerk verbunden und umfasst einen zwischen einer Faser und einer Masse der Vorrichtung angeordneten Kondensator. Die Kapazität des Kondensators ist derart, dass das Hochfrequenzrauschen gefiltert wird. Die Vorrichtung umfasst eine parallel zu dem Kondensator angeordnete Induktionsspule mit einer geringen Resonanzfrequenz im Wesentlichen entsprechend zu der Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzwerks.

Die Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele werden aus der nachstehenden ausführlichen Beschreibung anhand der Darstellung in der beiliegenden Zeichnung näher ersichtlich. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ansicht eines Röntgenstrahlgeräts gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung;
Fig. 2 ein Schaltungsdiagramm eines Teils der Vorrichtung in Einzelphase;
Fig. 3 ein ausführlicheres Schaltbild entsprechend Fig. 2; und
Fig. 4 ein zu Fig. 3 ähnliches Schaltbild mit drei Phasen.
Gemäß Fig. 1 ist ein radiologisches Bildgebungsgerät 1 wie etwa ein Röntgenstrahlgerät mit einem elektrisches Niederspannungsnetzwerk 2 verbunden, das beispielsweise von der 220 Volt-Einzelphasenbauart ist. Das Gerät 1 umfasst ein mit dem elektrischen Netzwerk 2 verbundenes Filter, um durch das elektrische Netzwerk 2 zurückkehrende Interferenzen zu vermeiden.
Ein Gleichrichter ist dem Filters 3 nachgeschaltet. Im Allgemeinen umfasst der Gleichrichter eine Vielzahl von Dioden und/oder Leistungstransistoren, die in einer Brücke aufgebaut sind. Ein elektronischer Wechselrichter oder ein Inverter 5 ist dem Gleichrichters 4 nachgeschaltet, um eine Wechselspannung bei der gewünschten Frequenz am Ausgang bereitzustellen, damit ein nachgeschalteter Spannungsaufwärtstransformator 6 versorgt wird.
Die Sekundärwicklung des Transformators 6 ist mit einem Gleichrichter 7 verbunden, der von der gleichen Bauart wie der Gleichrichter 4 sein kann, dessen Ausgang eine hohe Gleichspannung in der Größenordnung von einigen 10 oder 100 kV bereitstellt, und für die Zufuhr von Spannung an eine Einrichtung 8 zur Strahlungsemission wie etwa einer Röntgenstrahlröhre des Geräts 1 befähigt ist.
Gemäß Fig. 1 umfasst bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Vorrichtung einen dem Kondensator und der Induktionsspule nachgeschalteten Gleichrichter, sowie einen dem Gleichrichter nachgeschalteten elektronischen Wechselrichter.
Gemäß Fig. 1 kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung die Vorrichtung einen dem elektronischen Wechselrichter nachgeschalteten Transformator sowie einen dem Transformator nachgeschalteten Gleichrichter umfassen, um eine hohe Gleichspannung zu erhalten.
Der Aufbau des Filters 3 ist in Fig. 2 näher gezeigt. Das Filter 3 umfasst zwei Eingangsleitungen 9 und 10 und zwei Ausgangsleitungen 11 und 12. Die Leitungen 9 und 10, beziehungsweise 11 und 12 sind direkt miteinander verbunden. Ein Kondensator 13 ist zwischen der Leitung 9 und einer Masse der Vorrichtung eingebaut. Ein Widerstand 14 ist parallel zu dem Kondensator 13 eingebaut. Zudem ist eine Induktionsspule 15 zwischen der Leitung 11 und einer Masse der Vorrichtung eingebaut. Eine Blitzschlagschutzkomponente 16, die bei hoher Spannung in einer geschlossenen Schaltung und bei geringer Spannung im Leerlauf angeordnet ist, ist parallel zu der Induktionsspule 15 eingebaut. Dieselben elektrischen Bestandteile und Schaltungsanordnungen können für die Leitungen 10 und 12 bereitgestellt werden.
Somit wird aufgrund einer Induktionsspule mit einer sehr hohen Induktivität ein LC-Filter erhalten, dessen Resonanzfrequenz etwa 55 Hz beträgt, was somit gleich geeignet für eine 50 Hz-Versorgungsquelle und für eine 60 Hz-Versorgungsquelle ist.
Die Resonanzfrequenz kann zwischen 45 und 450 Hz, vorzugsweise zwischen 50 und 60 Hz für elektrische Netzwerke einer Frequenz von 50 oder 60 Hz, und bei etwa 400 Hz für elektrische Netzwerke dieser Frequenz liegen. Für elektrische Standardnetzwerke bei 50 und 60 Hz ist es möglich, die Resonanzfrequenz bei etwa 55 Hz zu wählen. Der Wert der Induktionsspule kann zwischen 1 und 150 Henry liegen, vorzugsweise zwischen 10 und 100 Henry, und noch besser oberhalb von 50 Henry, in Abhängigkeit von dem Wert der Kapazität und der gewählten Resonanzfrequenz.
Falls beispielsweise berechnet wird, dass die Summe der Kapazitäten einer Phase 125,5 nF beträgt, dann wird eine Induktionsspule 15 mit 66,7 Henry aufgrund der Gleichung F = 1/(2π²LC) = 55 Hz gewählt.
