DE19709226A1

DE19709226A1 - Circuit arrangement for generating high frequency alternating voltages and currents with high power esp. for partial discharge measurement at gradient coils

Info

Publication number: DE19709226A1
Application number: DE1997109226
Authority: DE
Inventors: Stefan Dipl Ing Nowak
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1997-03-06
Publication date: 1998-05-14

Abstract

The circuit arrangement generates high frequency alternating voltages and currents with high power for measuring partial discharge of electronic components. A current amplifier in the form of a gradient amplifier (1) is provided. A tunable resonance loop (2) can be connected after the amplifier (1). The resonance loop can be arranged for capacitive tuning. One or more capacitors (3) may be provided in the resonance loop (2). Alternatively the resonance loop may be tuned by varying the inductance. A high frequency filter (4) may be connected after the resonance loop (2).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Erzeugung hochfrequenter Wechselspannungen und Ströme mit hohen Lei stungen für die Messung von Teilentladungen von elektroni schen Bauteilen, insbesondere von Gradientenspulen.The invention relates to a circuit arrangement for generation high-frequency AC voltages and currents with high lei for the measurement of partial discharges from elektroni components, especially gradient coils.

Die Qualitätsüberwachung von elektronischen Bauteilen und Be triebsmitteln insbesondere der Hochspannungstechnik erfolgt zunehmend mit Hilfe von Teilentladungsmessungen, die Vorher sagen zur Lebensdauer von dauerbelasteten Bauteilen erlauben. Teilentladungen sind partielle Durchschläge in einem Dielek trikum, ausgelöst durch lokale Feldstärkeüberhöhungen, wofür Fehlstellen im Isolierstoff oder Kanten an spannungsführenden Elektroden als beispielhafte Ursachen genannt werden können. Die Einsetzspannung, ab welcher eine Teilentladung auftritt, liegt generell unter der Durchschlagsfestigkeit des Dielek trikums. Die eigentliche Gefährdung eines Bauteils durch Tei lentladungen liegt in der Entstehung von irreversiblen Zer störungen in Teilbereichen des Dielektrikums und in der er höhten Wahrscheinlichkeit eines Volldurchschlags. Allgemein werden Teilentladungsmessungen in der Energieelektronik mit 50 Hz-Spannungsversorgungen durchgeführt.The quality control of electronic components and Be drive means in particular high-voltage technology increasingly with the help of partial discharge measurements, the before Allow to say about the life of permanently loaded components. Partial discharges are partial breakdowns in a Dielek trikum, triggered by local field strength increases, for what Flaws in the insulating material or edges on live conductors Electrodes can be mentioned as exemplary causes. The threshold voltage, from which a partial discharge occurs, is generally below the dielectric strength of the Dielek tricum. The actual risk to a component from Tei Discharge lies in the formation of irreversible cerium disturbances in parts of the dielectric and in the increased likelihood of a full breakdown. General are partial discharge measurements in energy electronics 50 Hz power supplies carried out.

Solche Teilentladungsmessungen dienen zur Lebensdauerbestim mung von dauerbelasteten Bauteilen. Nun hat sich im Rahmen einer Reihe von Versuchen auf dem Gebiet der Magnetresonanz diagnostik herausgestellt, daß solche Teilentladungen bei Sy stemkomponenten beispielsweise einer Magnetresonanzeinrich tung wie der Gradientenspule oder dergleichen auftreten kön nen und für Bildgebungsstörungen (Spikes) während der Magnet resonanz-Bildgebung verantwortlich sind. Dieses Phänomen wird noch dadurch evidenter, daß die Komponenten im Zuge im mer schneller werdender Bildgebungsverfahren immer höheren Spannungen ausgesetzt werden. Infolgedessen sind Teilentla dungsmessungen an derartigen Komponenten für qualitätsbestim mende Messungen von Interesse. Da diese Komponenten, insbe sondere die Gradientenspulen, in einem Frequenzbereich von 50 Hz bis zu einigen kHz betrieben werden, muß die Stromversor gung für Teilentladungsmessungen an derartigen Teilen diesen Bereich ebenfalls abdecken. Um an den angesprochenen Bautei len aussagekräftige Messungen durchführen zu können, muß die Spannungsversorgung für den genannten Frequenzbereich eines sinusförmige Spannung zur Verfügung stellen. Ferner muß sie stufenlos bis zu mehreren Kilovolt, insbesondere von 0 bis 3 kV einstellbar sein. Ferner ist ein sehr hoher Leistungsbe darf aufgrund der komplexen Gradientenspulen mit großer Kop pelkapazität zwischen den Teilwicklungen gegeben. Im übrigen darf die Spannungsversorgung keine störenden Oberwellen er zeugen, da ansonsten die empfindliche Teilentladungsmessung gestört wird.Such partial discharge measurements serve to determine the service life of permanently loaded components. Now has been in the frame a series of experiments in the field of magnetic resonance diagnostics pointed out that such partial discharges in Sy stem components, for example a magnetic resonance device device such as the gradient coil or the like can occur and for imaging disorders (spikes) during the magnet resonance imaging are responsible. This phenomenon becomes even more evident that the components in the course of ever faster imaging procedures ever higher Be exposed to tensions. As a result, partial discharge sung measurements on such components for quality determinative measurements of interest. Since these components, esp especially the gradient coils, in a frequency range of 50 Hz to be operated up to a few kHz, the power supplier for partial discharge measurements on such parts Also cover the area. To get to the mentioned building site To be able to carry out meaningful measurements, the Power supply for the specified frequency range provide sinusoidal voltage. Furthermore, it must continuously up to several kilovolts, especially from 0 to 3 be adjustable. Furthermore, there is a very high performance due to the complex gradient coils with a large head given capacity between the partial windings. Furthermore the power supply must not have any disturbing harmonics testify otherwise the sensitive partial discharge measurement is disturbed.

