DE3217900A1

DE3217900A1 - Statisches system zur steuerung der drehzahl von rotierenden anoden in roentgenroehren

Info

Publication number: DE3217900A1
Application number: DE19823217900
Authority: DE
Inventors: Ignacio Alcalde Madrid Fernandez; Carlos Mañueco Pozuelo de Alarcon Madrid Santurtun
Original assignee: ESPANOLA ELECTROMED
Current assignee: ESPANOLA ELECTROMED
Priority date: 1981-05-14
Filing date: 1982-05-12
Publication date: 1982-12-02
Also published as: IL65786A; NL8202001A; JPS5832400A; FR2506094B1; GB2100533A; ES8207401A1; FR2506094A1; GB2100533B; DE3217900C2; ES502250A0; IL65786A0

Description

• a.

Beschreibung

Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von 'rotierenden Äriöderi in Röntgenröhren

Die Erfindung betrifft ein statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden (rapid stator = Schnellstarter T ) , um die Anode einer Röntgenstrahlenröhre von 0 ' auf 10.400 Umdrehungen pro Minute (U/min), 0 - 3.400 U/min und 3.400 bis 10.000 U/min, in kurzen Zeitspannen zu beschleunigen, die erreichte Drehzahl mit geringen Verlusten aufrechtzuerhalten und die rotierenden Anoden dann wieder abzubremsen. Dabei sollen neue Steuer- und Leistungstechnologien eingesetzt werden.

Dabei gehen von einem Generator definierte Beschleunigungssignale aus, die unterschiedliche Betriebsabläufe für die Startbeschleunigung, die Beibehaltung der Drehzahl und das Abbremsen liefern.

Dabei können drei unterschiedliche Typen von Röntgenstrahlenröhren gleichzeitig gesteuert werden, wobei es sich um eine Kombination von drei identischen oder drei verschiedenen Röhren handeln kann. Jeder Röhrentyp erfordert unterschiedliche Bcschleunigungs- und Bremszeiten.

Das System weist eine Leistungs-, Frequenz- und Spannungssteuerung auf, um einen einphasigen Motor mit zwei Wechselstr'omspannungs-Windungen eines Stators zu speisen, die um die Röntgenröhren angeordnet sind. Der Rotor bildet die

AO-

rotierende Anode, deren Abmessungen und Trägheit sich in Abhängigkeit vom Leistungstyp ändern.

Als Leistungsschaltung wird ein Inverter bzw. Wechselrichter verwendet, der mit einer Brücke aus Transistoren verbunden ist, die durch Spannungsimpulsmodulation die Frequenz und die Leistung einstellen. Die Steuerschaltung weist den Steuerschritt (Wellensteuerung) der Transistoren mit variabler Frequenz mittels eines Mikrocomputers und statischer Schutzsysteme auf.

Die Netzwerk-Speisespannung, die einphasig oder dreiphasig sein kann und eine Frequenz von 50 oder 60 Hz hat, wird mittels Gleichrichtung und Filtrierung in eine Gleichstrom-/ spannung umgewandelt.

Diese Gleichstromspannung wird in eine Wechselstromspan- / nung mit Rechteckwellen umgewandelt, und zwar mit oder ohne Impulsmodulation, die über einen Transformator bzw. Wandler bzw. Übertrager in der Sekundärschaltung die Windungen des Stators speisen.

Dieses System wird durch einen Mikrocomputer mit folgenden Funktionen gesteuert: Zwischenphasen bzw. Schnittstellen zu dem Generator, Steuerung und Erzeugung der Frequenz, Modulationssteuerung in Abhängigkeit von verschiedenen Parametern, befriedigende Beschleunigungssteuerung zum Schutz der Röhre sowie Verbindung zu dem Röntgenstrahlen-Generatorsystem beim Betrieb.

I Die vorliegende Erfindung schafft einen neuen Startpunkt zur Vereinfachung und Reduzierung der Kosten in Bezug auf andere, herkömmliche Thyristor-Systeme mit erzwungener

Schaltung und/oder Wandlern zur Einstellung der Spannung.

Herkömmliche- Systeme verwenden zur Zeit Spannungsstabilisatoren zur Einstellung der Ausgangsspannung des Systems; in der Leistungsstufe sind Thyristoren mit erzwungener Schaltung und zwei oder mehr Spannungstransformatoren . enthalten, um andere Beschleunigungen mit unterschiedlicher Frequenz zu erzeugen, wie beispielsweise 180 Hz, 400 Hz .- oder andere Zwischen- und/oder höhere Frequenzen, und zwar in Abhängigkeit vom verwendeten Typ der Röntgenröhre.

Durch die Erzeugung der Beschleunigungen des Motors bei . den oben erwähnten Frequenzen tritt eine Sättigung ein, die aus der Verwendung eines Spannungswandlers bei zwei 15- verschiedenen Frequenzpegeln abgeleitet wird. Diese Sättigung erzeugt Intensitätspunkte, die unnötigerweise eine Oberdimensionierung des Power Moduls bewirken.

