DE2651229A1

DE2651229A1 - Geregelte hochspannungs-gleichstromversorgung

Info

Publication number: DE2651229A1
Application number: DE19762651229
Authority: DE
Inventors: Joseph Patrick Hesler; Samuel Michael Korzekwa
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: General Electric Co
Priority date: 1975-11-12
Filing date: 1976-11-10
Publication date: 1977-05-26
Also published as: GB1563838A; NL7612650A; FR2331932A1; ES453122A1; US4013936A; JPS5266928A

Description

Geregelte Hochspannungs-Gleichstromversorgung.

Die Erfindung bezieht sich auf eine geregelte Hochspannungs-Gleichstromversorgung mit einer \usgangsspannung im Bereich von 50 bis 150 Kilovolt, wie sie für medizinische Röntgenstrahlgeräte erforderlich sind. Die Hochspannungs-Gleichstromversorgung wird durch zahlreiche, eine kleinere Spannung aufweisende Gleichstrom/Gleichstrom-Konvertermoduln gebildet, deren Ausgangsspannungen summiert werden, um eine hohe Ausgangsspannung zu erzeugen. Die Konverter weisen einen Aufbau auf, der eine schnelle Aktivation und Inaktivation oder "Modulation" gestattet. Die Moduln werden dynamisch geregelt, um eine Welligkeit zu eliminieren, die hohe ^usgangsspannung gegen Netzleiturgs- und Laständerungen zu regeln und um die Hochspannung in genau gesteuerten Intervallen ein- und auszuschalten.

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Die vorliegende Erfindung bezieht sich au L" Hochspannungs-Gleichstromversorgungen, in denen die \usgangsspannung geregelt werden soll, um die Wirkungen von Netzleitungs- oder Laständerungen zu vermeiden. Die Erfindung bezieht sich auch auf Einspeisungen, in denen eine aktive Regelung zur Eliminierung einer Welligkeit verwendet wird.

Bekannte Hochspannungsgeneratoren für Kathodenstrahlapplikationen verwenden 'ablicheinveise eine Wechselspannungs-Hauptsteuerung, um die Grosse der erzeugten Hochspannung zu bilden. In einer ähnlichen gesteuerten Weise wird die Grosse der Röntgenstrahlenemission durch eine Voreinstellung der Heizleistung festgelegt, die den Heizfäden der Kathodenstrahlröhre zugeführt wird. Die Kathodenstrahlröhre wird mit begrenzter Emission betrieben. Die Dauer der Röntgenaufnahme wird über neutrale Schalter auf der Primärseite eines dreiphasigen Hochspannungstransformators gesteuert.

Diese Lösung wird gelegentlich verstärkt durch Verwendung einer Trioden-Kathodenstrahlröhre, um den \nodenstrom und somit die Röntgenstrahlenemission zu steuern. Die Trioden-Kathodenstrahlröhren sind viel teurer und weniger betriebssicher als die üblichen Dioden-Kathodenstrahlröhren. Ein weiterer verwendeter Lösungsweg besteht darin, Vakuum-Hochspannungs-Tetrodenröhren mit den Hochspannungsverbindungen zwischen dem Hochspannungsgenerator und der Kathodenstrahlröhre in Reihe zu schalten. Der Zweck dieser Lösungen besteht darin, eine schnellere Steuerung der Kathodenstrahiemission zu erzielen als er über die primärseitigen neutralen Schalter erreicht werden kann.

Die Steuerung der Hochspannungserzeugung erfordert einen wesentlichen Einsatz von zusätzlichem Gerät für die Wechselspannungsregelung. Beispielsweise ist ein angezapfter dreiphasiger Netztransformator erforderlich, um die Netzspannung im voraus in einen geeigneten Zustand zu bringen. Die endgültige Einstellung der erzeugten Hochspannung wird durch ein

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motorgetriebenes dreiphasiges Variac erreicht, das die primäre Wechselspannung an den Hochspannungstransformator anlegt.

Zusätzlich erfordert der Aufbau eines Hochspannungstransformators in üblichen Röntgengeräten eine etwa kubische oder zylindrische Form (von wesentlicher Grosse) für eine effiziente Ausnutzung des Kernmaterials und zur Verminderung der Kernverluste. Die grosse Masse und die Form behinderten die Mobilität des Gerätes und die Flexibilität im mechanischen Aufbau.

Es ist deshalb eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte geregelte Hochspannungsversorgung zu schaffen.

Diese Aufgabe wird durch eine neuartige Hochspannungsversorgung mit einer geregelten Ausgangsspannung gelöst. Die Versorgung umfasst zahlreiche aussteuerbare Gleichstrom/Gleichstrom-Konverter, die jeweils einen Leistungstransformator mit einer in der Mitte angezapften Primärwicklung und einer Sekundärwicklung, wobei die Mittelanzapfung mit einer ersten Gleichstrom-Eingangsklemme verbunden ist, und eine Gegentakt-Schaltanordnung aufweist, die ein Paar abwechselnd leitender Schaltvorrichtungen enthält, von denen jede-Schaltvorrichtung zwischen eine zweite Gleichstrom-Eingangsklemme und das eine Ende der Primärwicklung geschaltet ist, um eine Wechselspannung in der Sekundärwicklung zu erzeugen. Die Sekundärwicklung ist mit einem Br'ickengleichrichter verbunden, um die Ausgangsgrösse zu erzeugen. Der Konverterausgang wird von den positiven und negativen Gleichstrom-Ausgangsklemmen des Gleichrichters abgenommen. Jeder der "M"-Konverter hat einen Steuereingang, dem Modulationspotentiale zugeführt werden können, um die Wechselschwingungen zu starten oder zu stoppen und jeder "M"-Konverter erzeugt eine erste Ausgangsspannung (V_M), die einer groben Stufe der Ausgangsspannung entspricht. Die übrigen ^MN"-Feinkonverter weisen einen Steuereingang auf, an den Modulationspotentiale angelegt werden können, und diese erzeugen Ausgangsspannungen, die viel kleiner als die Aus-

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gangsgrössen der "M"-Konverter sind. Die "N"-Konverter werden dazu verwendet, Feineinstellungen der Ausgangsspannung zu liefern. Zusammen bilden die "N"-Feinkonverter einen gesamten Einstellungsbereich der Ausgangsspannung von einer "groben" Stufe (V_M).

Weiterhin sind Mittel vorgesehen, um die positiven und negativen Konverterausgangsklemmen zu verbinden, um die gleichgerichteten Gleichstrompotentiale aller M '■- und N-Konverter zu addieren, um die hohe Gleichspannung am Ausgang zu erzeugen. Weiterhin ist eine Spannungsvergleichseinrichtung vorgesehen mit einer ersten analogen Eingangsgrösse, die der gemessenen Ausgangsspannung proportional ist, um ein Fehlersignal zu erzeugen, das das Vorzeichen der Differenz anzeigt. Logische Mittel dienen dazu, die zahlreichen M- und N-Feinkonverter in Abhängigkeit von dem Fehlersignal zu steuern. Die Steuerlogik stellt die Ausgangsspannung der N-Feinkonverter in eine Richtung ein, damit die Differenz verkleinert wird. Wenn die Grenzen des Einstellungsbereiches der Feinkonverter überschritten werden, wird ein Grobkonverter aktiviert oder inaktiviert, um die Feinsteuerung fortzusetzen.

Gemäss einem weiteren Merkmal der vorliegenden Erfindung startet oder stoppt der Steuereingang von jedem der zahlreichen N-Feinkonverter die Wechselschwingung und steuert dadurch die gesamte Ausgangsgrösse des Feinkonverters. Gleichzeitig ist die Ausgangsspannung des Feinkonverters so gewählt, dass eine Folge von Spannungsschritten gebildet wird, die den Schritt V_M in kleinere, gleiche Teile unterteilt. Typischerweise sind die Ausgangsspannungen der N-Feineinheiten binär codiert (V_M,₂; V^₄; V_M/g; usw.)

Gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung ist die Steuerlogik getaktet. Die Taktfrequenz ist höher eingestellt als die Welligkeitsfrequenz, so dass sie den Welligkeitsfehler auf wirksame Weise aussteuern (time sample) kann. Die Taktfrequenz ist genügend hoch eingestellt, so dass, wenn die

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Feinspannungsschritte bei der Taktfrequenz auftreten, eine Frequenzänderung in der Ausgangs-Hochspannung erzeugt wird, die die maximale Steigung der Wechselstromwelligkeit überschreitet. Wenn eine Taktung bzw. Zeitnehmung (clocking) vorgesehen ist, wird die Logikschaltung getaktet, um die Anzahl der aktiven Konverter nur bei den T»ktimpulsintervallen schrittweise zu erhöhen oder zu verkleinern. Um für eine schnellere Änderung in der Ausgangsspannung bei der ersten Inbetriebsetzung zu sorgen,- schaltet die Steuer logik die Ausgangsspannung in groben Spannungsschritten (V,,) oder es können mehrere Grobmodulen gleichzeitig aktiviert werden.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel umfasst die Steuerlogik einen reversiblen vielstufigen Zähler, der auf die Spannungsvergleichseinrichtung anspricht, wobei jede Stufe eine Feinkonvertereinheit steuert. Um eine tote Zone zu bilden, weist die Vergleichseinrichtung zwei Komparatoren auf, denen beabstandete Bezugsspannungen zugeführt werden.

Weiterhin enthält die Steuerlogik ein Schieberegister mit M-Stufen, von denen jede einen Konverterraodul steuert, und einen Monitor, der auf den Zustand des reversiblen Zählers anspricht. Der Monitor erzeugt eine Verschiebung nach oben im Schieberegister, wenn der reversible Zähler sich füllt und bis zu einer "O"-Zählung schreitet, und eine Abwärtsverschiebung, wenn sich der reversible Zähler leert und zu einer vollen Zählung runtergestuft wird.

Die Erfindung wird nun mit weiteren Merkmalen und Vorteilen anhand der folgenden Beschreibung und der Zeichnung eines AusführungsbeispieIs der Erfindung näher erläutert.

Figur 1 ist ein Blockdiagramm von einem geregelten Hochspannungs-LeistungsVersorgungssystem für eine Kathodenstrahlröhre, in der die Ausgangsspannung die Summe der Ausgangsspannungen von einer Anzahl von Gleichstrom/Gleichstrom-Konvertermodulen darstellt.

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Figur 2 ist ein vereinfachtes Schaltbild von einem einzelnen Konvertermodul, der für eine Reihenschaltung in dem Leistungsversorgungssystem gemäss Figur 1 geeignet ist.

Die Figuren 3a bis 3e sind Kurvenbilder und stellen die Wirkungsweise eines Konvertermoduls bei der Senkung der Wechselstromwelligkeit dar.

Figuren 4a bis 4c sind Kurvenbilder, die die transienten bzw. flüchtigen Schwingungen der einzelnen Leistungsmodulen und ihrer Verringerung bzw. Abnahme darstellen.

In Figur 1 ist eine geregelte Hochspannungsversorgung für Kathodenstrahlröhren gezeigt, die aus zahlreichen ähnlichen Leistungsmodulen aufgebaut ist. Der Einfachheit halber ist die Hochspannungsversorgung mit sieben Feinkonvertermodulen 11 bis 17 (5 KV), wobei auch eine grössere Anzahl verwendet werden könnte, und mit drei Feinkonvertermodulen 18, 19 und 20 (2,5; 1,25; 0,625 KV) dargestellt. Die \usgangsspannung der Modulen wird summiert, um eine geregelte Hochspannung am Ausgang zu erzeugen. Die Versorgung wird von einer maximal 500 Volt aufweisenden Gleichstromversorgung (21 bis 27) gespeist, die allen Modulen Leistung zuführt. Die Quelle umfasst Gleichrichter 21-26 und einen Filterkondensator 27. Der Filterkondensator 27 hat die Aufgabe, die durch die Umschaltung der Modulen hervorgerufenen transienten bzw. flüchtigen Vorgänge zu verkleinern. Er ist nicht gross genug, um die Wechselstromwelligkeit aus der gleichgerichteten Quelle wirksam herauszufiltern, abgesehen von extrem niedrigen Lastbedingungen. Die Steuerlogik für die Versorgung umfasst Komponenten 29-44, die für den Beginn und das Ende des Betriebes, eine aktive Filterung, um die Wechselstromwelligkeit auf der Gleichstromquelle zu beseitigen, eine Ausgangsspannungsregelung und die Fehlerüberwachung dienen. Die Kathodenstrahlröhre, an die die Hochspannung angelegt wird, ist bei 28 gezeigt.

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Von der Versorgung, die aus einer Leistungsschaltung und einer Regelschaltung besteht, wird zunächst die Leistungsschaltung betrachtet. Die primäre Leistungsquelle für die Hochspannungsversorgung ist eine Dreiphasenleitung für Wechselstrom mit 50 bzw. 60 Hz. Die Wechselstromleitung kann direkt mit dem dreiphasigen Gleichrichtersatz 21-26 verbunden sein, um den dreiphasigen Wechselstrom gleichzurichten, oder sie kann indirekt mit dem Gleichrichtersatz über einen Dreiphasentransformator (nicht gezeigt) verbunden sein. Der Dreiphasentransformator stellt die richtige Grosse der \usgangsspannung ein und hat die Tendenz, die Eingangsleitungen von dem Schaltrauschen zu trennen, das in der Leistungseinspeisung erzeugt wird. Die Gleichrichterschaltung weist einen üblichen Aufbau auf, wobei die Gleichrichter in drei in Reihe geschalteten Paaren verbunden sind. Das erste Paar 21,24 ist für die erste Wechselstrom-Eingangsleitung, das zweite Paar 22, 25 ist für die zweite Wechselstrom-Eingangsleitung und das dritte Paar 23, ist für die dritte Wechselstrom-Eingangsleitung vorgesehen. Die gleichgerichtete Ausgangsspannung wird zwischen den parallel geschalteten Kathoden der Gleichrichter 21, 22 und 23, an denen das positive Potential auftritt, und den parallel geschalteten Anoden der Gleichrichter 24, 25 und 26 erhalten, an denen das negative Potential auftritt. Die Gleichstromquelle am Ausgang hat, ohne Filterung, eine Welligkeit von Spitze zu Spitze bei 360 Hz von nominal 13,3 % der gleichgerichteten Gleichstrom-Spitzenspannung. Der Filterkondensator 27 ist über den Gleichrichterausgang geschaltet, um für kurzzeitige Strombedürfnisse bei der Inverterschaltfrequenz zu sorgen. Bei einer kleinen Last kann er auch die 360 Hz-Welligkeit wesentlich vermindern. Nach der Gleichrichtung und Filterung wird die Ausgangsgrösse der Gleichstromquelle den Modulen 11-20 zugeführt.

Die Grob- (11 bis 17) und die Fein- (18 bis 20) Leistungsmodulen sind so miteinander verbunden, dass ihre Gleichstrom-Ausgangsspannung addiert wird, um die endgültige Hochspannung am Ausgang zu erhalten, und diese Ausgangsgrösse ist etwa sym-

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metrisch, zu Erde. Wenn die Modulen ein grösseres als Erdpotential haben, geschieht diese \bgleichung dadurch, dass die negative Klemme des Feinmoduls 20 mit Erde und seine positive Ausgangsklemme mit der negativen Klemme des Feinmoduls 19 verbunden werden. Die positive Klemme des Moduls 18 wird mit der negativen Klemme des Feinmoduls 18 usw. aber die Grobmodulen 13, 12 und 11 verbunden. Die positive hohe Ausgangsspannung, die an der Hochspannungsklemme 45 auftritt, wird von der positiven Klemme des Moduls 11 abgenommen. In ähnlicher Weise wird, wenn die Modulen ein kleineres als Erdpotential haben, die positive Klemme des Grobmoduls 14.mit Erde verbunden, während seine negative Klemme mit der positiven Klemme des Moduls 15 verbunden wird. In ähnlicher Weise wird der Modul 16 mit dem Modul 15 und 17 mit 16 verbunden. Die negative Hochspannungsklemme 46 der Leistungsversorgung wird mit der negativen Klemme des Moduls 17 gekoppelt. Der positive Anschluss der Kathodenstrahlröhre 28 wird mit der positiven Hochspannungsklemme 45 über ein Kabel, das eine merkliche Kapazität (47) aufweist, mit Erde verbunden, und der negative Anschluss der Kathodenstrahlröhre wird mit der negativen Klemme 46 über ein zweites Kabel, das ebenfalls eine merkliche Kapazität (48) aufweist, mit Erde verbunden. Wenn alle acht dargestellten Modulen in Betrieb sind, würde die Ausgangsgrösse der Versorgung 8x5 Kilovolt oder 40 Kilovolt betragen, und diese Spannung ist symmetrisch gegen Erde. Wenn weniger als die maximale Ausgangsgrösse gewünscht ist und gewisse Modulen nicht in Betrieb sind, wird die Unsymmetrie der Versorgung in Bezug auf Erde so eingestellt, dass sie die Ausgangsgrösse von 1 oder 2 Grobmodulen nicht überschreitet.