Der Widerstand 14 dient zum Entladen der Kondensatoren, wenn keine Spannung an das Gerät angelegt wird. Die Induktionsspule und der Kondensator bilden ein am Eingang der Vorrichtung dem Gleichrichter vorgeschaltetes Filter aus.
Bei einem Ausführungsbeispiel ist die Kapazität des Kondensators derart, dass das Hochfrequenzrauschen insbesondere bei Frequenzen oberhalb von 150 kHz gefiltert wird. Ein Widerstand kann parallel zu dem Kondensator für dessen Entladung eingebaut werden, wenn keine Spannung angelegt wird.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Filters 3, wobei die Induktionsspulen 17 und 18 der Eingangsleitungen 9 und 10 sowie die Induktionsspulen 19 und 20, und 21 und 22 im Inneren des Filters 3 in Betracht gezogen werden, die in Reihe mit den Induktionsspulen 17 und 18 geschaltet sind.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind 2 Kondensatoren auf jeder Leitung bereitgestellt. Am Eingang des Filters 3 ist der Kondensator 23 zwischen der ersten Eingangsleitung 9 und Masse parallel zu dem Widerstand 27 angeordnet. Dasselbe gilt bei der zweiten Eingangsleitung 20 für den Kondensator 24 und den Widerstand 28. Der Kondensator 23 ist mit der Hauptleitung zwischen den Induktionsspulen 17 und 18 verbunden. Der Kondensator 25 und der Widerstand 19 können denselben Aufbau aufweisen, und sind mit der Hauptleitung zwischen den Induktionsspulen 19 und 21 verbunden. Dasselbe gilt bei der zweiten Eingangsleitung 10 für den Kondensator 26 und den Widerstand 30. Die Induktionsspule 15 und die Blitzschlagschutzkomponente 16 sind mit der ersten Eingangsleitung 9 verbunden und der Induktionsspule 21 nachgeschaltet. Dasselbe gilt für die zweite Eingangsleitung 10.
Dieser Bauart einer Struktur mit zwei Kondensatoren 23 und 25 mit den Induktionsspulen der Leitungen 19 und 21 beziehungsweise 20 und 22 kommt die Funktion der Ausbildung eines Filters von höherer Ordnung als einer Einzelkondensator-Induktionsspulen-Struktur zu.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten 3-Phasen- Ausführungsbeispiel wird lediglich eine der drei Phasen beschrieben, wobei die andern beiden identisch sind. Die Schaltung einer Phase liegt nahe bei der in Fig. 3 dargestellten, außer dass zwei Widerstände 23a und 23b, 25a und 25b anstelle des Widerstands 23 bereitgestellt sind, und dass zwei Kondensatoren 27a und 27b, 29a und 29b anstelle des Kondensators 27 bereitgestellt sind. Die Kondensatoren 27a, 27b, 29a und 29b sind parallel zu den Widerständen 23a, 23b beziehungsweise 25a und 25b eingebaut. Die Widerstände 23a und 23b sind in Reihe geschaltet, die Widerstände 25a und 25b sind ebenfalls in Reihe geschaltet.
Somit sind die offenbarten Ausführungsbeispiele ein für eine Hochfrequenzumwandlungseinrichtung geeignetes Filter, das die elektromagnetischen Kompatibilitätsstandards erfüllt. Die Erfindung und ihre Ausführungsbeispiele stellen eine Einrichtung zur Vermeidung der Übertragung von Interferenz an das elektrische Versorgungsnetzwerk bereit, wobei die Leckströme sehr gering gehalten werden.
Der Leckstrom bei der Hauptfrequenz ist extrem gering, da die Resonanzfrequenz des Filters sehr nahe dazu liegt, während im Gegensatz dazu das Filter 3 eine ausgezeichnete Filterung bei hohen Frequenzen bereitstellt, womit ein in die Versorgungsleitungen 9 und 10 einziehendes Hochfrequenzrauschen vermieden wird.
Verschiedene Abwandlungen bei den offenbarten Ausführungsbeispielen können erfolgen, ohne von dem Erfindungsbereich abzuweichen.
So ist gemäß vorstehender Beschreibung ein Vorrichtung 3 zum Umwandeln von elektrischer Energie bei einer hohen Betriebsfrequenz offenbart, welche von einem elektrischen Netzwerk 2 bereitgestellt wird. Die Vorrichtung umfasst einen Kondensator 13 zwischen einer Faser und einer Masse der Vorrichtung, wobei die Kapazität des Kondensators derart ist, dass das Hochfrequenzrauschen gefiltert wird, sowie eine Induktionsspule 14, die parallel zu dem Kondensator angeordnet ist, und mit einer geringen Resonanzfrequenz im Wesentlichen entsprechend der Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzwerks versehen ist. Die Vorrichtung stellt eine Filterung bereit, um die Übertragung einer Hochfrequenzinterferenz von der Vorrichtung an das elektrische Netzwerk zu vermeiden, während soweit wie möglich Leckströme durch das Filter vermieden werden. Die Vorrichtung ist bei dem elektrischen Netzwerk für ein Röntgenstrahlgerät anwendbar.