Die Bremsfolge der rotierenden Anode erfolgt im allgemeinen mittels eines Hilfswandlers und seinen Geräten entsprechend einer reduzierten Spannung oder als Alternative hierzu mittels eines statischen Variationssystems über gesteuerte Silizium-Gleichrichter oder einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler.
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Beim Auftreten eines zu hohen Stroms oder eines Kurz- · Schlusses kann eine größere Störung nur dadurch verhindert werden, daß die. Geräte vollständig abgeschaltet und getrennt werden, da normalerweise das Steuersystem keine automatische Wiedereinschaltung und Wiederinbetriebnahme der Geräte ermöglicht. .

In anderen Fällen müssen in den Leistungsmodul verschiedene Transistoren parallel zu dem Arm der Brücke des Tran-

• /U-

sistor-Wechselrichters installiert werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Systems stark beeinträchtigt wird.

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein statisches System für die Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden zu schaffen, dessen Eigenschaften sich wie folgt zusammenfassen lassen:

a) Die Speisespannung für den Motor durch Pulsdauer-ModuIationstechniken im folgenden Ablauf zu steuern: - Aufrechterhaltung der Drehzahl bei 180 Hz, 10.400 U/min, näherungsweise mit konstanter Pulsdauer-Modulation bei .gleichfalls

. konstanter Modulationsfrequenz, um eine unnötige Überhitzung des Motors nach seiner Beschleunigungsperiode zu vermeiden. Andererseits verwendet die Alternative hierzu, nämlich das herkömmliche System, einen Hilfstransförmator mit seinen Geräten entsprechend einer reduzierten Spannung oder, alternativ, ein statisches Spannungsvariationssystem mit Siliziumgleichr.ichtern, die durch eine Graetz-Brücke oder einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gesteuert werden.

Das beschriebene Steuersystem stellt eine wesentliche Vereinfachung, Kostenverringerung und Erhöhung der Zuverlässigkeit im Vergleich mit den oben erwähnten herkömmlichen Systemen dar.

- Aufrechterhaltung der Drehzahl bei 60 Hz, 3.400 U/min ' näherungsweise mit konstanter Pulsdauermodulation bei ebenfalls konstanter Modulationsfrequ.enz, um eine unnö- | tige Überhitzung des Motors nach seiner Beschleunigungs- ; perdöde zu vermeiden. Andererseits verwendet die Alternative hierzu, nämlich das. herkömmliche System, einen Hilfstransformator mit seinen Geräten entsprechend einer

- χ - ■ ■ AZ-

reduzierten Spannung oder, alternativ ein statisches Spannungsvariationssystem mit Siliziumgleichrichtern, die durch eine Graetz-Brücke oder einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gesteuert werden.

Das beschriebene Steuersystem stellt eine wesentliche Vereinfachung, Kostenverringerung und Zuverlässigkeitserhöhung im Vergleich mit den oben erwähnten, herkömmlichen Systemen dar.

b) Die Sättigung und ihre möglichen Auswirkungen auf die Oberdimensionierung des Transistor-Wechselrichters sowie auf die Leistung des Systems zu verhindern, wobei insbesondere die Beschleunigung und die Verluste des Transformators angesprochen werden, der den Motor speist. Dadurch ergibt sich gleichfalls eine wesentliche Verringerung an Volumen und Kosten.

c) Eine Beschleunigung auf 60 Hz mit einer sinusförmigen Pulsdauermodulation der Spannung.

Ein Aufbau mit einem einzigen Leistungs-bzw. Netz-Transformator mit festen Abgriffen, die für 180 Hz berechnet sind, bewirkt eine starke Einschränkung des Systems aufgrund der Sättigung der Frequenz beo" 60 Hz. Andererseits benutzt die Alternative hierzu, nämlich das herkömmliche System, einen Hilfstransformator mit seinen entsprechenden Geräten für die Betriebsfrequenz von 60 Hz.

d) Den Bremsabiauf von 10.400 U/min, auf 3.400 U/min.,von ; 10.400 U/min, auf die Leerlaufdrehzahl des Rotors und von 3.400 ü/min. auf die Leerlaufdrehzahl des Motors zu steuern, und zwar unter folgenden Gesichtspunkten:

10.400 U/min, auf 3.400 U/min.

— is —

10.400 U/min, auf 3.400 U/min.

Sinusförmige Pulsdauermodulation mit 60 Hz Spannungswellen. Dieses System bietet unter anderem, den Vorteil, ' daß die Bremszeit mittels einfacher Änderungen des Soft- ·* ware Programms des Mikrocomputers eingestellt werden kann, ohne daß Änderungen der Hardware oder Modifikationen durchgeführt werden müssen.

10.400 U/min, auf Leerlaμfdrehzahl des Rotors

Gleichrichtung einer 180 Hz Rechteckwellen-Spannung mit Pulsdauermodulation, die während des Bremsens dem Motor zugeführt wird.

