DE3918164A1 - Generator zum betreiben einer drehanoden-roentgenroehre - Google Patents
Generator zum betreiben einer drehanoden-roentgenroehreInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Generator zum Betreiben einer
Drehanoden-Röntgenröhre, deren Drehanode mit einem Rotor
verbunden ist, der mit einem Stator zusammenwirkt, dessen
Wicklungen mit einem die Hochspannung für die Drehanode
und den Rotor liefernden Hochspannungserzeuger gekoppelt
sind. Ein Generator der eingangs genannten Art ist aus der
DE-PS 26 01 529 als Stand der Technik bekannt. Wenn sich
die Statorwicklungen bzw. der Stator auf demselben Hoch
spannungspotential befinden wie der Rotor, kann der
"Luft"-Spalt zwischen Rotor und Stator wesentlich kleiner
sein als bei konventionellen Röntgenröhren, bei denen der
Rotor Hochspannungspotential führt und der Stator an Masse
liegt; bei einem kleinen Spalt ergibt sich ein wesentlich
besserer Antriebswirkungsgrad. Nachteilig daran ist, daß
zur Erzeugung der Ströme für die Statorwicklungen ein
mehrphasiger Trenntransformator erforderlich ist, der für
die anodenseitige Hochspannung (z. B. 75 kV) und eine
niedrige, der gewünschten Drehzahl angepaßte Frequenz
(z. B. 50 oder 150 Hz) ausgelegt sein muß. Ein derartiger
Trenntransformator ist relativ voluminös und aufwendig.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Generator
der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der
Aufwand für den Trenntransformator verringert werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein
mit seiner Primärwicklung an eine Wechselspannungsquelle
anschließbarer Trenntransformator vorgesehen ist, daß die
Sekundärwicklung des Trenntransformators mit einem Gleich
richter zur Speisung eines Wechselrichters gekoppelt ist,
der aus der gleichgerichteten Spannung die Wechselströme
für die Statorwicklungen erzeugt, und daß der Wechselrich
ter mit dem Hochspannungserzeuger galvanisch verbunden
ist.
Während also bei der bekannten Anordnung die Statorströme
mit hohem Blindanteil über einen mehrphasigen Trenntrans
formator übertragen werden müssen, wird bei der Erfindung
über den (einphasigen) Trenntransformator lediglich die
Wirkleistung für die Speisung eines Wechselrichters über
tragen, der die Statorströme liefert. Ein Wechselrichter
ist ohnehin erforderlich, wenn die Frequenz der Stator
ströme von der Netzfrequenz abweicht. Dieser Wechselrich
ter wird bei der Erfindung auf dem anodenseitigen Hoch
spannungspotential betrieben.
Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß
die Frequenz der Wechselspannung, die der Primärwicklung
von der Wechselspannungsquelle zugeführt wird, wesentlich
höher ist als die Frequenz der von dem Wechselrichter
gelieferten Ströme. Wenn demgemäß die Frequenz der
Wechselspannungsquelle beispielsweise zwischen einigen kHz
und einigen hundert kHz liegt, kann das Bauvolumen des
Trenntransformators wesentlich reduziert werden. Dieser
Trenntransformator kann dann einem kostengünstigen
Ferritkern enthalten sowie eine vergossene Sekundärspule
und ist nur geringfügig größer als ein in der Bauform
ähnlicher Zeilentransformator für Fernsehempfänger.
In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß die
Wechselspannungsquelle eine Schalteinrichtung zur
Erzeugung von Wechselspannungsimpulsen aus der von einer
Gleichspannungsquelle gelieferten Gleichspannung umfaßt.
Solche Wechselspannungsquellen lassen sich besonders
preisgünstig herstellen.
In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorge
sehen, daß ein Regelkreis zur Stabilisierung des der
Gleichspannungsquelle entnommenen Stromes vorgesehen ist.