Wie bereits erwähnt wurde, haben die Konvertermodulen eine relativ kleine Eingangsgleichspannung (500 Volt), und die Grobmodulen wandeln sie in eine höhere Gleichausgangsspannung (5 KV) um. Die Konverterausgangsströme liegen in dem Bereich von nahe 0 bis 1 Ampere. Um die hohe Spannung zu erhalten, die für Röntgenstrahlapplikationen erforderlich sind, werden eine grosse Anzahl von Modulen in Reihe geschaltet. Auch wenn der

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Einfachheit halber nur 8 Modulen dargestellt sind, wurden in einem praktischen Fall 40 Modulen vorgesehen sein, um eine Ausgangsspannung in dem Bereich von 50 bis 150 KV zu erreichen. Dieser Bereich ist geeignet für einen weiten Umfang von medizinischen Applikationen. Die 5 KV Spitzenspannung pro Modul bei einem maximalen Strom von einem Ampere entspricht einer Spitzenleistung von 5 Kilowatt pro Modul. Die mittlere Leistung pro Modul wird vermindert durch wellige Netzspannungsabfälle und lastabhängige Spannungsabfälle. Um also die maximale vorgesehene Ausgangsgrösse unter ungünstigsten Eingangsbedingungen sicherzustellen, erfordert dieses System zusätzliche Modulen gegenüber denjenigen, die aufgrund der Spitzenspannung berechnet wurden. Dieser Leistungspegel stellt einen üblichen Wert dar, der mit relativ billigen Komponenten realisiert werden kann. Die einzelnen Konvertermodulen, die im folgenden noch genauer beschrieben werden, haben einen \ufbau, der durch eine logische Steuerung bzw. Regelung schnell ein- und ausgeschaltet werden kann. Die erzeugte Hochspannung, die von der Kathodenstrahlröhre gefordert wird, wird durch die Anzahl der Modulen bestimmt, die zu einem Zeitpunkt eingeschaltet sind. Die Fähigkeit, die Modulen schnell ein- und auszuschalten, gestattet eine Regelung der hohen Ausgangsspannung in einer Schrittform und eine dynamische Regelung der Welligkeit, die aus der Gleichrichtung der eine Frequenz von 50 bzw. 60 Hz aufweisenden Leistungsquelle resultiert.

Die drei Feinmodulen bilden die Mittel zum Einstellen der hohen Ausgangsspannung über dem vollen Ausgangsbereich in Schritten von 0,625 KV. Falls eine grössere Genauigkeit als 1% erwünscht ist, kann ein zusätzlicher Feinmodul hinzugefügt werden, um die Feinschritte auf 0,3125 KV zu senken. Die Regellogik ist so aufgebaut, dass sie einen Grobschritt von 5 KV addiert oder subtrahiert, wenn es erforderlich ist, um den nächsten Feinschritt durchzuführen und die Feinmodulen bereits aktiviert sind. Unter der Annahme eines Kompensationsbereiches von 13,3 %, wie es beispielsweise zum Kompensieren der Welligkeit notwendig ist, erfordert die Schritt—Sequenz eine Um-

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schaltung der Feinmodulen und von zwei Grobmodulen bei jeder halben Welligkeitswelle.

Die Elemente 30-44 in Figur 1 bilden die Regelschaltung für die einzelnen Konvertermodulen. Die Regelfunktionen umfassen Starten, Fehlerüberwachen, Welligkeitsfilterung und Ausgangsspannungsregelung. Die Teile der Regelschaltung, die die Welligkeitsfilterung und die Ausgangsspannungsregelung durchführt, umfassen das universale Schieberregister 37, den Zäh-, lermonitor 36, den reversiblen Zähler 34, die Vergleichseinrichtungen 30, 31 und AND-Gatter 32, 33 und einen die Hochspannung abtastenden Spannungsteiler 29. Die Steuerschaltung wird durch den Taktgeber 3 5 bei 50 KHz getaktet und erhält seine "gewünschten" Ausgangsspannungs-Einstellungen (V„„, Vp₁) von einer durch einen Operateur gesteuerten Spannungsquelle, die nicht gezeigt ist.

Die Regelschaltung zur Ausführung der Welligkeitsfilterung und der Ausgangsspannungsregelung arbeitet in einem "geschlossenen Kreis". Die Ausgangsspannung wird von dem Spannungsteiler 2vv abgetastet, der zwei feste Anzapfungen aufweist. Die Anzapfungen sind an Stellen auf dem Spannungsteiler angeordnet, die die gemessene Spannung auf einen Wert innerhalb des Bereiches von 0 bis 5 Volt senken. Die Widerstandsteilung gestattet, dass die gemessene Spannung der Ausgangsspannung an den Klemmen 45 und 46 proportional bleibt. Es sei bemerkt, dass die hohe Ausgangsspannung etwa symmetrisch ist gegen Erde, wobei die Anzapfungen an Punkten in dem Spannungsteiler vorgenommen sind, die sich am nächsten zum Erdpotential befinden. Die gemessene Ausgangsspannung wird über den Anzapfungen entwickelt, wobei keine der Anzapfungen geerdet ist. Die eine Anzapfung wird mit dem einen Eingang des schrittförmig abnehmenden (dekrementierenden) Komparator 30 und mit dem einen Eingang des schrittförmig zunehmenden (inkrementierenden) Komparator 31 verbunden. Der andere Abgriff ist mit der internen Erde bzw. Masse der Komparatoren verbunden. Die vom Oparateur "programmierten" oder gewünschten Spannungseinstellun-

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gen (V_n-, V_Q) werden mit den anderen Eingängen der zwei Kompait I Ά £

ratoren zugeführt und auch in Beziehung gesetzt zu den internen Erdanschlüssen der zwei Komparatoren. Der schrittförmig abnehmende bzw. dekrementierende Komparator 30 erzeugt eine logische "1" am Ausgang (wodurch eine Verkleinerung der Ausgangsspannung gefordert wird), wenn die abgetastete Ausgangsspannung über 4,02 ansteigt, was der erste programmierte Wert (V„_.) ist. Der schrittförmig zunehmende zbw. inkrementierende Komparator 31 erzeugt eine logische "1" am Ausgang (wodurch eine Zunahme der Ausgangsspannung gefordert wird), wenn die abgetastete Ausgangsgrösse unter 3,ß8 abfällt, was ein zweiter programmierter Wert (V„₉) ist. Die Differenz in den zwei programmierten Werten liegt normalerweise bei etwa 1 % der Ausgangsspannung. Die zwei Werte können somit eine einzige Steuereinstellung mit einer automatischen Trennung von 1 % darstellen.

Die Ausgangsgrössen der Komparatoren 30, 31, die durch die Operatoreinstellungen V_R1 und V„2 gesteuert sind, steuern die Aktivation und Inaktivation der einzelnen Modulen in einer getakteten Weise. Die Ausgangsgrösse des Komparators 30 ist mit dem einen Eingang des AND-Gatters 32 und der Ausgang des Komparators 31 ist mit dem einen Eingang des AND-Gatters 33 gekoppelt. Der Ausgang des AND-Gatters 32 ist mit dem dekrementierenden Eingang des reversiblen Zählers 34 und der Ausgang des AND-Gatters 33 ist mit dem inkrementierenden Eingang des reversiblen Zählers 34 verbunden. Die zweite Eingangsgrösse von jedem AND-Gatter 32 und 33 ist ein Taktsignal, das von dem 50 KHz Taktgeber 35 zugeführt wird. Diese Verbindung verhindert, dass ein Komparatorsignal an dem reversiblen Zähler 34 angelegt wird, ausser während eines Taktintervalles. Der Zähler 34 weist drei Stufen auf, die der Anzahl der Feinmodulen entspricht, und er speichert eine Zählung, die einer aus drei Ziffern bestehenden binären Zahl entspricht. Die gespeicherte Zählung erscheint als eine logische "0" oder eine logische "1". Die logische "0" wird normalerweise durch eine Spannung Null am Ausgang und die logische "1" wird durch eine positive Spannung von einigen Volt dargestellt. Das in dem Zähler gespei-

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cherte wichtigste Bit wird dem 2,5 KV-Feinkonvertermodul 18 zugeführt. Das zweitwichtigste Bit wird dem 1,25 KV-Feinkonvertermodul 19 zugeführt und das drittwichtigste Bit ist mit dem 0,625 KV-Feinkonvertermodul 20 gekoppelt. Weiterhin ist eine getrennte Kontaktverhindung von dem reversiblen Zähler 34 zum Taktgeber 35 vorgesehen.