Der Erfindung liegt damit das Problem zugrunde, eine Schal tungsanordnung und damit ein Netzteil anzugeben, das die ge forderten Kriterien insbesondere im Hinblick auf den erfor derlichen hohen Leistungsbedarf erfüllt.The invention is therefore based on the problem of a scarf arrangement and thus specify a power supply unit that meets the ge demanded criteria especially with regard to the required meets such high power requirements.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einer Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, daß ein Stromverstärker in Form eines Gradientenverstärkers vor gesehen ist, dem ein abstimmbarer Resonanzkreis nachgeschal tet ist.To solve this problem is with a circuit arrangement of the type mentioned in the invention provided that a current amplifier in the form of a gradient amplifier is seen, which is followed by a tunable resonant circuit is.

Bei der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung wird mit beson derem Vorteil als Stromverstärker ein Gradientenverstärker verwendet, wie er in Magnetresonanzeinrichtungen zur Lei stungsversorgung einer Gradientenspule im Einsatz ist. Diesem Verstärker ist ein abstimmbarer Resonanzkreis nachgeschaltet, der es ermöglicht, die niederfrequenten Oberschwingungen zu unterdrücken und die Spannung hinreichend einzustellen. Die Kombination des extrem leistungsfähigen Gradientenverstärkers mit dem abstimmbaren Resonanzkreis ermöglicht dann mit beson derem Vorteil eine hinreichende Strom- und Spannungsversor gung, wie sie für die Teilentladungsmessungen derartiger Hochenergiebauteile erforderlich sind.In the circuit arrangement according to the invention the advantage as a current amplifier is a gradient amplifier used as for lei in magnetic resonance devices power supply of a gradient coil is in use. This Amplifier is followed by a tunable resonant circuit, which makes it possible to reduce the low-frequency harmonics suppress and adjust the tension sufficiently. The Combination of the extremely powerful gradient amplifier with the tunable resonance circuit then allows with particular the advantage of a sufficient current and voltage supply supply, such as those for partial discharge measurements High energy components are required.

In Weiterbildung des Erfindungsgedankens kann ferner vorgese hen sein, daß der Resonanzkreis für eine kapazitive Abstim mung ausgelegt wird, wobei hierfür erfindungsgemäß innerhalb des Resonanzkreises ein oder mehrere Kondensatoren vorgesehen sein können. Alternativ hierzu bietet sich die Möglichkeit, den Resonanzkreis durch Änderung der Induktivität abstimmen zu können. Da neben niederfrequenten Oberschwingungen auch hochfrequente Anteile in den verstärkerseitig gelieferten Si gnalen gegeben sind, sieht eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung ferner vor, daß dem Resonanzkreis ein Hochfrequenz filter nachgeschaltet ist, der diese hochfrequenten Anteile unterdrückt.In a further development of the inventive concept, it can also be provided hen be that the resonant circuit for a capacitive tuning mung is designed, according to the invention within the resonance circuit provided one or more capacitors could be. Alternatively, you can tune the resonant circuit by changing the inductance to be able to. As well as low-frequency harmonics high-frequency components in the Si supplied on the amplifier side gnalen are given, expedient training of The invention also provides that the resonant circuit has a high frequency filter is connected downstream of these high-frequency components suppressed.

Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung er geben sich aus dem im nachfolgenden beschriebenen Ausfüh rungsbeispiel sowie anhand der Zeichnung. Diese zeigt einen Blockschaltplan einer erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung mit einer zu messenden Gradientenspule.Further advantages, features and details of the invention he result from the execution described in the following Example and based on the drawing. This shows you Block diagram of a circuit arrangement according to the invention with a gradient coil to be measured.