Claims

1. Vorrichtung zur Umwandlung von elektrischer Energie bei einer hohen Betriebsfrequenz, die durch ein elektrisches Netzwerk zugeführt wird, mit:
einem Kondensator (13), der zwischen einer Phase und einer Masse der Vorrichtung angeordnet ist, wobei die Kapazität des Kondensators derart ist, dass Rauschen der Hochfrequenz gefiltert wird; und
einer Induktionsspule (15), die parallel zu dem Kondensator angeordnet ist, und mit einer geringen Resonanzfrequenz versehen ist, die im Wesentlichen der Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzwerks entspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Induktionsspule eine Induktivität zwischen 1 und 50 Henry und vorzugsweise zwischen 10 und 100 Henry aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Induktivität der Induktionsspule in Abhängigkeit von dem Wert der Kapazität und der Resonanzfrequenz über 50 Henry liegt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder 3, wobei die Resonanzfrequenz zwischen 45 und 450 Hz und vorzugsweise zwischen 50 und 60 Hz liegt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Resonanzfrequenz etwa 55 Hz beträgt.

6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kapazität des Kondensators derart ist, dass das Rauschen einer Frequenz größer oder gleich 150 kHz gefiltert wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit:
einem Gleichrichter (4), der dem Kondensator und der Induktionsspule nachgeschaltet ist; und
einem elektrischen Wechselrichter (5), der dem Gleichrichter nachgeschaltet ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, mit:
einem Transformator (6), der dem elektrischen Wechselrichter nachgeschaltet ist;
einem Gleichrichter (7) der dem Transformator nachgeschaltet ist, um eine hohe Gleichspannung zu erhalten.

9. Radiologisches Gerät (1) mit:
einer Einrichtung (8) zur Strahlungsemission;
einer elektrischen Energieumwandlungsvorrichtung (3) zur Versorgung der Einrichtung zur Emission;
wobei die Vorrichtung mit einem elektrischen Niederspannungswechselstromnetzwerk verbunden ist;
die Vorrichtung umfasst dabei:
einen Kondensator (13), der zwischen einer Phase und einer Masse der Vorrichtung angeordnet ist, wobei die Kapazität des Kondensators derart ist, dass das Rauschen der Hochfrequenz gefiltert wird;
eine Induktionsspule (15), die parallel zu dem Kondensator angeordnet und mit einer geringen Resonanzfrequenz versehen ist, die im Wesentlichen der Frequenz des elektrischen Versorgungsnetzwerks entspricht.

10. Gerät nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung zur Emission eine Röntgenstrahlröhre ist.

11. Gerät nach Anspruch 9, wobei die Induktionsspule und der Kondensator am Eingang der Vorrichtung eingebaut sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Induktivität der Induktionsspule zwischen 1 und 50 Henry und vorzugsweise zwischen 10 und 100 Henry beträgt.

13. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Induktivität der Induktionsspule oberhalb von 50 Henry in Abhängigkeit von dem Wert der Kapazität und der Resonanzfrequenz liegt.

14. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Resonanzfrequenz zwischen 45 und 450 Hz und vorzugsweise zwischen 50 und 60 Hz liegt.

15. Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Resonanzfrequenz bei etwa 55 Hz liegt.

16. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kapazität des Kondensators derart ist, dass das Rauschen einer Frequenz größer oder gleich 150 kHz gefiltert wird.

17. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche mit:
einem Gleichrichter (4), der dem Kondensator und der Induktionsspule nachgeschaltet ist; und
einem elektrischen Wechselrichter (5), der dem Gleichrichter nachgeschaltet ist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 17, mit:
einem Transformator (6), der dem elektrischen Wechselrichters nachgeschaltet ist; und
einem Gleichrichter (7), der dem Transformator nachgeschaltet ist, um eine hohe Gleichspannung zu erhalten.