Die vorstehend beschriebene Logikschaltung einschliesslich der Elemente 30, 31, 32, 33 und des reversiblen Zählers 34 steuert direkt die Feinkonvertermodulen 18, 19, 20. Wenn eine "1" in einer Stufe des reversiblen Zählers 39 erscheint, wird eine Schwingung innerhalb desjenigen Feinkonvertermoduls eingeleitet, der mit dieser Stufe gekoppelt ist. Der Mechanismus in jedem Konvertermodul, der auf diese Arbeitsweise der logischen Steuerung anspricht, ist ein "Modulator", der die schaltenden Vorrichtungen in dem Modul startet oder stoppt. Wenn eine Schwingung in einem Modul beginnt, wird eine Gleichstrom-Ausgangsgrösse erzeugt. Wenn er stoppt, wird die Gleichstrom-Ausgangsgrösse unterbrochen. Somit steuert der logische Zustand des dreistufigen reversiblen Zählers 34 die Gleichstrom-Ausgangsgrösse von jedem der drei Feinkonvertermodulen 18, 19, 20 und deren Summe.

Die Grobkonvertermodulen 11-17 werden durch die gleichen Elemente über einen Zählermonitor 36 und das universale Schieberegister 37 indirekt gesteuert. Das Schieberegister 37 weist eine Stufe für jeden der Grobmodulen auf, und da die Grobmodulen alle den gleichen Wert haben, ist die Position der Stufen auf dem Register nicht von örtlicher Bedeutung. Jedoch sind die Verbindungen geordnet, um etwa eine Symmetrie in Bezug auf Erde in der Ausgangsspannung beizubehalten, wenn diese stufenförmig verändert wird. Aus diesem Grunde wird die letzte (m) Stufe in dem universalen Schieberegister 37 dazu verwendet, den positivsten Grobmodul 11 zu steuern, und die vorletzte (m-1) Stufe wird zur Steuerung des negativsten Grobmoduls 17 benutzt. In Fortsetzung dieser Reihenfolge wird die zweitletzte (m-2) Stufe dazu verwendet, den nächst positivsten Modul 12 zu steuern, und die drittletzte (m-3) Stufe steuert den nächst

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negativsten Modul 16. In der gleichen Folge steuern die Stufen 3, 2, 1 die Modulen 13, 15 und 14.

Im normalen Betrieb wird das Schieberegister 37 durch Signale von dem Zählermonitor 36 stufenförmig aufwärts und abwärts verschoben. Aus diesem Grunde hat das Schieberegister 37 einen zusätzlichen aufwärtsstufenden (inkrementierenden) Eingang, einen getrennten abwärtsstufenden (dekrementierenden) Eingang und einen Takteingang zu dem 50 KHz-Taktgeber 35, Der Zählmonitor 36 weist drei Eingänge auf, die mit den logischen Ausgängen des reversiblen Zählers 34 gekoppelt sind. Der Zählmonitor 36 erzeugt eine logische "1" an seinem ersten.Ausgang, wenn die Eingänge von dem reversiblen Zähler von einer vollen Zählung (111) zu einer Leerung (000) fortschreitet, und er erzeugt eine logische "1" an seinem anderen Ausgang, wenn der reversible Zähler von leer (000) zu einer vollen Zählung(lll) fortschreitet. Der erste \usgang des Zählmonitors ist indirekt (in einer noch zu beschreibenden Weise) mit dem inkrementierenden Eingang des Schieberegisters 37 gekoppelt, und der zweite Ausgang des Zählmonitors 36 ist direkt mit dem dekrementierenden Eingang des Schieberegisters 37 verbunden. Wenn also der reversible Zähler 34 voll ist, erzeugt der Zählmonitor ein Signal an seinem ersten Eingang bei der nächsten steigernden Zählung, die den reversiblen Zähler leert. Das erste Ausgangssignal bewirkt, dass das universale Schieberegister 32 eine zusätzliche Stufe zu einer logischen "1" hinzufügt. Aufgrund der Steuerung des universalen Schieberegisters 37 aber die Grobmodulen, wird ein zusätzliches Grobmodul aktiviert. Da jedoch alle Feinmodulen bei dieser Zählung abgeschaltet sind, wird das Ausgangspotentiai um eine Feinstufe (0,625 KV) vergrössert. Wenn umgekehrt der reversible Zähler eine "0" anzeigt, wird bei der nächsten senkenden Zählung, die den reversiblen Zähler füllt (111), ein Signal am zweiten Ausgang des Zählmonitors erzeugt, das bewirkt, dass das universale Schieberegister 37 eine Stufe von der logischen "1" subtrahiert. Dies inaktiviert einen zugehörigen Grobkonvertermodul zur gleichen Zeit, zu der alle Feinmodulen eingeschaltet sind. Somit wird das Ausgangspoten-

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tial um eine Feinstufe verkleinert.

Der vorstehend beschriebene Mechanismus zur Erzielung einer Feinabstufung des \usgangspotentials kann mit grosser Geschwindigkeit erfolgen. Die Geschwindigkeit ist adäquat für sowohl eine Welligkeitsfilterung vorgeschriebenen Grades als auch für die Regelung der \usgangsspannung. Die wellige Ausgangsgrösse, wobei eine dreiphasige Eingangsgrösse von 60 Hz angenommen sei, erzeugt eine Welligkeit bei 360 Hz, wie es in Figur 3a gezeigt ist. Der berechnete Prozentgehalt der Spannungswelligkeit, wobei der Filterungseffekt des Kondensators 27 vernachlässigt ist, beträgt 13,3 %. Figur 3b zeigt eine Halbwelle der gleichen Welligkeitsfunktion, wobei der zeitliche Masstab um das Zehnfache gedehnt ist und der Araplitudenmasstab unverändert geblieben ist. Die gestrichelte Linie in Figur 3c stellt die ungeregelte Welligkeit in der Hochspannungs-Ausgangsgrösse für etwa 1/72 einer Schwingung der Wechselstrom-Eingangsgrösse dar, und die ausgezogene Linie in Figur 3c stellt die entsprechende geregelte Welle für die Hochspannungs-Ausgangsgrösse dar. Der Zeitmasstab in Figur 3c ist etwa das Zwölf fache gegenüber demjenigen in Figur 3b gedehnt, und der vertikale Masstab ist etwa um das Fünffache gespreizt.

Figur 3d stellt die Taktimpulse in dem gleichen Zeitmasstab wie in Figur 3c dar, und Figur 3e zeigt die Gesamtzahl der aktiven Modulen, die über dem gleichen Zeitmasstab wie in den Figuren 3c und 3d aufgetragen ist.

Der Verlauf in Figur 3c für die geregelte und ungeregelte Hochspannungs-Ausgangsgrösse ist für die Periode To gezeigt. Die Periode To entspricht 1/72 der Periode T-, die ihrerseits 1/6 der Periode der Wechselstrom-Haupiquelle ist. Unter der Annahme einer Hauptquelle von 60 Hz beträgt T₁ 2780 Mikrosekunden, T„ beträgt 1667 Millisekunden und T^ beträgt etwa 16,67'72 oder 232 Mikrosekunden. Die ungeregelte Hochspannungs-Ausgangsgrösse in Figur 3c ist somit an eng beabstandeten Intervallen innerhalb eines Welligkeitszyklus bei der Taktimpulsfrequenz abge-

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tastet. In Figur 3d sind acht Taktimpulse gezeigt, die jeweils an einem Zeitintervall (T₄) von etwa 20 bis 23 Mikrosekunden pro Impuls auftreten. Die ungeregelte, in Figur 3c gestrichelt gezeigte Kurve nimmt 3 bis 5 % zu während der dargestellten Abtastungsperiode, wobei sie in glattem Verlauf auf das Maximum von 13,3 % des Gleichstrom-Spitzenwertes ansteigt. Die geregelte Kurve gemäss Figur 3c bildet eine Folge von ungleichmässig beabstandeten sägezahnähnlichen Vertiefungen bei kleinerer Amplitude (typischerweise etwa 1% des Gleichstrom-Spitzenwertes). Die Beabstandung der Vertiefungen liegt bei ganzen Taktintervallen. Die geregelte Ausgangsgrösse kann in der Weise betrachtet werden, dass sie eine konstante Gleichspannung aufweist, der eine Wechselstromkomponente mit stark verkleinerter Amplitude und stark vergrösserter Frequenz überlagert ist. Die Amplitudenänderung ist in der Darstellung auf 1% verkleinert, womit eine Verbesserung um einen Faktor 13 angegeben ist. Die Wechselstrom- oder hochfrequente ^MRausch-"Komponente tritt über einem breiten Spektrum mit kleiner Energie unterhalb 10 KHz auf. Transformiert auf diese höhere Frequenz ist jede weitere Filterung stark vereinfacht, da weniger massive Kondensatoren und Drosseln verwendet werden können, als diese für Filter von 60 bis 360 Hz erforderlich wären. Mit den dargestellten Leistungsmodulen erfolgt die Filterung von den Streuinduktivitäten der Wicklungen der Ausgangstransformatoren verstärkt durch kleine Kondensatoren von üblicherweise 100 Picofarad, die über den Ausgang von jedem Leistungsmodul geschaltet sind.

