DE4334592C1 - Hochfrequenz-Generator - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Generator gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruches. Ein solcher Hochfrequenz-
Generator ist beispielsweise in EP 231 756 A1 und in der
Zeitschrift IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 7,
Nr. 3, Juli 1992, Seiten 462-468, beschrieben. Die Last kann
dabei von einer Röntgenröhre gebildet sein. Der Generator ist
auch zur Speisung anderer Hochspannungsverbraucher (z. B. Laser,
Radarröhren, Staubfilter) geeignet.
Der Wechselrichter hat die Aufgabe, eine aus dem Netz gewonnene
Gleichspannung in eine hochfrequente Wechselspannung umzusetzen,
die dann hochtransformiert werden kann. Weiter ist
der Wechselrichter ein Stellglied zur Steuerung der Lastspannung.
Dazu wird die Last über einen Serienschwingkreis an den
Wechselrichter angekoppelt. Die Steuerung geschieht durch die
Variation der Ansteuerfrequenz des Wechselrichters im
Verhältnis zur Resonanzfrequenz des Schwingkreises.
Diese bekannte Technik wird gewählt wegen der folgenden Vorteile:
- - Selbständiges Ausklingen des Schwingstromes.
- - Vorteile wegen des sinusförmigen Stromes bezüglich elektromagnetischer Verträglichkeit und geringerer Bauteilbelastung (Hochspannungsdioden).
- - Geringe Schaltverluste der Leistungsschalter.
Dem stehen folgende Nachteile gegenüber, da der Lastbereich
der Röntgenröhre in der Regel 0,1 mA bis 1 A und 40 kV bis
150 kV beträgt:
- - Sehr großer Variationsbereich der Ansteuerfrequenz, ca. 1 : 10 000 (z. B. 2 Hz bis 20 kHz).
- - Der Hochspannungstransformator muß für einen sehr großen Frequenzbereich ausgelegt sein.
- - Die Welligkeit der Hochspannung nimmt mit abnehmender Ansteuerfrequenz zu.
- - Das Verhältnis Laststrom zu Trafoverluste wird mit abnehmender Frequenz ungünstiger.
- - Der Arbeitsbereich liegt größtenteils im Hörbereich.
Diese Nachteile konnten bisher nur durch die Verwendung einer zusätzlichen Induktivität gemäß den beiden eingangs genannten Schriften oder einer
Vorregelung der Versorgungsspannung des Wechselrichters umgangen
werden. Dies ist mit erheblichem Aufwand verbunden:
Netzdrosseln, aktive Bauelemente (Thyristoren), Zündstufen,
Regelung, erhöhter Aufwand für die Siebung der Wechselrichter-
Versorgungsspannung.
Zur Steuerung der Leistung kann die Ansteuerfrequenz des
Wechselrichters im Verhältnis zur Resonanzfrequenz des Koppelnetzwerkes
variiert werden. Für die Leistungssteuerung
kann ein Spannungs-/Frequenzwandler eingesetzt werden. Dieser
dient zur Umsetzung der Reglerausgangsspannung (Stellgröße)
in eine Ansteuerfrequenz.
Hierbei ergeben sich verschiedene Probleme. Die Schwingkreisfrequenz
verändert sich stark bei großen Laststromänderungen,
wie sie bei der Anwendung in der Röntgentechnik auftreten.
Das hat zur Folge, daß die Pulsbreite des Spannungs-/
Frequenzwandlers jeweils dem Arbeitspunkt angepaßt werden
muß. Weiter sind die Resonanzfrequenzen toleranzbehaftet (L,
C, der Schwingkreisbauelemente). Um eine monotone Steuerkennlinie
des Wechselrichters zu garantieren, müßte deshalb
ein Abgleich durchgeführt werden, der sicherstellt, daß ein
Überschreiten des Maximums bzw. ein Unterschreiten des Minimums
ausgeschlossen ist.
In der EP 448 165 A2 ist ein Hochfrequenz-Generator mit einem
Reihenschwingkreis-Wechselrichter zur Speisung einer Röntgenröhre
beschrieben, bei dem die Stromnulldurchgänge im Reihenschwingkreis
erfaßt werden, damit ein Betrieb auch bei kleinen Rückschwingströmen
nicht unterbrochen wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenz-
Generator der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die
genannten Nachteile vermieden werden, wobei eine automatische
Anpassung an alle Lastfälle erfolgt.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale
des Patentanspruchs.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung
dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt
Fig. 1 das Schaltbild eines Hochfrequenz-Röntgengenerators
zur Erläuterung des Erfindungsgedankens,
Fig. 2 eine Schaltung zur Ansteuerung des Wechselrichters
bei dem Hochfrequenz-Röntgengenerator gemäß Fig. 1
und
Fig. 3 Kurven zur Erläuterung der Fig. 2.
In der Fig. 1 ist ein Drehstrom-Netzgleichrichter 1 dargestellt,
dem ein Zwischenkreis 2, ein Wechselrichter 3, ein
Koppelnetzwerk 4, ein Hochspannungstransformator 5, ein Hochspannungsgleichrichter
6, ein Hochspannungssiebglied 7 und
schließlich eine Röntgenröhre 8 nachgeschaltet sind.
Das Koppelnetzwerk 4 enthält einen LC-Serienschwingkreis 9,
10. Der Kapazität 9 dieses LC-Serienschwingkreises 9, 10 ist
eine Induktivität 11 parallel geschaltet.
Zunächst werden gemäß Fig. 2 der Strom ipar im Parallelzweig
9, 11 und der Strom iser im Reihenschwingkreis 9, 10 durch
Sensoren 12, 13 erfaßt und die Stromnulldurchgänge durch die
daran angeschlossene Schaltung bestimmt. Über die
Zeitverzögerung tdelay zwischen den Nulldurchgängen von ipar
und dem Startzeitpunkt von iser (Schließen der Schalter des
Wechselrichters 3) wird die Schwingstromamplitude von iser
und damit die übertragene Leistung bestimmt. Bei tdelay=0
wird die maximale Leistung erreicht, bei tdelay(0,5 * 1/
fres-par) ist die Leistung =0. Die Steuerspannung
(Reglerausgangssignal) wird deshalb in eine umgekehrt
proportionale Zeitverzögerung umgesetzt, die die
Einschaltzeitpunkte der entsprechenden Schalterdiagonalen
festlegt. Abgeschaltet wird nach Abschluß der Schwingung
(Nulldurchgang von iser). Um sicherzustellen, daß der
Wechselrichter 3 unter allen Betriebsbedingungen (z. B.
Einschwingvorgang, sehr kleine Leistung) voll monoton
steuerbar bleibt, wird spätestens beim Nulldurchgang von ipar
wieder abgeschaltet. Die entsprechende Übertragungskennlinie
zeigt Fig. 3. Zum Start der Anordnung sind zwei Initialisierungspulse
nötig, die erst einmal den Strom ipar in Gang setzen.
In der Fig. 3 ist auf der waagrechten Achse die Ansteuerspannung
des Wechselrichters 3, die der Zeitverzögerung tdelay
umgekehrt proportional ist, und auf der senkrechten Achse des
Wechselrichters 3 für vier verschiedene Lastströme dargestellt.
Die beschriebene Anordnung paßt sich automatisch an alle
Lastfälle und an das Koppelnetzwerk an. Weiter ergibt sich
eine monotone Steuerkennlinie. Die eingangs genannten Nachteile
werden vermieden.
Claims (1)
- Hochfrequenz-Generator mit einer Gleichspannungsquelle (1), einem an die Gleichspannungsquelle (1) angeschlossenen Wechselsrichter (3) und einem diesem nachgeschalteten Transformator (5) für die Speisung einer Last, bei dem zwischen dem Ausgang des Wechselrichters (3) und dem Transformator (5) ein LC-Reihenschwingkreis (9, 10) liegt, wobei parallel zur Kapazität (9) dieses Schwingkreises (9, 10) eine zusätzliche Induktivität (11) geschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren (12, 13) zur Erfassung der Ströme im Parallelzweig (9, 11) und im Reihenschwingkreis (9, 10) vorhanden sind, daß eine Einrichtung (Fig. 2) zur Bestimmung der Nulldurchgänge dieser Ströme vorhanden ist, und daß aus der Zeitverzögerung (tdelay) zwischen diesen Nulldurchgängen eine der Zeitverzögerung (tdelay) umgekehrt proportionale Steuerspannung für die Schaltzeitpunkte der Schalter des Wechselrichters (3) gewonnen wird.
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