Um die Problematik hinsichtlich des erforderlichen hohen Lei stungsbedarfs bei der Messung derartiger Bauteile wie bei spielsweise einer Gradientenspule darzustellen, wird nachfol gend exemplarisch der erforderliche Leistungsbedarf bei 5 kHz und 2 kV abgeschätzt.To the problem of the required high lei performance when measuring such components as in Representing a gradient coil, for example, will follow The required power requirement at 5 kHz is exemplary and 2 kV estimated.

Dabei errechnet sich der Blindwiderstand wie folgt:
The reactance is calculated as follows:

X_c = 160 ΩX _c = 160 Ω

Die Blindleistung errechnet sich dann wie folgt:
The reactive power is then calculated as follows:

P_c = 25 kVA.
P _c = 25 kVA.

Um diesem Leistungsbedarf gerecht zu werden, sieht die Schal tungsanordnung einen Gradientenverstärker 1 vor, der in be kannter Weise aus entsprechenden Verstärker- und Endstu fenelementen aufgebaut ist. Diesem nachgeschaltet ist ein ab stimmbarer Resonanzkreis 2, der im gezeigten Beispiel kapazi tiv mittels eines Kondensators 3 abstimmbar ist. Dem Reso nanzkreis nachgeschaltet ist ein Hochfrequenzfilter 4. Die zu messende Gradientenspule 5 befindet sich in einer Hochfre quenz-Schirmkabine 6, was gleichermaßen für das Teilentla dungs-Meßgerät 7 gilt. Die Gradientenspule 5 selbst besteht aus drei Spulen 8a, 8b und 8c, die jeweils zur Felderzeugung in einer unterschiedlichen Raumrichtung dienen. Die einzelnen Spulen sind über die Koppelkapazität C_k miteinander gekop pelt. In order to meet this power requirement, the circuit arrangement provides a gradient amplifier 1 , which is constructed in a known manner from appropriate amplifier and end stage elements. This is followed by a tunable resonant circuit 2 , which can be tuned capacitively by means of a capacitor 3 in the example shown. Downstream of the resonance circuit is a high-frequency filter 4 . The gradient coil 5 to be measured is located in a high-frequency screen booth 6 , which applies equally to the partial discharge measuring device 7 . The gradient coil 5 itself consists of three coils 8 a, 8 b and 8 c, each of which is used to generate fields in a different spatial direction. The individual coils are coupled via the coupling capacitance C _k .

Der Betrieb der gezeigten Schaltungsanordnung ist nun derart, daß der Gradientenverstärker 1 den angeschlossenen abgestimm ten Resonanzkreis 2 treibt. Die an der zu messenden Gradien tenspule anliegende Spannung wird von der Frequenz, dem Wi derstand, der Kapazität und der Induktivität bestimmt. Die niedrige Impedanz des Resonanzkreises 2 unterdrückt dabei die niederfrequenten Oberschwingungen der verstärkerseitig gelie ferten Signale, der nachgeschaltete Hochfrequenzfilter 4 un terdrückt die hochfrequenten Anteile. Die Koppelkapazität C_k zwischen den Spulen liegt parallel zum Resonanzkondensator 3 und verstimmt den Schwingkreis etwas, was aber entsprechend berücksichtigt werden kann. Die Messung etwaiger Teilentla dungen erfolgt bei anliegender Spannung mittels des Teilent ladungs-Meßgerätes 7 in bekannter Weise.The operation of the circuit arrangement shown is now such that the gradient amplifier 1 drives the connected tuned resonant circuit 2 . The voltage applied to the gradient coil to be measured is determined by the frequency, the resistance, the capacitance and the inductance. The low impedance of the resonant circuit 2 suppresses the low-frequency harmonics of the amplifier-side signals, the downstream high-frequency filter 4 un suppresses the high-frequency components. The coupling capacitance C _k between the coils is parallel to the resonance capacitor 3 and detunes the resonant circuit somewhat, but this can be taken into account accordingly. The measurement of any partial discharges takes place when the voltage is applied by means of the partial charge measuring device 7 in a known manner.

Claims

1. Circuit arrangement for generating high-frequency alternating voltages and currents with high powers for the measurement of partial discharges of electronic components, in particular of gradient coils, characterized in that a current amplifier in the form of a gradient amplifier ( 1 ) is provided, to which a tunable resonant circuit ( 2 ) is connected downstream.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the resonant circuit ( 2 ) is designed for capacitive tuning.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that one or more capacitors ( 3 ) are provided within the resonant circuit ( 2 ).

4. Circuit arrangement according to claim 1, characterized characterized in that the resonant circuit by Change in inductance is tunable.

5. Circuit arrangement according to one of the preceding and workman surface, characterized in that the resonant circuit ( 2 ) is followed by a high-frequency filter ( 4 ).