Figur 3d stellt die Stufenbildung der einzelnen Modulen dar. Zwar zeigt Figur 3d nicht die Wellenform an einem Intervall, in dem ein Grobmodul eingeschaltet wird, aber die tatsächliche Stufenbildung während einer leerlaufenden Stromkompensation erfolgt immer inJFeinstufen, wie es vorstehend bereits ausgeführt wurde. Der oben angegebene Betrieb für die Welligkeitskorrektur ist auch anwendbar auf die Korrektur einer kleineren Frequenzdrift in der Ausgangsspannung, wenn sich die Last ändert oder die Spannung auf der Netzleitung sich ändert. Ein schnei-

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lerer Inkrementierungsprozess wird für den durch einen Operator gesteuerten Anlauf verwendet. Der Anlauf erfolgt mit Modulen, deren Aufbau noch beschrieben wird und die sich in einem Bereitschaftszustand befinden, und er hat eine stufenweise Vergrösserung der Ausgangsspannung zur Folge. Beim Anlauf erfolgt die Stufenbildung, im Gegensatz zu der Welligkeitskorrektur, in Grobstufen bei der Taktfrequenz. Die logische Anlaufschaltung umfasst die zusätzlichen Elemente 38 bis 43.

Der Anlaufprozess wird eingeleitet durch eine logische "1", die mit dem Einstell-Eingang des Flip-Flop 41 gekoppelt ist. Das Anfangssignal wird normalerweise durch einen manuell betätigten Druckknopf (nicht dargestellt) erzeugt. Das Flip-Flop weist einen zweiten, "Rückstell -" Eingang auf und erzeugt eine Ausgangsgrösse an jedem der zwei komplementären Ausgänge (Q und Q). Das vom Operateur ausgelöste Signal erzeugt eine logische "1" am Ausgang Q des Flip-Flop , wobei dieser Ausgang mit dem einen Eingang des AND-Gatters 40 gekoppelt ist. Der andere Eingang des AND-Gatters 40 ist mit dem 50 KHz-Taktgeber gekoppelt. Wenn der Taktimpuls auftritt, ist der AND-Zustand erfüllt und das AND-Gatter 40 erzeugt eine logische "1" an seinem Ausgang. Dieser Ausgang ist mit dem einen Eingang des OR-Gatters 39 gekoppelt. Das OR-Gatter erzeugt dann eine logische "1" an seinem Ausgang, und zwar unabhängig von dem Zustand an seinem anderen Eingang, und der Ausgang des OR-Gatters ist mit dem inkrementierenden oder "aufwärtsverschiebenden" Zähleingang des universalen Schieberegisters 37 gekoppelt. Das Schieberegister muss somit einen 0000001 -Zustand annehmen, und der erste Grobmodul 14 wird eingeschaltet. Beim nächsten Taktimpuls geht das Schieberegister in den 0000011 -Zustand und ein zweiter Grobmodul wird eingeschaltet.

Die Grobmodulen werden dann der Reihe nach bei der Taktimpulsfrequenz eingeschaltet, bis die Hochspannung-Abtastschaltung anzeigt, dass die im voraus eingestellte Ausgangsspannung erreicht worden ist. Dann stoppt die grobe Stufenbildung. An dem Punkt, an dem die summierte Ausgangsspannung den Schwellwert des inkrementierenden Komparators 31 überschreitet, wird eine

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logische "0" erzeugt. Das eine logische "0" darstellende Ausgangssignal von dem Komparator 31 ist mit dem Inverter 43 gekoppelt, der ein logisches ^Ml"-Ausgangssignal erzeugt und dieses mit dem einen Eingang des \ND-Gatters 42 koppelt. Der andere Eingang des AND-Gatters 42 ist mit dem Taktgeber 35 verbunden. Somit ist bei dem nächsten Taktimpuls der AND-Eingangszustand erfüllt und ein eine logische "1" darstellender Impuls wird von dem Gatter 4 2 zum Rückstell-Eingang des Flip-Flops gekoppelt. Dadurch wird die Q-^usgangsgrösse in eine logische "0" zurückgewandelt, wodurch die Ausgangsgrösse des AND-Gatters 40 eine logische "0" wird. Unter der Annahme, dass kein weiteres Signal am Eingang des OR-Gatters 38 anliegt, wird die grobe Stufenbildung abgebrochen. Der Einschaltprozess ist somit schnell und erfolgt in 300 bis 900 Mikrosekunden, wobei 10 bis 30 genau reproduzierbare Modulen angenommen sind, und erfolgt, wie noch ausgeführt wird, mit einer bemessenen Geschwindigkeit, die grosse transiente Iniaufvorgänge verhindert.

Der Zählmonitor 36 übt seine Steuerung indirekt über das AND-Gatter 39 und das OR-Gatter 38 auf den inkrementierenden oder aufwärtsverschiebenden Eingang des Schieberegisters 37 aus, wie es vorstehend bereits trörtert wurde. Dies sei jetzt näher erläutert. Von dem AND-Gatter 3D ist der eine Eingang mit dem ersten Ausgang des Zählmonitors und ein zweiter Eingang mit dem komplimentären Ausgang des Flip-Flops 41 gekoppelt. Nachdem die Anlaufsequenz abgeschlossen ist, tritt eine logische "1" an dem Ausgang Q des Flip-Flops auf. Das AND-Gatter 39 erzeugt bei der nächsten logischen "1" von dem Zählmonitor 36 eine logische "1" am Ausgang. Der \usgang des AND-Gatters ist über das OR-Gatter 38 mit dem aufwärtsverschiebenden Eingang des Schieberegisters 37 verbunden. Hier bewirkt es eine Aufwärtsverschiebung im Register 37, wie es durch den Zählmonitor 36 signalisiert wird, in der gleichen Weise, als wenn die Verbindung zwischen den zwei Komponenten direkt wäre.

Das letzte Element in der Steuerlogik der Leistungsversorgung ist der Fehlermonitor 44, der zum Auslösen der Versorgungen

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angeordnet ist, wenn ein Überstrom- oder mehrere andere Zustände auftreten. Der Fehlermonitor wirkt auf die Leistungsmodulen über ein getrenntes Rückstellsignal ein, das mit den Rückstelleingängen des reversiblen Zählers 34 und des Schieberegisters 37 gekoppelt ist. Wenn das Fehlersignal auftritt, kehren alle Stufen beider Register zu einer logischen "0" zurück und alle Leistungsmodulen werden in einen Bereitschaftszustand zurückgeführt, in dem keine Hochspannungs-Gleichstromausgangsgrösse erzeugt wird.

Ein Leistungsmodul, der für die beschriebene Betriebsweise geeignet ist, isi in Figur 2 dargestellt. Ein bestimmter Modul wird mit weiteren Einzelheiten in der US-PS 3.914.680 beschrieben.

Diese Modulen zeichnen sich alle durch das Vermögen aus, schnell einzuschalten und in einem Bruchteil einer Konverterschwingung abgeschaltet zu werden.