3.400 U/min, auf die Leerlaufdrehzahl des Rotors

Gleichrichtung einer 18O=Hz Rechteckwellen-Spannung mit Pulsdauermodulation, die dem Motor während des Bremsens zugeführt wird.

e) Dies ist ein dynamisches System zur Begrenzung der In- . tensität, welches die einwandfreie Funktion während eines zu hohen Stroms oder eines Kurzschlusses in dem Motor mit pulsierender Intensität ermöglicht, und zwar gesteuert durch Spannungsimpuls-Modulation; auf diese Weise läßt sich eine sonst mögliche Beschädigung der Leistungs-Halbleiter und der Sicherungen vermeiden. :

Dieses System bietet im Vergleich mit den herkömmlichen '·. Systemen den Vorteil, daß es dynamisch arbeiten kann, bis der zu hohe Spannungspegel auf einen sicheren Wert reduziert worden ist, ohne daß die zugehörigen Geräte teilweise oder vollständig abgetrennt werden müssen, wie es sonst der Fall ist; diese Abtrennung würde jedoch die einwandfreie Funktion des Röntgenstrahlen-Generators beeinflussen.

Ά5-

Dieses System hat, im Vergleich mit den herkömmlichen Systemen die folgenden, wesentlichen Vorteile:

a) Dieses System ermöglicht den Verzicht auf den Eingangs-Auto-bzw. Anlaß-Transformator, der bei allen herkömmlichen Geräten benötigt wird, um die Netzwerk-Spannungsverschiebungen einzustellen; dadurch ergibt sich der weitere, wesentliche Vorteil, daß diese Änderungen dynamisch eingestellt und kompensiert werden können.

b) Die dem Motor über eine Detektorschaltung für die Netzwerkspannung zugeführte Spannung, die einmal gleichgerichtet und gefiltert wird, wird in digitale Daten umgewandelt, so daß der Mikrocomputer die geeignete Spannungs-Pulsdauermodulation in den Beschleunigungssystem bei 180 Hz und 60 Hz abtastet, einen Vergleich durchführt und sich dann für den geeigneten Wert entscheidet; dies ist unter dem Gesichtspunkt wesentlich, daß die gesamte Beschleunigungszeit eine kritische Größe für die Lebensdauer der Röntgenröhre darstellt. ^:

c) Bei diesem System erfolgt der Röhrenschutz mittels einer indirekten Feststellung des Drehzahlbereiches in einer vorgegebenen Zeitspanne. Das Steuersystem berechnet die während der Beschleunigung entwickelte Leistung durch Ermittlung der Spannung und der Intensität, die dem Motor zugeführt werden; die entsprechenden Werte werden während der Beschleunigungszeiten intigriert und mit den zulässigen

minimalen Werten verglichen. ;

Dieses System ermöglicht außerdem die Unterscheidung zwischen einer normalen Beschleunigung und anderen, unterschiedlichen Situationen, wie beispielsweise einer Beschleunigung bei einem Kurzschluß, bei dem die dem Motor zugeführte Spannung unterbrochen und durch die Intensität-Begrenzungsschaltung moduliert werden würde; ein solcher

• ·■ *

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Betriebszustand, der als Störung betrachtet werden kann, wird durch das oben erwähnte Steuersystem festgestellt.

d) Das oben beschriebene Bremssteuersystem stellt eine wesentliche Vereinfachung, Kostenverringerung und Erhöhung

5' der Zuverlässigkeit in Bezug auf die oben beschriebenen herkömmlichen Bremssysteme dar.

e) Dieses Gerät enthält Systeme zum Schutz gegen Kurzschlüsse lose bzw. lockere Kabel oder niedrige Spannungen, um das Anlegen von Röntgenstrahlen an die Röhre ohne Beschleunigung zu vermeiden.

Bei dem hier beschriebenen Gerät handelt es sich um einen Leistungstransistor-Wechselrichter mit digitalem Steuersystem.

Die Spannung an dem Ausgang des Wechselrichters wird erhöht und durch falschphasige bzw. phasenverschobene Kondensatoren auf den Stator des Motors der rotierenden Anode übertragen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen ;

Fig. 1 ein Blockdiagramm eines statischen

Systems zur Steuerung der Drehzahl von " - ■ rotierenden Anoden in einer Röntgenröhre, !

Fig. 2 ein Blockdiagramm der Steuerung des Systems ■ über einen Mikrocomputer,

Fig. 3 eine vereinfachte Ansicht des Leistungsmoduls mit einer Darstellung des Transistor-Wechselrichters bzw. -Umformers,

Fig. 4 eine Kurvendarstellung der Wellenformen,

welche die Leistungstransistoren erreichen,

Fig. 5 die Leitungsperiode eines Leistungstransistors (Kurve 2) und die Pulsdauermodulation (Kurve 1); die Kurve 3 stellt die Rechteck

wellen-Spannung des Transistor-Wechselrichters und eine sinusförmige Spannungswelle des Stroms dar, der mit der Spannung in Phase ist,

Fig. 6 die Transformation einer sinusförmigen Modulation, die durch den Mikrocomputer gegeben wird (Kurve 4) , wobei die Kurve. 5 die sinusförmige Welle zeigt, die sich an dem Schnitt- · punkt einer Delta-Welle mit einer sinusförmigen Welle ergibt, und wobei die Kurven 6, 7, 8, 9 und 10 die Leitungswellen der vier

Transistoren der Brücke des Leistungsmoduls mit oder ohne Modulation darstellen,

Fig. 7 am Punkt 11 das Detektorsystem für einen zu hohen Strom, wobei die Kurven 12, 13 und 14 den Aufbau einer herkömmlichen Schaltung dar

stellen, wobei ein zu hoher Strom durch einen Nebenschluß ermittelt wird, und

Figuren 8, 9, 10, 11, 12 und 13 ·

verschiedene Wellenformen der Stromwelle und der Spannungswelle des Transistor-Wechselrich^

ters, wie sie als Ergebnisse von Tests erhalten wurden.