Dadurch wird der von der Gleichspannungsquelle gelieferte
Gleichstrom stabilisiert, was zur Folge hat, daß auch die
vom Wechselrichter gelieferten Statorströme stabiliert
werden. Sie sind damit unabhängig von Netzspannungsschwan
kungen und von Widerstandsänderungen der Statorwicklungen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Statorströme und die Hochspannung für die
Drehanoden-Röntgenröhre gemeinsam über ein mehradriges
Hochspannungskabel übertragen werden. Während die Röntgen
strahler mit Drehanoden-Röntgenröhre, bei denen in der
üblichen Weise der Rotor Hochspannungspotential und der
Stator - im zeitlichen Mittel - Massepotential führt,
außer den beiden Hochspannungskabeln zum Zuführen der
Hochspannungen für Anode bzw. Kathode noch ein Statorkabel
erforderliche ist, über das die Statorströme zugeführt
werden, kann dieses Kabel bei dieser Ausgestaltung der
Erfindung entfallen. Die Statorströme werden dabei über
ein mehradriges Hochspannungskabel zugeführt. Bei drei
Statorwicklungen muß dieses Kabel drei Adern haben.
Hochspannungskabel für Röntgenröhren besitzen aber von
vornherein drei Adern, um zwei Heizfäden auf der Kathoden
seite speisen zu können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung
erläutert, die ein schematisches Prinzipschaltbild eines
erfindungsgemäßen Generators zeigt.
Die Zeichnung zeigt eine Drehanoden-Röntgenröhre 1, deren
nur schematisch angedeutete Drehanode 11 mit einem (in
Wirklichkeit innerhalb des Röhrenkolbens angeordneten)
Rotor 12 verbunden ist. Der Rotor 12 wird von über
drei im Dreieck geschaltete und räumlich um 120° gegenein
ander versetzten Wicklungen 13, 14 und 15 eines Stators
(die außerhalb des Röhrenkolbens angeordnet sind) ange
trieben, wobei der zwischen Rotor und Stator verbleibende
Spalt klein ist, so daß sich ein guter Antriebswirkungs
grad ergibt.
Die elektrische Energie für den Antrieb der Drehanode wird
an den Netzanschlußklemmen 2 einem Brückengleichrichter 21
zugeführt, dessen Ausgangsspannung von einem Kondensator
22 geglättet wird; zur Speisung kann aber auch ein
3Phasen-Netz mit 6Ventil-Gleichrichter verwendet werden.
Die Kondensatorspannung wird über einen Widerstand 23
einer Schaltung 3 zugeführt, die die Gleichspannung in
Wechselspannungsimpulse mit genügend hoher Frequenz,
beispielsweise 20 kHz umsetzt und damit die an ihrem
Ausgang angeschlossene Primärwicklung 41 eines Trenntrans
formators 4 speist. Die Schaltung 3 besitzt zwei parallele
Zweige mit je zwei in Serie geschalteten Schalterkombina
tionen 31, 32 bzw. 33, 34. Jede Schalterkombination umfaßt
die Parallelschaltung einer in der Sperrichtung betriebe
nen Diode und eines steuerbaren Halbleiterschalters. Die
Primärwicklung 41 ist zwischen die Verbindungspunkte der
in Serie geschalteten Schalterkombinationen 31, 32 bzw.
33, 34 geschaltet.
Die Schalterkombinationen werden durch einen Taktpulsgene
rator 35 mit einer Taktfrequenz gesteuert, die der Über
tragungsfrequenz des Trenntransformators entspricht, im
Beispiel also mit 20 kHz. Die Ansteuerung der Schalterkom
bination bzw. der darin enthaltenen steuerbaren Schalter
durch den Taktpulsgenerator 35 erfolgt im Gegentakt, so
daß in der einen Phase ein Wechselstrom über die Schalter
kombination 31, die Wicklung 41 und die Schalterkombina
tion 34 fließt und in der anderen Phase über die Schalter
kombination 32 die Primärwicklung 41 (in der entgegenge
setzten Richtung wie in der vorigen Schaltphase) und die
Schalterkombination 33.
