DE3217900C2

DE3217900C2 -

Info

Publication number: DE3217900C2
Application number: DE3217900A
Authority: DE
Inventors: Carlos Manueco Pozuelo De Alarcon Madrid Es Santurtun; Ignacio Alcalde Madrid Es Fernandez
Original assignee: General Espanola De Electromedicina Sa Torrejon De Ardoz Es
Current assignee: General Espanola De Electromedicina Sa Torrejon De Ardoz Es
Priority date: 1981-05-14
Filing date: 1982-05-12
Publication date: 1987-06-19
Also published as: IL65786A; DE3217900A1; NL8202001A; JPS5832400A; FR2506094B1; GB2100533A; ES8207401A1; FR2506094A1; GB2100533B; ES502250A0; IL65786A0

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Regelung der Drehzahl der Drehanode einer Röntgenröhre, die von einem Asynchronmotor angetrieben ist, mittels eines Steuersystems, das einen Wechselrichter aufweist und das die Betriebsfrequenz des Wechselrichters und die Amplitude des dem Motor zugeführten Statorstroms durch Impulsbreitenmodulation beeinflußt. Ein solches Verfahren ist aus der US-PS 39 68 413 bekannt.

In dieser Druckschrift ist ein System zum geregelten Zuführen einer Betriebsspannung zu einem Asynchronmotor zum Antreiben der Drehanode einer Röntgenröhre beschrieben, das von einer Wechselspannungsquelle versorgt wird, wobei der Motor selektiv die Anode innerhalb eines gegebenen niedrigen Drehzahlbereiches und in einem höheren Drehzahlbereich antreiben kann. Eine Treibersteuerschaltung zur Steuerung des Betriebs des Motors im niedrigen Drehzahlbereich und im höheren Drehzahlbereich gibt Spannungen mit vorbestimmten ersten Pegeln an den Motor, um die Anode auf die gewünschte Geschwindigkeit innerhalb des gegebenen Drehzahlbereiches zu beschleunigen, und Spannungen mit vorgegebenen zweiten Pegeln an den Motor, um die Anode auf der ausgewählten Drehzahl zu halten. Das System enthält einen Frequenzverdreifacher, der die Netzfrequenz erhält, und ein Phasenschiebernetzwerk, das die Phase der Netzfrequenz verschiebt, sowie eine Einrichtung, mit der der Umfang der Phasenverschiebung beeinflußt werden kann. Eine SCR-Brücke wandelt Wechselstrom in Gleichstrom um und führt diesen einer Invertereinrichtung zu, wobei die SCR-Brücke mit dem phasenverschobenen Strom angesteuert wird, so daß deren Ausgangsstrom von der Phasenlage des Steuerstroms abhängt. Hierdurch wird die von dem Inverter dem Motor zugeführte Spannung zur Beschleunigung und Aufrechterhalten der Drehzahl beeinflußt. Eine Einrichtung, mit der eine Überlastung des Motors beim Beschleunigen verhindert werden kann, ist nicht beschrieben.

Aus der DE-OS 28 15 893 ist ein Röntgendiagnostikgenerator mit einem den Hochspannungstransformator speisenden Wechselrichter bekannt, der eine Ausgangsfrequenz hat, die gegenüber der Netzfrequenz verdreifacht ist. Ein Asynchronmotor mit Statorhauptwicklung und -hilfswicklung wird über Thyristoren von der Wechselrichterausgangsspannung betrieben. Durch geeignete Auswahl der den Thyristoren zugeführten Halbwellen lassen sich sowohl die Antriebsfrequenz als auch der Phasenwinkel zwischen dem Strom in der Hauptwicklung und in der Hilfswicklung als auch die Spannungszeitflächen an Haupt- und Hilfsphase variieren. Die Thyristorschaltung bildet dabei im Prinzip einen Frequenzuntersetzer, der die Wicklungen des Drehanodenmotors speist.

Aus der zum Stand der Technik gemäß § 3 Abs. 2 Satz 1 Nr. 1 PatG zu rechnenden DE-OS 31 03 630 ist eine Antriebseinrichtung für eine Drehanodenröntgenröhre mit einem Asynchronmotor bekannt, dessen Statorwicklungen über Schaltverstärker mit einem in der Impulsbreite modulierten Wechselstrom mit vorgebbarer Frequenz gespeist werden. Die Impulsbreitenmodulation wird dabei in der Weise ausgeführt, daß die sinusförmigen Signale der Wechselspannung durch den Impulsbreitenmodulator in eine Rechteckspannung mit fester Frequenz und einer von dem Momentanwert des sinusförmigen Signals abhängigen Dauer umgesetzt und durch den Schaltverstärker verstärkt werden. Die für die verschiedenen Betriebsarten der Röntgenröhre vorgesehenen Drehzahlen können mit Hilfe eines Mikroprozessors gesteuert werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, bei dem ohne Überlastung der Statorwicklungen des Asynchronmotors eine schnelle Beschleunigung der Drehanode erreichbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs gelöst.

Die Erfindung ermöglicht einerseits, eine sehr schnelle Beschleunigung der Drehanode zu erreichen, die einen sehr hohen Strom erfordert, andererseits eine Überlastung der Wicklungen zu vermeiden, indem die zulässige Belastung bei der Stromzuführung berücksichtigt wird.

Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Anordnung zur Steuerung der Drehzahl der Drehanode einer Röntgenröhre,

Fig. 2 ein Blockschaltbild der Steuerung mit Hilfe eines Mikrocomputers,

Fig. 3 eine vereinfachte Darstellung eines Leistungsmoduls mit Transistorwechselrichter,

Fig. 4 eine Darstellung der Spannungswellen, welche die Leistungstransistoren erreichen,

Fig. 5 die Leitungsperiode eines Leistungstransistors (Kurve 2) und die Pulsdauermodulation (Kurve 1); die Kurve 3 stellt die Rechteckwellen- Spannung des Transistor-Wechselrichters und eine sinusförmige Spannungswelle des Stroms dar, der mit der Spannung in Phase ist,

Fig. 6 die Modulation, die durch den Mikrocomputer gegeben wird (Kurve 4), wobei die Kurve 5 die sinusförmige Welle zeigt, die sich an dem Schnittpunkt einer Delta-Welle mit einer sinusförmigen Welle ergibt, und wobei die Kurven 6 bis 10 die Leitungszustände der vier Transistoren der Brücke des Leistungsmoduls mit oder ohne Modulation darstellen,

Fig. 7 am Punkt 11 ein Detektorsystem für einen zu hohen Strom, wobei die Kurven 12, 13 und 14 sich auf eine herkömmliche Schaltung beziehen, wobei ein zu hoher Strom durch einen Nebenschluß ermittelt wird, und

Fig. 8 bis 13 verschiedene Wellenformen der Stromwelle und der Spannungswelle des Transistor-Wechselrichters, wie sie als Ergebnisse von Test erhalten wurden.

Eine Anordnung zur Steuerung der Drehzahl von Drehanoden mit dem Verfahren nach der vorliegenen 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. Optokopplergruppe
3. Mikrocomputer-Steuerschaltung
4. Leistungsmodul
5. Anpaß-Transformator
6. Kondensator und Bremsauswahl
7. Ausgangsauswahl

1. Einheit zur Einstellung der Eingangsbedingungen

Diese Schaltungsanordnung weist C-MOS-Schaltungen auf, die die Schnittstelle zwischen Optokopplern und dem Mikrocomputer bilden. Die Art der verwendeten Röhre wird an der Einheit 1 binär kodiert eingegeben, 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. Optokopplergruppe

Eine Gruppe von Optokopplern empfängt die Signale für den Röntgenstrahlen-Generator über die Einrichtung zur Einstellung der Eingangsbedingungen, wobei es sich jeweils z. B. um unterschiedliche Folgen von Drehzahlen, Zeitpunkten oder Informationen über die Art der Röhre, handelt.

Die Optokoppler akzeptieren Wechselstrom- oder Gleichstrom Spannungssignale, die auf den Röntgenstrahlen- Generator gegeben werden; dieser ist elektrisch vollständig von der Beschleunigungseinrichtung für die Drehanode 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 für den 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 für den jeweils erforderlichen Strom in den Wicklungen des Motors;
- 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.

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

- Eingangspuffer und Röntgencodes (Block 8), welche die Signale von den Optokopplern aufnehmen und diese Informationen u dem Mikrocomputer weitergeben.
- Eine Mikrocomputersteuerung (Block 9), die die gesamte Anordnung steuert.

Der Mikrocomputer enthält einen programmierbaren Speicher von 1K×8 und hat 27 mögliche Eingänge/Ausgänge. Diese Schaltung empfängt Informationen für den 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 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 Einschaltzeiten 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 Anode abgebremst werden soll, übermittelt der Mikrocomputer-Modulationssignale, um beispielsweise die Anode von 10 400 U/min auf 3400 U/min abzubremsen oder eine vollständige Abbremsung auf Null durchzuführen.

Eine Steuerlogik (Block 10) weist eine Folge von logischen TTL- Schaltungen auf und setzt die Eingänge des Mikrocomputers, um die Einschaltung der Brücke der Leistungstransistoren zu aktivieren. Dieser Block enthält auch eine Schutzschaltungen für die Strombegrenzung und führt das Beschneiden der Einschaltwellen und die Bildung der Modulation durch.

Ein Spannungsdetektor (Block 11) überwacht die Eingangsspannung für das 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

Dieses Leistungsmodul enthält den Transistor-Wechselrichter aus der Transistor- und Dioden-Brücke, einen Spannungs- Aufwärts-Transformator, Phasenschieber-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 Leistungstransistoren Q 41, Q 12, Q 13, Q 32 auf, die entsprechend dem Schema nach Fig. 3 angeordnet sind.

Das Schalten und die Rechteckwellen-Spannung werden erzeugt, indem gleichzeitig zwei Transistoren der gleichen Diagonalen abwechselnd getriggert werden.

Die Triggersignale, welche die Leistungstransistoren erreichen, sind in Fig. 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 µs später an dem darunter angeordneten, und zwar aufgrund der Pulsdauer des Frequenzgenerators (Hauptfrequenz).
3. In den logischen Schaltungen werden diese Wellen in der 80-µs-Anstiegs-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 Leitungsperiode der Transistoren und moduliert die Pulsdauer mittels der Transistoren Q 32 und Q 13. Die Transistoren Q 41 und Q 12 haben keine Modulation und bleiben über einen Winkel von 180° im leitenden Zustand, wie am in Kurven 1 und 2 von Fig. 5 entnehmen kann. Die Modulation und die Leitung erfolgt also in nur einer Diagonalen.

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

Beschleunigung auf 3400 U/min
Beibehaltung der Drehzahl von 3400 U/min
Beibehaltung der Drehzahl von 10 400 U/min
Abbremsen

Nur bei der Beschleunigung mit 180 Hz entsprechend einer Solldrehzahl von 10 400 U/min ist die Leistung maximal, so daß es keine Modulation gibt.

Die von dem Wechselrichter während der Beschleunigung mit 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 Spitzenamplitude der Stromwelle beträgt 280 A; die Leistung P läßt sich berechnen durch

P=V · I=320×20=6400 kW .

Aufgrund von Sättigungsproblemen in dem Transformator 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 Fig. 6 erkennen kann.

Die Erzeugung von sinusförmigen Wellen in Impulsform ist das Ergebnis einer Kombination einer Delta- Welle mit einer sinusförmigen Welle in der Kurve 5 nach Fig. 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 von10 400 U/min auf 3400 U/min verwendet. In diesem Fall ist die effektive Spannung auf der Primärseite des Transformators äquivalent zu 120 Volt.

In Fig. 6 stellen die Kurve 7 bis 10 die Steuerströme der vier Transistoren der Leistungsbrücke mit oder ohne Modulation dar.

Die Begrenzerschaltung beschneidet die Steuerströme, 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.

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

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

5. Anpaß-Transformator

Der Anpaß-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 Phasenschieber- Kondensatoren für die Beschleunigung des Motors. Die verschiedenen Betriebsfrequenzen erfordern eine Änderung der Kondensatoren mittels Auswahlrelais. 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 Leistungsschütz verbindet die Sekundärseite des Transformators mit einer Gleichrichterbrücke.

7. Ausgangs-Auswahleinrichtung (Block 7)

Das Ausgangssignal der Anoden-Beschleunigungseinrichtung kann durch Auswahl des Röntgenstrahlen-Generators 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 irgendeinem Teil des Gerätes, also bei einem Fehler, bei dem dem Motor kein ausreichender Beschleunigungsstrom zugeführt wird, verhindern, daß der Röntgenröhre eine Leitung zugeführt wird, welche die Anode beschädigen oder gar zerstören würde.

Die Fig. 8 bis 13 stellen die Ergebnisse dar, die mit der beschriebenen Anordnung für die Einstellung der Drehzahl von Drehanoden in Röntgenröhren erhalten wurden.

Fig. 8 zeigt den Strom und die Spannung des Ausgangssignals des Leistungsmoduls bei der Beschleunigung mit 180 Hz auf 10 400 U/min.

Spannung200 V/Teilung Strom10 A/Teilung Zeit2 ms/Teilung

Fig. 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.

Spannung200 V/Teilung Strom2 A/Teilung Zeit1 ms/Teilung

Fig. 10 stellt die Beschleunigung mit 60 Hz auf 3400 U/min einer sinusförmigen Modulation dar. Der Strom kann als sinusförmige Welle angesehen werden.

Spannung200 V/Teilung Strom10 A/Teilung Zeit5 ms/Teilung

Fig. 11 stellt die Wellenform dar, wenn die Drehzahl mit 60 Hz bei 3400 U/min gehalten wird. Die effektive Spannung beträgt näherungsweise 75 C.

Spannung200 V/Teilung Strom2 A/Teilung Zeit2 ms/Teilung

Fig. 12 zeigt die Wellenform während des Abbremsens unter Verwendung von Gleichstrom mit Modulation, und zwar von 3400 oder 10 400 U/min auf den vollständig abgebremsten Zustand.

Spannung440 V/Teilung Strom2 A/Teilung Zeit1 ms/Teilung

Fig. 13 stellt schließlich die Wellenform während des Abbremsens von10 400 auf 3400 U/min mit einer sinusförmigen Modulation dar.

Spannung300 V/Teilung Strom5 A/Teilung Zeit10 ms/Teilung

Claims

Verfahren zur Regelung der Drehzahl der Drehanode einer Röntgenröhre, die von einem Asynchronmotor angetrieben ist, mittels eines Steuersystems, das einen Wechselrichter aufweist und das die Betriebsfrequenz des Wechselrichters und die Amplitude des dem Motor zugeführten Statorstromes durch Impulsbreitenmodulation beeinflußt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselrichter aus Leistungstransistoren besteht, die von einem Mikrocomputer gesteuert werden, der die Frequenz und die Leitfähigkeitsperiode der Leistungstransistoren in Abhängigkeit von dem Drehzahlbereich in einer vorgegebenen Zeitspanne und der dem Motor zugeführten elektrischen Leistung bestimmt, wobei die Impulsbreite derart moduliert wird, daß eine vorgegebene zulässige elektrische Leistung nicht überschritten wird.