Der in Figur 3 gezeigte Leistungsmodul weist Eingangsklemmen für eine Verbindung mit einer Gleichstromquelle mit mittleren Potentialen (typischerweise 500 Volt) und polarisierte Ausgangsklemmen 72,73 auf zur Ableitung einer höheren Gleichspannung am Ausgang (typischerweise 5 Kilovolt). Der Modul besteht aus einem ersten elektronischen Schalter 50, einem zweiten elektronischen Schalter 51 und einem Leistungstransformator mit Primärwicklungen 52, 53, einer Sekundärwicklung 54 und Steuerwicklungen 55-61, die alle einem mit zwei Öffnungen versehenen Kern 62 zugeordnet sind. Die Primär- und Sekundärwicklungen umschliessen alle den vollen Kern, der zu einem geschlossenen Magnetpfad geformt ist, während die Steuerwicklungen 55-61 nur einem Schenkel des Kernes zugeordnet sind und zu diesem Zweck durch eine Öffnung 74 oder 75 hindurchführen. Weiterhin ist eine Gleichrichterbrücke vorgesehen, die Gleichrichter 63-66, einen Filterkondensator 67 zur Eliminierung transienter Vorgänge und ein anti-parallel geschaltetes Diodenpaar 68,69 umfasst, um bei kleiner Spannung umlaufende Ströme in der Se-

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kundärwicklung zu verhindern. Der Leistungsmodul ist mit einem Modulator 70 versehen zum Einleiten und Beenden des aktiven
Betriebes des Moduls.

Der dargestellte Modul arbeitet als ein freilaufender Gegentakt-Oszillator ,in dem Gleichstromenergie in Wechselstromenergie umgewandelt wird, in dem Tra^sformator auf eine höhere
Wechselspannung transformiert und dann zu der höheren Gleichspannung gleichgerichtet wird. Der Oszillator besteht aus den
zwei Schaltern 50 und 51, die normalerweise Hochleistungstransistoren sind, die einzeln oder in Paaren angeordnet sein können. Die Rückkopplungs- und Kreuzkopplungswirkung für den freilaufenden Gegentaktbetrieb wird durch die Steuerwicklungen gebildet. Als Beispiel sei angenommen, dass SWl (50) durchgeschaltet ist und zu leiten beginnt, dann steuert die Steuerwicklung 55 in Reihe mit der Primärwicklung 52 den Fluss in dem linken Schenkel bzw. Zweig, wodurch bewirkt wird, dass sich
dieser Schenkel zuerst sättigt. Dies bewirkt, dass die Wicklung 57, die den linken Schenkel getrennt umgibt, und der rechte
Schenkel, als eine Folge der Flussvergrösserung in dem linken
Schenkel, ein die Leitfähigkeit vergrösserndes RückkoppIungssignal an die Basis des Schalters 50 liefern. Dadurch wird der Schalter 50 mit einer steilen Wellenfront eingeschaltet. Zu
einem späteren Zeitpunkt in der Leitungsperiode des Schalters

50 wird der linke Schenkel gesättigt, wodurch die Regeneration auf dem linken Teil der Wicklung 57 beseitigt wird. Der rechte Teil der Wicklung 57 erhält nun einen induktiven Stoss. Dieser Stoss ist so gepolt, dass er ein die Leitung beendendes Signal an die Basis des ersten Schalters liefert. Der andere Schalter

51 arbeitet in ähnlicher Weise und wird, wenn der Schalter 50
abschaltet, unter dem Einfluss der zweiteiligen, mit der Basis verbundenen Wicklung 58 eingeschaltet.

Die vorstehend beschriebene Umschaltung leitet Strom von der
Gleichstrom-Hauptquelle über die entsprechenden Primärwicklungen 52, 53 des Leistungstransformators und über die entsprechenden SchaItvorrichtungen 5β, 51 zu der negativen Klemme der Gleichstromquelle. Die abwechselnde Leitfähigkeit der Schalter

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50, 51 bewirkt einen abwechselnden Fluss in dem Hauptkern 62 und erzeugt einen Wechselfluss in der sekundären Leistungswicklung 54. Die sekundäre Wechselspannung ist mit dem Wechselstromeingang der Gleichrichterbrücke 63-66 verbunden und wird gleichgerichtet. Die gleichgerichtete positive Hochspannung tritt an den Kathoden der Gleichrichter 63, 64 auf, die mit der positiven Ausgangsklemme 72 des Moduls gekoppelt sind. Die gleichgerichtete negative Hochspannung tritt an den Kathoden der Gleichrichter 65, 66 auf, die mit der negativen AusgangSr klemme 73 des Moduls in Verbindung stehen.

Der beschriebene Konvertermodul kann so angeordnet sein, dass er bei einer Frequenz in der Grössenordnung von 10 KHz wirksam arbeitet, obwohl auch grössere und kleinere Frequenzen benutzt werden können. Schwingungen werden durch den Modulator 70 gestartet und in einem Bruchteil einer Konverterschwingung durch Steuersignale gestoppt, die den Start- und Stoppwicklungen zugeführt werden. Der Startausgarg des Modulators 70 ist mit der Startwicklung 61 gekoppelt, die den linken Schenkel an der Öffnung 75 umschliesst. Wenn der Modulator 70 ein Signal empfängt, um einen aktiven Modulbetrieb zu starten, wird ein Leitungspfad zwischen der Startklemme des Modulators und Erde erzeugt. Die Leitung innerhalb des Modulators 70 gestattet, dass Strom von dem positiven Anschluss der eine kleine Spannung aufweisenden Gleichstromquelle 76 zur Startwicklung 61 und von dort über den Modulator zum negativen Anschluss der Quelle 76 fliesst. Der Stromfluss in der Wicklung 61 induziert einen steuernden Basisstrom in der Wicklung 57, der die Einschaltung des Schalters 50 einleitet. Da eine einzige Startwicklung vorgesehen ist, beginnt der Startbetrieb immer mit dem Schalter 50.

Wenn der Betrieb eingeleitet ist, kann einer der Schalter 50 oder 51 in einem kleinen Teil einer Leitfähigkeitsperiode abgeschaltet werden. Zu diesem Zweck sind Stoppwicklungen 59 und 60 vorgesehen, die den linken Schenkel an jeder Öffnung 74 und 75 umschliessen. Wenn ein Stoppsignal auf dem Modulator 70 anliegt, ist eine interne Leitungsverbindung von dem negativen

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xVnschluss der Klemme 76 zum Stoppanschluss hergestellt. Dann kann Strom fliessen in einer der Stoppwicklungen 59, 60 in dem Schaltungssinn der Dioden 77, 78. Die Ströme zwingen den Hauptleistungsfluss in die rechten Zweige zbw. Schenkel des Kernes hinein, wodurch eine weitere Induzierung ansteuernder bzw. regenerativer Basisströme verhindert wird. Die Flussänderung in dem rechten Schenkel bzw. Zweig erzeugt einen degenerativen Impuls in der Wicklung 17 oder 58, der den aktiven Schalter 50 oder 51 abschaltet.

Der Umschaltvorgang eines Moduls, der vorstehend beschrieben wurde, ist in den Figuren la, 4b und 4c dargestellt. Die Wechselstromwelle eines Moduls hat eine Frequenz von etwa 10 KIIz und ist eine modifizierte Rechteckwelle mit wechselnder Polarität, wie es in Figur 4a gezeigt ist. Nach der Gleichrichtung ist die \usgangswelle eines Moduls so, wie sie in Figur 4b gezeigt ist. Der Wellenverlauf eines einzelnen Moduls, der die transienten Schwingungen zeigt aber die Streuung und die beabsichtigte Filterung in Rechnung stellt, ist in Figur 4c gezeigt. Die Welligkeit, die das doppelte der Schaltfrequenz von 10 KHz aufweist, stellt einen kleinen Prozentsatz der Gleichstrom-Ausgangsgrösse des Moduls dar. Wenn die Moduln in das System geschaltet sind, werden die transienten bzw. flüchtigen Schwingungen durch die Streuinduktivitäten in den Reihensträngen der Sekundärwicklungen des Transformators, durch die sich wiederholenden Kapazitäten an den Ausgängen der einzelnen Modulen und durch die verteilte Kapazität der Hochspannungs-Ausgangskabel gefiltert.

Die Zufälligkeit der einzelnen Inverter-Ausgangsfrequenzen und Phasen resultiert in einer statistischen Summierung der Welligkeitskomponenten von jedem Konverter. Die Zufälligkeit verkleinert die kombinierte ;\usganswelligkeit gegenüber derjenigen, die bei synchron umgeschalteten Invertern auftreten würde.

Die ümschaltgeschwindigkeit der Konvertermodulen liegt typischerweise nahe bei 10 KHz, Bei einer hypothetischen Schaltge-

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schwindigkeit von 1 KIIz besteht bereits eine gewisse vorteilhafte Verkleinerung des Transformatorkernmaterials und der Grosse der Filterkondensatoren, die gegenüber einem Konverterbetrieb bei einer Schaltgeschwindigkeit von 60 Hz erforderlich sind. Die Schaltgeschwindigkeit von 1000 Hz würde normalerweise ein lästiges Geräusch bei der doppelten Oberwelle der Schaltgeschwindigkeit erzeugen. Die sich fortsetzende Verbesserung bei den Materialeinsparungen diktiert eine praktische untere Grenze bei etwa 7,5 KHz für die Umschaltgeschwindigkeit und eine Auswahl dieser Schaltgeschwindigkeit setzt die zweite Oberwelle auf 15 KHz, was nahe den oberen Grenzen der Hörbarkeit liegt und somit tolerierbar ist. Wenn die Umschaltgeschwindigkeit über 7,5 KHz hinaus zunimmt, werden zwei andere Faktoren wichtig. Dies sind die Speicherzeiten in den Schaltvorrichtungen und die Streureaktanz in den Transformatoren. Wenn Kosten unwichtig sind, können Transistoren mit höherer Frequenz verwendet werden, die Speicherzeiten aufweisen, die Umschaltgeschwindigkeiten über 100 KHz gestatten. Übliche billigere Leistungstransistoren können bei Frequenzen bis zu 50 KHz gut arbeiten, aber sie erzeugen messbare Verluste, die bei etwa 15 bis 20 KHz beginnen. Bei HochspannungsVersorgungen, in denen eine Spannung aufwärts transformiert wird und eine hochgradige Isolation zwischen den Primär- und Sekundärwicklungen erforderlich ist, wird die Wirkung der Streureaktanz ebenfalls wichtig bei etwa 15 bis 20 KHz. Diese Zahl entspricht einer Transformatorkonfiguration, bei dem eine Spannungsdifferenz von 50 bis 75 Kilovolt zwischen der Primär- und der Sekundärwicklung besteht. Somit schränken praktische Grenzen den nutzbaren Bereich modularer Umschaltgeschwindigkeiten auf 7 1/2 bis 20 KHz in Hochspannungsversorgungen ein, wie sie bei Röntgenstrahl-Leistungsversorgungen der hier interessierenden Art verwendet werden.

Der in Figur 2 dargestellte Modul erzeugt eine Wechselspannung in den Sekundärwicklungen eines Leistungstransformators, und diese Spannung wird an eine 4 Gleichrichter umfassende Brücke angelegt. Die Modulen sind dadurch miteinander verbunden, dass

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-Wr-

der positive Bräckenanschluss des einen Moduls mit dem negativen Bruckenanschluss des nächsten Moduls verbunden ist. Diese Art der Reihenschaltung summiert die Gleichstrom-Ausgangsspannung von jedem Modul an den Enden des Reihenstranges. Dabei wird die Ausgangsspannung von einem aktiven Modul zu derjenigen von irgendeinem anderen aktiven Modul hinzu addiert. Sie gestattet auch,dass ein Modul inaktiv wird und trotzdem in dem Stromkreis verbleibt, ohne die \usgangsspannung der anderen Modulen nachteilig zu beeinflussen. Eine Ausgangsschaltung mit einem Vollweg-Gleichrichter würde auch diese 4rt der Modulreihenschaltung gestatten, aber er w'irde zusätzliche Sekundärwicklungen erfordern und ist normalerweise weniger wünschenswert als die Br"icke.

Die hier beschriebenen Feinmodulen stellen einen zufriedenstellenden Weg dar, um eine genaue Korrektur der Ausgangsspannung in einem modularen System zu bewirken, v/obei die Stufenbildung der Grundmodulen eine zu grobe Korrektur erzeugt. Wie bereits ausgeführt wurde, kann diese dynamische Korrektur dazu verwendet werden, vielligkeitsspannungen bei der Netzfrequenz (50 bis GO Hz) oder bei einer gewissen Harmonischen davon und in Grossen bis zu 11,3 ^r- der gleichgerichteten Spitzenspannung zu verringern. Die Feinmodulen können die binär bewichtete Form haben, wie sie hier beschrieben ist, wobei jeder Modul eine unterschiedliche 'Xusgangsspannung hat oder aus mehreren Modulen mit gleicher lusgangsspannung bestehen kann. In beiden Fällen sollte die Gesamtspannung aller Feineinheiten gleich dem Wert eines Grobmoduls abzüglich des Fexnabstufungsschrittes sein.

Es kann auch ein Paar Feinmodulen verwendet werden, dessen Ausgangsspannung in analoger V/eise gesteuert wird. Zwei Modulen sind vorzuziehen, da eine lOO^ige Modulation der Ausgangsgrösse eines Moduls sehr schwierig ist. Somit wird bei zwei analogen Feinmodulen jeder Modul so eingestellt, dass er einen Einstellungsbereich von einer Hälfte der Spannung eines Grobmoduls (5 KV auf 2,5 KV) erzeugt, und jeder wird in die Lage versetzt, einen Strom bis zu 1 Ampere zu leiten. Wenn es erwünscht ist,

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nur standardisierte 5 KV-Modulen zu verwenden, können die zwei Feinmodulen jeweils aus einem üblichen 5 KV-Modul bestehen, wobei dazwischen ein Umschaltregler zwischen dem Modul und die Gleichstromversorgung geschaltet ist. Ein geeigneter Schaltregler erzeugt eine variable Gleichspannung durch Verwendung eines elektronischen Schalters mit einer variablen Belastbarkeit. Der elektronische Schalter bemisst variable Ströme an einem Energiespeicherungskondensator. Die Ausgangsspannung in derartigen Reglern wird einfach über dem Bereich von 15 % eingestellt, der erforderlich ist, eine Einstellbarkeit zwischen 500 und 250 Volt Gleichstrom zu ergeben. Bei einem Xnderungsbereich von 50% in der Eingangs-Gleichspannungsversorgung erzeugt ein einzelner Grobmodul eine entsprechende 50%ige änderung in der Ausgangsspannung, d.h. 2,5 KV auf 5 KV, und zwei Grobmodulen erzeugen den 5 KV-Bereich, der zur Erzielung einer kontinuierlichen Einstellung der hohen Ausgangsspannung erforderlich ist.

Die Logikschaltung für die Steuerung der zwei analogen Feinmodulen ist im allgemeinen Aufbau die gleiche, wie sie in Figur 1 gezeigt ist. Die gemessene hohe \usgangsspannung wird mit einer gewünschten Einstellung verglichen, um eine Steuerspannung zu erhalten. Die Steuerspannung wird dazu verwendet, die Ausgangsspannung von zwei analogen Feinmodulen zu steuern, die vorzugsweise zusammen gesteuert werden. Wenn eine minimale Spannung von 5 KV für die zwei Modulen erreicht ist und trotzdem ein weiterer Anstieg gefordert wird, schaltet der zweite Sensor am Ausgang der zwei Feinmodulen einen Grobmodul über das universale Schieberegister ein, das vorstehend bereits beschrieben wurde. Die Funktion des zweiten Sensors ist analog derjenigen des Zählmonitors 36 in Figur 1. Wenn ein Grobmodul hinzugefügt wird, verschiebt die Steuerlogik automatisch die Feinmodulen zurück in ihre Niederspannungsgrenzen, und wenn ein Grobmodul subtrahiert wird, werden die analogen Feinmodulen automatisch zu ihren oberen Spannungsgrenzen verschoben. Nach dem Umschaltaugenblick übernimmt wieder der Hochspannungs-Ausgangssensor die Steuerung der analogen Feinmodulen.

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Die in Figur 1 beschriebene Anordnung verwendet die gleiche IUickkopplungsschaltung, um eine Wechselstromwelligkeit zu kompensieren und für eine Ausgangsspannungsregelung gegenüber änderungen in der Last- oder Netzleitungsschwankungen zu sorgen. Die zwei Funktionen können auch getrennt werden, indem die Feinspulen in programmierter Weise gesteuert werden zum Eliminieren der Welligkeit, während eine schmalbandige, eine grosse Zeitkonstante aufweisende Abtastschaltung zum Regeln der Ausgangsspannung verwendet wird, um die Netz- und Laständerungen zu kompensieren.

Die Rückkopplungsregelung arbeitet mit einer kleineren Verminderung der Wirksamkeit, wenn ein Fehler in irgendeinem Modul in dem Strang auftritt. Normalerweise können mehrere extra Modulen zu dem System hinzugefügt werden, um als Reserveteile zu dienen, um für ein Regelungsvermögeη über dem vollen Bereich zu sorgen, falls irgendein Modul fehlerhaft wird. Normalerweise bedeutet ein Fehler, dass der Modul nicht aktiviert werden kann, er verhindert jedoch nicht, dass der Rest des Systems zufriedenstellend arbeitet.

Da die Hochspannungs-Gleichstromversorgung modularisiert ist, kann dieses Gerät in mehreren flexiblen physikalischen Anordnungen untergebracht werden, was von der Applikation abhängt. Aufgrund der ausschliessliehen Verwendung von höheren Betriebsfrequenzen sind die Raumerfordernisse für die Versorgung gemäss der Erfindung um die Hälfte reduziert gegenüber konventionellen monolithischen Versorgungen, und das Gewicht ist um einen Faktor von etwa vier verringert.

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Claims

Patentansprüche

Hochspannungsversorgung mit einer geregelten Ausgangsspannung ,gekennzeichnet durch (a) zahlreiche modulierbare Gleichstrom'Gleichstrom-Konverter (ll-20j,
(1) wobei jeder Konverter umfasst

(i) Eingangsklemmen für eine Verbindung mit einer Gleichstromquelle (21-27),

(ii) einen Leistungstransformator mit einer in der Mitte angezapften Primärwicklung, wobei die Mittelanzapfung mit dem einen Anschluss der Gleichstromquelle verbunden ist, und mit einer Sekundärwicklung,

(iii) eine Gegentakt-UmschaItanordnung mit einem Paar abwechselnd leitender Schaltvorrichtungen (50,51), wobei jede Schaltvorrichtung zwischen dem anderen Eingangsanschluss der Gleichstromquelle und das eine Ende der Primärwicklung geschaltet ist zur Erzeugung einer Wechselspannung in der Sekundärwicklung während des Wechsels, die auf Null abfällt, wenn der Wechsel stoppt,

(iv) eine Gleichrichterbrücke (63-66) mit Wechselstrom-Eingangsklemmen, die mit der Sekundärwicklung verbunden sind, und einem Paar entsprechender positiver und negativer Gleichstrom-Ausgangsklemmen, von denen die gleichgerichtete Inverter-Äusgangsgrösse abnehmbar ist,

(2) (i) jeder der "!!"-Konverter (11-17) einen Steuereingang aufweist, an dem Modulationspotentiale zum Starten und Stoppen des Wechsels anlegbar

sind, und die eine erste Ausgangsspannung (V..)

erzeugen zur Lieferung eines Grobausgangsspannungssehrittes und

(ii) die übrigen "N"-Feinkonverter (18-20) einen Steuereingang aufweisen, an dem Modulationspoten-

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tiale anlegbar sind, und die eine zweite Ausgangsspannung erzeugen, die variabel ist zur Lieferung einer Feinausgangsspannungseinstellung, wobei die "N"-Konverter einen Gesamtbereich der ^usgangsspannungseinstellung bilden, der wenigstens etwa gleich der ersten Äusgangsspannung (V₁₁) ist,

(3) Mittel zum Verbinden der positiven und negativen Konverterausgangsklemmen für eine Addition der gleichgerichteten Gleichspannungspotentiale aller M- und N-Konverter zur Erzeugung einer Gleichstrom-Ausgangshochspannung,

(b) eine Spannungsvergleichseinrichtung mit einer ersten analogen Eingangsgrösse, die der gemessenen Ausgangsspannung proportional ist, zur Erzeugung eines Fehlersignals, das das Vorzeichen der Differenz anzeigt, und

(c) eine Logikschaltung (29-44), die mit der Spannungsvergleichseinrichtung gekoppelt ist und auf das Fehlersignal anspricht und mit den Steuereingängen der M- und N-Konverter für deren Steuerung gekoppelt ist, wobei die Steuerung die Ausgangsspannung der "N"-Feinkonverter in einer Richtung zur Verkleinerung der Differenz einstellt und, wenn die obere Grenze des Einstellbereiches der "N"-Feinkonverter gekreuzt wird, einen ¹¹M" Grobkonverter aktiviert und, wenn die untere Grenze gekreuzt wird, einen "M" Grobkonverter inaktiviert.
2. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet , dass der Steuereingang von jedem "N" Feinkonverter den Wechsel startet oder stoppt und die Ausgangsspannung jedes Konverters der "N" Konverter so gewählt ist, dass eine Aufeinanderfolge der Spannungsschritte in der zweiten Ausgangsspannung gebildet ist zur Unterteilung eines Grobspannungsschrittes (V. ) in kleinere gleiche Teile, wenn sich die akti-

Al

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ven Feinkonverter schrittweise nach oben (inkrementiert) oder schrittweise nach unten (dekrementiert) bewegen.
3. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 2 , dadurch ge kennzeichne t , dass die Ausgangsspannung der N Feinkonverter binär codiert ist:

V₁ = V„

1 M

V = V
^V2 M

V = V

^VN ^VM

2^N

wobei die tiefgestellten Indizies den Rang der Feineinheit in fallender Position bezeichnen.
4. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet , dass die Gleichstromquelle eine gleichgerichtete niederfrequente Wechselstromquelle ist, die eine Wechselstrom-Welligkeitsspannung mit einer vorbestimmten maximalen Steigung aufweist, und

(2) ein Taktimpuls mit einer Taktfrequenz gebildet ist, die grosser ist als die Frequenz der Welligkeit, um das Fehlersignal der Vergleichseinrichtung abzutasten zum Ermitteln des Vorzeichens der erforderlichen Feinkorrektur, wobei sich die Feinspannung stufenweise bewegt in der Taktfrequenz zum Ausgleichen oder Tiberschreiten der maximalen Steigung.
5. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet , dass die Logikschaltung durch einen Taktimpuls getaktet ist zum stufenweisen Vergrössern oder Verkleinern der Anzahl der aktiven Konverter bei den Taktimpulsintervallen.
6. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Stufenbewegung während des Anlaufes oder Beginnes in Grobspannungsstufen (V„) und während des laufenden Betriebes in

Feinspannungsstufen (V_n) erfolgt.
7. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 5,da durch gekennzeichnet , dass die Logikschaltung einen reversiblen vielstufigen Zähler aufweist, der auf die Spannungsteilerschaltung anspricht und die Summe der Feinkonverter-Ausgangsgrössen durch eine zusätzliche Feinkonvertereinheit gemäss dem Vorzeichen des Fehlers stufenweise vergrössert oder verkleinert.
8. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Vergleichseinrichtung umfasst:

(a) einen ersten und einen zweiten Vergleicher zum getrennten Steuern der stufenförmigen Aufwärts- und Abwärtsbewegungen, wobei die "tatsächliche" Gleichstrom-Hochspannungsausgangsgrösse an den einen Eingang von beiden Vergleichern anlegbar ist und

(b) eine Schwellwerteinrichtung zum Einstellen des Schwellwertes, bei dem die Stufenbewegung erfolgt, mit einer ersten Bezugsspannung, die an die andere Eingangsklemme des stufenweise senkenden Vergleichers anlegbar ist, die um einen Betrag V/2 höher als die gewünschte Ausgangsspannung eingestellt ist, und mit einer zweiten Bezugsspannung, die an die andere Eingangsklemme des stufenweise vergrössernden Vergleiches anlegbar ist, der um eine Grosse V/2 kleiner als die gewünschte Ausgangsspanne eingestellt ist.
9. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Logikschaltung ferner umfasst:

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(a) ein Schieberegister mit M Stufen zur Steuerung jedes "M" Grobkonverters und

(b) Mittel zum überwachen des Zustandes des reversiblen Zählers zur Erzeugung einer Aufwärtsverschiebung in dem Schieberegister, wenn sich der reversible Zähler füllt und auf eine "O"-Zählung geht, und einer Abwärtsverschiebung, wenn sich der reversible Zähler leert und auf eine volle Zählung geht.
10. Hochspannungsversorgung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , dass die Wechsel- und Taktfrequenzen wesentlich höher eingestellt sind als die Frequenz der Wechselstromwelligkeit in der Gleichstromversorgung zur Verkleinerung der Energiespeicherungserfordernisse, um einen gegebenen Grad der Ausgangsfilterung zu erzielen.

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