Der Trenntransformator 4 trennt das Niederspannungspoten
tial an seiner Primärwicklung von dem anodenseitigen Hoch
spannungspotential an seiner Sekundärwicklung. Wegen der
relativ hohen Frequenz, mit der der Trenntransformator
betrieben wird (20 kHz) kann er einen preiswerten Ferrit
kern mit geringem Querschnitt umfassen, dessen Sekundär
wicklung zu Isolationszwecken vergossen ist.
Die Wechselspannung an der Sekundärwicklung 42 wird durch
einen Brückengleichrichter 51 in Verbindung mit einem Kon
densator 52 gleichgerichtet, der in Serie mit der Primär
wicklung 61 eines Transformators 6 an den Ausgang des
Brückengleichrichters 41 angeschlossen ist. Die Schaltein
richtung 3, der Trenntransformator 4, der Gleichrichter
51, der Kondensator 52 und die als Speicherdrossel wirk
same Primärwicklung 61 des Transformators 6 bilden ein
Schaltnetzteil vom Brücken-Gegentaktwandler-Typ. Dieses
Schaltnetzteil gestattet es, die Gleichspannung am Konden
sator 22 mit gutem Wirkungsgrad in eine Gleichspannung am
Kondensator 52 umzusetzen, wobei die Anschlüsse des
Kondensators 22 näherungsweise Massepotential führen,
während die des Kondensators 52 annähernd Hochspannungspo
tential führen - wie noch näher ausgeführt wird.
Die Spannung am Kondensator 52 wird einem Wechselrichter 7
zugeführt, der die Ströme für die drei Statorwicklungen
13, 14 und 15 liefert. Der Wechselrichter 7 ist ein
Dreiphasen-Wechselrichter mit drei dem Kondensator 52
parallelgeschalteten Zweigen, die aus der Serienschaltung
von jeweils zwei Schalterkombinationen 71, 74; 73, 76, 75, 72
bestehen. Die drei Verbindungspunkte zwischen den
Schalterkombinationen in den drei Zweigen sind mit den
drei Anschlüssen der im Dreieck geschalteten Statorwick
lungen 13..15 über je eine Leitung verbunden.
Die Schalterkombinationen 71..76 können den gleichen
Aufbau haben wie die Schalterkombination 31..34, wobei die
gesteuerten Schalter durch je einen bipolaren Transistor,
einen MOSFET oder einen GTO-Thyristor bzw. Kombinationen
davon gebildet werden können. Normale Thyristoren, die
erst nach einem Stromnulldurchgang sperren, sind als
Schalter hingegen ungeeignet.
Die Schalterkombinationen 71..76 werden von einem Takt
pulsgenerator 8 so gesteuert, daß die im oberen bzw.
unteren Teil der Zweige befindlichen Schaltkombinationen
74, 76, 72 bzw. 71, 73, 75 nacheinander leitend werden,
wobei gleichzeitig in dem jeweils anderen Teil die
Schalterkombinationen nacheinander leitend werden, die
sich nicht im gleichen Zweig befindet. Beispielsweise ist
während der ersten Hälfte der Zeit, während der der
Schalter 71 im linken Zweig unten leitend ist, der
Schalter 72 im rechten Zweig oben leitend und während der
zweiten Hälfte der Schalter 76 im mittleren Zweig des
oberen Teils. Der Taktimpulsgenerator 8 liefert zu diesem
Zweck an seinen Ausgängen 81..86, die mit den Schalter
kombinationen 71..76 verbunden sind, sechs Taktpulse mit
einer Frequenz vom 150 Hz, wobei die Potentiale auf den
Steuerleitungen 82, 84 und 86 für die drei oberen Schalter
72, 74 und 76 gegenüber den Potentialen auf den Steuerlei
tungen 81, 83 und 85 für die unteren Schalter 71, 73 und
75 um einen geeigneten Betrag versetzt sind. Wie schema
tisch angedeutet, sind die Taktpulse an den aufeinander
folgendem Ausgängen 81..86 jeweils um 60° gegeneinander
versetzt, wobei sie während eines Drittels jeder Periode
die damit verbundenen Schalter leitend machen. An den drei
Eingängen der Statorwicklungen ergeben sich daher
stufenförmige Spannungen vom 150 Hz, mit dem gegeneinander
versetzten, oberhalb dieser Wicklungen angedeuteten
Verlauf.