Das statische System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden nach der vorliegenden Erfindung weist die folgenden Grundelemente auf, die im einzelnen aus dem

Blockdiagramm nach Fig. 1 zu erkennen sind:

1. Einheit zur Einstellung der Eingangsbedingungen

2. Optische Isolatoren

3. Mikrocomputer-Steuerschaltung 4. Leistungsmodul

5. Adaptionstransformator.

6. Kondensator und Bremsauswahl

7. Ausgangsauswahl

1. Einheit zur Einstellung der Eingangsbedingurigen

Diese Schaltungsanordnung weist C-MOS Schaltungen mit hoher Rausch-Immunität auf, die die Schnittstelle zwischen den optischen Isolatoren und dem Mikrocomputer bilden. Die Art der verwendeten Röhre wird binär kodiert, um dem Mikrocomputer die notwendigen Informationen über die Beschleunigungs-und Abbremszeiten (Punkt A) zu geben; andererseits übermittelt das System ein Signal über die zulässige Bestrahlung zu dem Röntgenstrahlen-Generator (Punkt B).

2. Optische Isolatoren ,'

Eine Gruppe von optischen Isolatoren empfängt die Signale von dem Röntgenstrahlen-Generator über die Einrichtung zur Einstellung der Eingangsbedingungen, wobei es sich jeweils um unterschiedliche Folgen von Drehzahlen, Zeitpunkten, Informationen über die Art der Röhre, usw. handelt.

Die optischen Koppler akzeptieren Wechselstrom-oder Gleich-

strom-Spannungssignale, die auf jeden Röntgenstrahlen-Generator gegeben werden können; dieser ist elektrisch vollständig von der Beschleunigungseinrichtung für die rotierenden Anoden isoliert und gibt diese Informationen zu der Steuerschaltung des Mikrocomputers weiter.

3. Steuerschaltung des Mikrocomputers

Der Mikrocomputer erfüllt die folgenden Funktionen:

- Er empfängt die Signale von dem Röntgenstrahlen-Generator;

- er legt die Betriebsfrequenz des Wechselrichters fest; - er stellt die sinusförmigen Schwingungen, insbesondere ihre Proportionalität, ein;

- er steuert in jedem Fall die geeignete Modulation;

- er modifiziert die Modulation in Abhängigkeit von der Betriebsspannung;

- er sorgt dafür, daß der Strom in den Kabeln des Motors adäquat ist;

- er zeigt seine eigene, korrekte Funktion sowie Störungen in den einzelnen Schaltungen an;

- er stellt die Beschleunigungs-und' Abbremszeiten sowie spezifische Ablauffolgen für den Generator ein;

- er aktiviert Relais für die Betätigung der Leistungsstufe und für die Anzeige der korrekten Funktion für den Röntgenstrahlen-Generator.

Figur 2 zeigt im Detail die Hauptteile dieser Schaltung, zu denen beispielsweise gehören:

- Eingangspuffer und Röhrencods (Block 8), welche die : Signale von den optischen Kopplern aufnehmen und diese Informationen zu dem Mikrocomputer weitergeben.

- Eine Mikrocomputersteuerung (Block 9) die das gesamte System steuert.

-χι-

• 3.0 -

Der Mikrocomputer enthält einen programmierenden bzw. programmierbaren Speicher von TK χ 8 Und hat 27 mögliche Eingänge/Ausgänge. Diese Schaltung empfängt Informationen von dem Generator und stellt die Beschleunigungszeiten für verschiedene Arten von Röhren, Frequenzen, Modulation, Signale für die Schutzbestätigung, Signale für die Relais-Aktivierung, Signale für den Generator sowie Informationen über Störungen ein.

Die von dem Mikrocomputer gegebene Frequenz hängt von der ausgewählten Drehzahl ab. Bei einer niedrigen Drehzahl haben die Leitungssignale der Transistoren eine sinusförmige Modulation, um eine Sättigung in dem Wandler bzw. Transformator 5 zu verhindern und dadurch das Leistungsvermögen zu erhöhen.

Zur Beschleunigung der Anode in einer sehr kurzen Zeitspanne wird eine hohe Leistung angelegt, und zwar 4 KW für eine hohe Drehzahl und 1,8 KW für eine niedrige Drehzahl. . .

Sobald der Mikrocomputer die entsprechende Beschleunigung durchführen soll, übermittelt er Modulationssignale, welche die Leitungszeiten der Transistoren verringern, wodurch eine unnötige Erwärmung des Motors der Anode vermieden, die zugeführte Leistung reduziert und die Drehzahl des Motors beibehalten werden kann.

Wenn die Röhre abgebremst werden sollte, übermittelt der Mikrocomputer Modulationssignale, um beispielsweise die Anode von 10.400 U/min, auf 3.400 U/min, abzubremsen oder eine vollständige Abbremsung, auf die Leerlaufdrehzahl, durchzuführen. '

Eine Steuerlogik (Block 10) weist eine Folge von logischen Schaltungen TTL auf und setzt die Eingänge des Mikrocompu-

-YS-

ters, um die Leitung der Brücke der Leistungstransistoren zu aktivieren. Dieser Block enthält auch die Schutzschaltungen für die Strombegrenzung und führt das Beschneiden der Leitungswellen und die Bildung der Modulation durch.

Ein Spannungsdetektor (Block 11) überwacht die Eingangsspannung für den Leistungsmodul und stellt den minimalen Speisespannungswert fest; wenn der tatsächliche Wert unter eine vorgegebene Grenze absinkt, kann die Leistungsstufe nicht mehr einwandfrei arbeiten. Diese Schaltung ist mit einer Hysterese versehen, um Schwankungen zu vermeiden.

4. Leistungsmodul

Dieser Leistungsmodul enthält den Leistungs-Wechselrichter aus der Transistor-und Dioden- Brücke, einen Spannungs-Aufwärts-Transformator bzw. -Wandler und falschphasige bzw. phasenverschobene Kondensatoren für den Motor sowie eine Bremsschaltung, die aus einem Gleichrichter und einem Relais besteht.

Drei Relais wählen das Ausgangssignal für drei mögliche Röhren aus.

Der Transistor-Wechselrichter weist vier Motorola-Leistungstransistoren MJ-10016 auf, die entsprechend dem Schema nach Figur 3 angeordnet sind. :

Die Schaltung und die Rechteckwellen-Spannung wird erzeugt, indem gleichzeitig zwei Transistoren der gleichen Diago- '. nalen abwechselnd getriggert werden, wie in Figur 3 dargestellt ist.

Die Triggersignale, welche die Leistungstransistoren erreichen sind in Figur 4 angedeutet.

Die Grundbedingungen für die Funktionsweise der Transistoren des Leistungs-Wechselrichters sind:

1. Triggern, also Einschalten, der Transistoren der gleichen Diagonalen erfolgt gleichzeitig;

2. das Abschalten der beiden Transistoren der • gleichen Diagonalen erfolgt zuerst in den oben angeordneten Transistoren und 100 ps später an dem darunter angeordneten und zwar aufgrund der Pulsdauer des Frequenzgenerators (Hauptfrequenz).

3. In den logischen Schaltungen werden diese Wellen in der 80 us ansteigenden Flanke zurückgeschnitten, um zu verhindern, daß zwei Transistoren gleichzeitig in der gleichen Vertikalen getriggert werden könnten; dies könnte im Prinzip aufgrund einer Verzögerung in der Leistungsschaltung geschehen.

Der Wechselrichter erzeugt eine Rechteckwellen-Wechselspannung und steuert außerdem die Leistungsperiode der Transistoren und moduliert die Pulsdauer mittels der Transistoren Q32 und Q13. Die Transistoren Q41 und Q12 haben keine Modulation und bleiben über einen Winkel von 180° im leitenden Zustand, wie man in Kurven 1 und 2 von Figur 5 entnehmen kann. Die Modulation und die Leitung erfolgt

also in einer Diagonalen. . - "'

Dadurch wird die dem Motor zugeführte Leistung auf folgende Weise gesteuert: ;

Beschleunigung auf 3.400 U/min. :

Beibehaltung der Drehzahl von 3.400 U/min. ! Beibehaltung der Drehzahl von 10.400 U/min..

Abbremsen :

-rs-

Nur bei der Beschleunigung von 180 Hz (10.400 U/min.) ist die Leistung maximal, so daß es keine Modulation gibt.

Die von dem Wechselrichter während der Beschleunigung auf 180 Hz zugeführte Leistung entspricht der Leistung, die durch eine Rechteckwellen-Spannung und eine sinusförmige Stromwelle in Phase mit der Spannung (Kurve 3 von Fig. 5) erhalten wird.

Die Spitzenintensität der Stromwelle beträgt 280 A, was äquivalent zu 20 Arms ist; die Leistung P läßt sich berechnen durch P=V-I.= 320x20 = 6.400 KW.

Aufgrund von Sättigungsproblemen in dem Transformator bzw. Wandler ist für 60 Hz eine von dem Mikrocomputer gegebene sinusförmige Modulation ausgewählt worden, die aus 9 Impulsen mit variabler Dauer besteht, wie man in Kurve 4 von Figur 6 erkennen kann.

Die Erzeugung von sinusförmigen Wellen in Impulsform ist das Ergebnis einer Kreuzung bzw. Verbindung einer Delta-Welle mit einer sinusförmigen Welle in der Kurve 5 nach Figur 6, wobei die Amplitude der sinusförmigen Welle so ausgewählt worden ist, daß sich eine effektive Spannung von 175 Volt an der Primärseite des Transformators ergibt, wie durch Optimierung der experimentellen Ergebnisse nachgewiesen wurde.

Eine ähnliche Wellenform, jedoch mit einer kleineren äquivalenten Amplitude, wird für das Abbremsen von 10.400 U/miri. auf 3.400 U/min, verwendet. In diesem Fall ist die effektive Spannung auf der Primärseite des Transformators äquivalent zu 120 Volt.

In Figur 6 stellen die Kurven 7 bis 10 die Leitungswellen der vier Transistoren der Leistungsbrücke mit oder ohne

Modulation dar.

Die Begrenzerschaltung für die Intensität beschneidet die Leitungswellen, um den Strom in den Leistungstransistoren zu begrenzen und die Halbleiter mit einer großen Sicherheitsreserve zu schützen, wobei diese Maßnahmen insbesondere für die Leistungstransistoren benötigt werden; die Kurve 6 zeigt die Wellenform der Synchronisationsfrequenz.

Diese Schaltung sollte ausreichend schnell sein, um bei einem Kurzschluß zu verhindern, daß der Strom über 35 A ansteigt; dies läßt eine Sicherheitsreserve von 20 A übrig (die maximale Grenze für den MJ-10016 75 A).

Das Schema 11 von Figur 7 zeigt schematisch die Schaltung zur Feststellung eines zu hohen Stroms.

Ein Schmitt-Glied wird mit dem zu hohen Strom getriggert, der in einem Nebenschluß festgestellt worden ist. Die durch die Beschneidung der Leitung verursachten Wirkungen sind aus Figur 6 zu.erkennen, und zwar aus den Wellenformen der Kurven.

.5· Adaptions-Transformator

Der Adaptions-Transformator erhöht die Spannung in einem Wandlerverhältnis von 1,4. Das Ausgangssignal dieses Transformators wird dem folgenden Block zugeführt.

6. Kondensator-und Brems-Auswahleinrichtung (Block 6)

Die Sekundärseite des Transformators 5 benötigt falschphasige Kondensatoren für die Beschleunigung des Motors. Die verschiedenen Betriebsfrequenzen erfordern eine Änderung der Kondenssatoren mittels Auswahlrelais. Die Steuerung für die Relaisauswahl erfolgt durch den Mikrocomputer der das gesamte System steuert.

-ρ-- ' ■ • 2S- '

Die Steuerung für die Relaisauswahl erfolgt durch den Mikrocomputer, der das gesamte System steuert.

Um die Anode durch Anlegen eines Gleichstroms an die Windungen des Stators zu bremsen, wird das Ausgangssignal des Transformators 5 gleichgerichtet und dem Motor zugeführt. Ein Leistungsschutz verbindet die Sekundärseite des Transformators mit einer Gleichrichterbrücke.

7. Ausgangs-Auswahleinrichtung (Block 7)

Das Ausgangssignal der Anoden-Beschleunigungseinrichtung kann durch Auswahl des Röntgenstrahlen-Generators den drei möglichen Röhren zugeführt werden.

In diesem Block ist ein Stromdetektor für jedes Zuführkabel zu dem Motor enthalten, der Transformatoren für kleine Ströme aufweist, die das Signal zu dem Mikrocomputer übermitteln. Diese Stromdetektoren sollen bei einem offenen Kabel, bei einem Kurzschluß oder bei einer Störung in irgend einem Teil des Gerätes, also bei einem Fehler, bei dem dem Motor kein ausreichender Beschleunigungsstrom zugeführt wird, verhindern, daß der Röntgenröhre eine Leistung zugeführt wird, welche die Anode beschädigen oder gar zerstören würde.

Die Figuren 8," 9, 10, 11, 12 und 13 stellen die Ergebnisse dar, die mit einem statischen Steuersystem für die Einstellung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren erhalten wurden.

Figur 8 zeigt den Strom und die Spannung des Ausgangssig- ; nals des Leistungsmoduls bei der Beschleunigung auf 180 Hz (10.400 U/min.)·

Spannung: 200 V/Teilung Strom: 10 A/Teilung

Zeit: 2 ms/Teilung

Figur 9 stellt die Spannung und den Strom des Ausgangssignals des Leistungsmoduls dar, wenn die Drehzahl auf 10.400 U/min, gehalten wird; dabei wird eine modulierte Welle von 180 Hz, eine effektive Spannung von 75 V und eine Spitzenspannung von 320 V verwendet.

Spannung:	200 V/Teilung
Strom :	2 A/Teilung
Zeit:	1 ms/Teilung

Figur 10 stellt die Beschleunigung auf 60 Hz (3.400 U/min.) mit einer sinusförmigen Modulation dar. Der Strom kann als sinusförmige Welle angesehen werden.

Spannung:	200 V/Teilung
Strom:	10 A/Teilung
Zeit:	5 ms/Teilung

Figur 11 stellt die Wellenform dar, wenn die Drehzahl auf 60 Hz (3.400 U/min.) gehalten wird. Die effektive Spannung beträgt näherungsweise 75 V.

Spannung:	200 V/Teilung
Strom:	2 A/Teilung
Zeit:	2 ms/Teilung

Figur 12 zeigt die Wellenformen während des Abbremsens unter Verwendung von Gleichstrom mit Modulation, und zwar von 3.400 oder 10.400 U/min, auf den vollständig abgebremsten Zustand.

Spannung:	440 V
Strom:	2 A/Teilung
Zeit:	1 ms/Teilung

φ ψ m · *

Figur 13 stellt schließlich die Wellenform während des Abbremsens von 10.4 00 auf 3.400 U/min, mit einer sinus förmigen Modulation dar.

Spannung: 300 V/Teilung Strom: 5 A/Teilung Zeit: . 10-ms/Teilung

Leerseite

Claims

Patent an s'p rüche

nj Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren, dadurch gekennzeichnet , daß ein System zur Steuerung der Leistung, der Frequenz und der Speisespannung für einen einphasigen Motor mit zwei WechselSpannungswindungen vorgesehen ist, die den Stator bilden und um die Röntgenröhre angeordnet sind, so daß der Rotor des Motors wiederum die rotierende Anode der Röntgenröhre bildet,

wobei sich die Abmessungen und die Trägheit in Abhängigkeit vom Typ und der Leistung ändern, und daß dieses System im wesentlichen eine Kombination aus einem Leistungssystem im Bereich von 6-10 kW, welches zunächst die Wechselspannung, einphasig oder dreiphasig, 50 oder 60 Hz, in einen durch einen Gleichrichter und einen Kondensator gefilterten Gleichstrom umwandelt, der über einen einphasigen Transistor-Wechselrichter mit oder ohne Pulsmodulation in einen Rechteckwellen-Wechselstrom umwandelt, der über einen Transformator in der Sekundärschaltung die Windungen des Stators des Motors speist, und ein Mikrocomputersteuersystem aufweist, welches das Hauptelement des Steuerbereichs bildet und die folgenden Hauptfunktionen erfüllt:

- Zwischenphase bzw. Schnittstelle mit dem Generator

- Steuerung und Einstellung der Frequenz

- Modulationssteuerung

- ausreichende Beschläunigungssteuerung zum Schutz der Röntgenröhre, und

- Übermittlung des Betriebsstatus zu dem Röntgenstrahlengenerator. '
2. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung für den' Motor durch P.ulsdauermodulations-Techniken, sinusförmig, bei der Beschleunigung auf 50/60 Hz mit einer Modulationsfrequenz gesteuert wird, die durch ein Software-Programm einstellbar ist, und zwar im allgemeinen im Bereich von 1,5: 2 kHz.
3. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden einer Röntgenröhre nach Anspruch. 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Spannungs-

transformatoren eliminiert werden, um in Abhängigkeit von dem Typ der Röntgenröhre andere Beschleunigungen bei anderen Frequenzen, wie beispielsweise 180 Hz, 400Hz

0 oder anderen Zwischen- und/oder.JhöJierehJFrequenzen durchzuführen.
4- Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Sättigung, die von der Verwendung eines Spannungstransformators mit zwei verschiedenen Frequenzpegeln abgeleitet wird, vermieden wird, wie sie beispielsweise dann entsteht, wenn die rotierende Anode auf 180 Hz, 400 Hz oder eine andere Zwischen- und/oder größere Frequenz beschleunigt wird, und daß dann bei Bedarf, die Beschleunigungen bei 50 Hz oder 60 Hz mit Niederleistungs-Techniken erfolgen.
5. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine nicht erforderliche Überdimensionierung in dem Leistungstransistor-Wechselrichter aufgrund der von der Sättigung abgeleiteten Intensitätspunkte verhindert wird.
6. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine Verbesserung der Leistung bei der Beschleunigung auf 50/60 Hz und eine Verringerung von Verlusten im Bereich von 30 % in dem Spannungstransformator, wenn die Sättigung verhindert wird.
7. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisespannung des Motors

durch Modulationstechniken mit konstanter Pulsdauer ("ein/aus") mit dem gleichen Leistungs-Wechselrichter • wie in den vorhergehenden Ansprüchen bei der Aufrechterhaltung der Drehzahl von im allgemeinen 60 Hz bis 400 Hz, 3,400 U/min, bis 20.000 U/min, und sogar bei Zwischen- oder höheren Frequenzen gesteuert wird, um eine Überhitzung des Motors nach einer Beschleunigungsperiode zu vermeiden, und zwar im Gegensatz zu der herkömmlichen Technik, einen Hilfstransformator mit seinen Geräten ent~ sprechend einer reduzierten Spannung oder, alternativ, einen statischen Spannungsanschluß durch Silizium-Gleichrichter zu verwenden, die durch eine Graetζ-Brücke oder Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler gesteuert werden.
8. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbremsen des Wechselstrommotors von Frequenzen, die höher als 400 Hz sind, auf 60 Hz oder auf Zwischenfrequenzen bis zu 60 Hz durch sinusförmige Pulsdauermodulation gesteuert wird, um die Bremszeit durch einfache Änderungen im Software-Programm des Mikrocomputers einzustellen, ohne die elektronische Steuerschaltung zu ändern oder zu modifizieren.
9. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbremsen von Frequenzen höher als 400 Hz auf die Leerlaufdrehzahl des Motors durch die Gleichrichtung einer Rechteckwellen- < Spannung mit Pulsdauermodulation gesteuert wird, wobei die Abbremszeit durch ein Software-Programm in dem Mikro- , computer einstellbar ist, im Gegensatz zu der herkömmli- ^: chen Technik, einen Hilfstransformator mit seinen Geräten entsprechend einer reduzierten Spannung oder, alternativ,

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ein statisches Variationssystem durch gesteuerte Silizium-Gleichrichter oder einen Gleichstrom/Gleichstrom-Wandler zu verwenden.
10. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine dynamische Intensitäts-Begrenzung, die den Betrieb während eines zu hohen St/roms oder während eines Kurzschlusses in dem Motor ermöglicht, wobei eine pulsierende, modulierte Intensität erzeugt wird, die eine mögliche Beschädigung der Leistungs-Halbleiter und der Sicherungen verhindert, wobei keine Abtrennung der Geräte erforderlich ist, wodurch eine automatische Wiederherstellung des Betriebszustandes möglich wird, wenn der zu hohe Strom oder der Kurzschluß verschwindet, wodurch sich ein wesentlicher Vorteil im Vergleich mit den herkömmlichen Systemen ergibt, die beim Auftreten eines zu hohen Stroms oder eines Kurzschlusses die Geräte vollständig abtrennen, wodurch jedoch die Funktion des Röntgenstrahlengenerators ungünstig beeinflußt wird.
11. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Hysterese-Pegel in Abhängigkeit von der Art der in dem Transistor-Wechselrichter verwendeten Leistungstransistoren einstellbar ist, wodurch die Auslöse- und Sperrpegel in den oberen Transistoren des Wechselrichters justiert werden können. ;
12. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Mikrocomputer-Steuerschaltung, die automatisch die Spannungs-Pulsdauer durch Feststellung der Netzwerkspannung variiert, die nach Gleichrichtung

und Filterung in entsprechende Signale für einen digitalen Detektor umgewandelt wird, wobei der Mikacomputer eine Abtastung und einen Vergleich durchführt und eine Entscheidung bezüglich der adäquaten Spannungs-Pulsdauermodulation bei den Beschleunigungstechniken, im allgemeinen bei Frequenzen von 400 Hz bis 60 Hz, fällt, wobei auch Zwischen- und höhere Frequenzbereiche als diese Frequenzen eingeschlossen werden, bei denen die Gesamtbe-r schleunigungszeit eine kritische Größe für die Lebensdauer der Röntgenröhre darstellt.
13. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß auf einen Eingangs-Autotransformator, der bei herkömmlichen Geräten zur Einstellung der Spannungsverschiebungen des Netzwerkes erforderlich ist, verzichtet wird.
14. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Spannungsverschiebungen des Netzwerkes dynamisch mit einer geschlossenen, digitalen Schleife, die durch einen Mikrocomputer gesteuert wird, und durch automatische Einstellung der Spannungs-Pulsdauer eingestellt und kompensiert

werden. _:
15. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach einem der An- · Sprüche 1 bis 14, gekennzeichnet durch ein Schutzsystem · für die Röntgenröhren, das durch indirekte Erfassung des Drehzahlbereiches in einer vorgegebenen Zeitspanne ohne Verwendung von Drehzahlwandlern arbeitet, wobei die Steuerung des Schutzsystems die während der Beschleunigung

entwickelte Leistung durch Feststellung der Spannung und deijan den Motor angelegten Intensität berechnet, die während der Beschleunigungszeit mittels des Mikrocomputers des Steuersystem integriert werden, das diese Integrationsleistung mit zulässigen minimalen Werten vergleicht, und zwar in Abhängigkeit von der Art der Röntgenröhre, die in dem Softwareprogramm erscheint.
16. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von ro-

tierenden Anoden in Röntgenröhren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der normale Beschleunigungsablauf von anderen^ unterschiedlichen Situationen unterschieden wird, die auftreten könnten, wie beispielsweise eine Beschleunigung beim Auftreten eines Kurzschlusses, wobei die dem Motor zugeführte Spannung beschnitten und durch die Schaltung für.die Begrenzung der Intensität moduliert werden würde.
17. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl, von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach einem der Ansprüche 1 bis 16, gekennzeichnet durch einen Transistor-Leistungswechselrichter in einphasiger Brückenschaltung, dessen Verstärkungstransistoren CTreiberstufen) durch eine Steuerlogik gesteuert werden, wobei die Beschneide-, Sättigungs- und Triggerschaltungen eine hohe Betriebszuverlässigkeit durch die Verwendung eines einzigen Leistungstransistors an dem Arm der Brücke (bei einer Gesamtzahl von 4) aufgrund der Beschränkungen bei den Steuertechniken, die bei sehr zuverlässigen Systemen eingesetzt werden können, im Vergleich mit anderen, herkömmlichen Systenen garantieren, die verschiedene parallele Leistungstransistoren verwenden. ■
18. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden.Anoden in Röntgenröhren nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet^ daß sich im Vergleich . mit herkömmlichen Thyristorsystemen¹, mit erzwungener Schaltung,

bei denen Reaktanzen, Transformatoren und zusätzliche Schaltkondensatoren in Bezug auf den beschriebenen Transistor-Leistungswechselrichter erforderlich sind, eine wesentliche Vereinfachung in den Leistungs- und Steuerschaltungen, eine Verringerung an Raum und Volumen im Bereich von 40 % und eine Kostenverringerung im Bereich von 50 % erreicht werden.
19. Statisches System zur Steuerung der Drehzahl von rotierenden Anoden in Röntgenröhren nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Erhöhung der Zuverlässigkeit im Bereich von 30 % in der mittleren Störzeit der Komponenten und im Schutzbereich der Röhre relativ zu der Schaltung zur Begrenzung der dynamischen Intensität und andererseits die indirekte Feststellung der während der Beschleunigungszeit entwickelten Drehzahl erreicht werden.