Die sechs gegeneinander phasenversetzten Taktpulse können
in dem Taktpulsgenerator 8 beispielsweise aus einem
Oszillator mit der sechsfachen Taktfrequenz (an 900 Hz) in
Verbindung mit einem Binärzähler abgeleitet werden, dessen
Ausgänge über Logikgatter so verknüpft sind, daß sich die
phasenversetzten Taktpulse ergeben; der Oszillator, der
Binärzähler und die Logikgatter sind in der Zeichnung
nicht näher dargestellt. Die Versorgungsspannung für den
Taktpulsgenerator 8 wird durch Gleichrichtung der Aus
gangsspannung der Sekundärwicklung 62 des Transformators 6
erzeugt. Die Primärwicklung 61 dieses Transformators be
findet sich zwar am Ausgang des Gleichrichters 51, wird
also von einem Gleichstrom durchflossen, jedoch entsteht
eine übertragbare Wechselspannung dadurch, daß der
Brückengleichrichter (51) nur periodisch Spannung liefert
und in den Pausen als Freilaufdiode wirkt, entsprechend
dem Schaltreglerprinzip. Durch die Wicklung 61 fließt also
Gleichstrom zur Nachladung des Kondensators 52 mit
dreieckförmig überlagerter Wechselstromkomponente. Die
Primärwicklung 61 des Transformators 6 hat also eine
Doppelfunktion, indem sie einerseits als Speicherdrossel
in dem Schaltnetzteil 3, 4 usw. dient und andererseits die
Primärwicklung eines die Wechselstromkomponenten übertra
genden Transformators 6 zur Erzeugung einer Versorgungs
spannung für den Taktgenerator 8 bildet.
Eine der drei Leitungen, die die Verbindungspunkte in den
drei Zweigen mit den drei Stator-Anschlüssen verbindet,
ist an den Ausgang eines Hochspannungserzeugers 91 ange
schlossen. Dieser Hochspannungserzeuger liefert die
(gegenüber Masse positive) Hochspannung für die Drehanode,
die dieser über die erwähnte Leitung zugeführt wird.
Infolgedessen liegt auch der Wechselrichter 7 mit Anschluß
des Taktpulsgenerators 8 und der Sekundärwicklung 42 auf
Hochspannung.
Die negative Hochspannung wird von einem Hochspannungser
zeuger 92 erzeugt. Der Ausgang des Hochspannungserzeugers
92 ist mit einer der drei Ausgangsleitungen der Heizstrom
wandlergruppe 93 verbunden, die die Ströme für die beiden
Heizfäden der Röntgenröhre liefert. Über je ein in der
Zeichnung schematisch angedeutetes Hochspannungskabel
94 b bzw. 95 werden die Hochspannung für die Anode bzw. die
Kathode sowie die Statorströme bzw. die Heizfadenströme
zum Röntgenstrahler übertragen. Während bei konventionel
len Röntgenstrahlern mit auf Masse betriebenem Stator zum
Antrieb der Drehanode immer noch ein Statorkabel erforder
lich ist, über das die Statorströme fließen, kann bei der
Erfindung ein solches Kabel entfallen, weil die Stator
ströme und die Hochspannung über das gleiche Hochspan
nungskabel 94 übertragen werden können.
Es läßt sich zeigen, daß der Gleichstrom der vom Konden
sator 22 über den Widerstand 23 zu der Schalteinrichtung 3
fließt, ein genaues Maß für die Amplitude der in dem
Statorwicklungen 13, 14 und 15 fließenden Wechselströme
ist, die ihrerseits das auf dem Rotor 12 wirkende An
triebsmoment bestimmen. Durch Stabilisieren des Gleich
stroms, der der Schalteinrichtung 3 zufließt, kann daher
der Drehanodenantrieb vom Netzspannungsschwankungen und
gegenüber Schwankungen der Leitungswiderstände im Hoch
spannungskabel oder in den Statorwicklungen stabilisiert
werden, die beispielsweise als Folge einer Temperatur
änderung auftreten können. Durch das Stabilisieren des
Antriebsmomentes bzw. der Statorströme wird gleichzeitig
die Verlustleistung auf einem Minimalwert gehalten.
Der zur Stabilisierung des Gleichstroms erforderliche
Regelkreis enthält einen Pulsdauermodulator 36, der die zu
dem Gleichstrom proportionale Spannung am Widerstand 23
mit einem vorgebbaren Wert vergleicht und in Abhängigkeit
davon die Dauer der Schaltimpulse für die Schalterkombina
tionen 31..34 so variiert, daß die Gleichspannung am
Widerstand 23 dem vorgegebenen Wert entspricht.
Claims (8)
1. Generator zum Betreiben einer Drehanoden-Röntgenröhre
(1), deren Drehanode (11) mit einem Rotor (12) verbunden
ist, der mit einem Stator zusammenwirkt, dessen Wicklungen
(13′, 14′, 15) mit einem die Hochspannung für die Drehanode
und den Rotor liefernden Hochspannungserzeuger (91) gekop
pelt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß ein mit seiner Primärwicklung
an eine Wechselspannungsquelle (2, 3) anschließbarer Trenn
transformator (4) vorgesehen ist, daß die Sekundärwicklung
des Trenntransformators mit einem Gleichrichter (51) zur
Speisung eines Wechselrichters (7) gekoppelt ist, der aus
der gleichgerichteten Spannung die Wechselströme für die
Statorwicklungen erzeugt, und daß der Wechselrichter (7)
mit dem Hochspannungserzeuger (91) galvanisch verbunden
ist.
2. Generator nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der Wechselspan
nung, die der Primärwicklung von der Wechselspannungs
quelle 2, 3) zugeführt wird, wesentlich höher ist als die
Frequenz der von dem Wechselrichter gelieferten Ströme.
3. Generator nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle
eine Schalteinrichtung (3) zur Erzeugung von Wechselspan
nungsimpulsen aus der von einer Gleichspannungsquelle (2)
gelieferten Gleichspannung umfaßt.
4. Generator nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, daß im Ausgangskreis des Gleich
richters (51) eine Speicherdrossel (61) angeordnet ist,
die zusammen mit der Schalteinrichtung, dem Trenntransfor
mator (4) und dem Gleichrichter (51, 52) ein Schaltnetzteil
bildet.
5. Generator nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zur Stabilisie
rung des der Gleichspannungsquelle entnommenen Stromes
vorgesehen ist.
6. Generator nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkreis einen zwischen
die Gleichspannungsquelle (2) und die Schalteinrichtung
(3) geschalteten Widerstand (23) umfaßt sowie einen
Impulsdauermodulator (36), der die Dauer der von der
Schalteinrichtung gelieferten Impulse in Abhängigkeit von
der Gleichspannung an dem Widerstand (23) variiert.
7. Generator nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, daß die Speicherdrossel durch die
Primärwicklung (61) eines Transformators (6) gebildet
wird, dessen Sekundärwicklung mit einem Gleichrichter
gekoppelt ist, dessen Ausgangsspannung als Versorgungs
spannung eines Taktpulsgenerators (8) zur Erzeugung der
Taktpulse für den Wechselrichter (7) dient.
8. Generator nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Statorströme und die
Hochspannung für die Drehanoden-Röntgenröhre gemeinsam
über ein mehradriges Hochspannungskabel (94) übertragen
werden.
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8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |