DE60038275T2 - Röntgenstrahlungen-prüfungsvorrichtung - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Röntgenuntersuchungsgerät mit einem Hochspannungsgenerator für eine Röntgenröhre und einer Anzahl von zusätzlichen Energieversorgungseinheiten für weitere Komponenten des Röntgenuntersuchungsgerätes, wobei auch eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung vorgesehen ist.
  • Die Verwendung einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung in einem Röntgenuntersuchungsgerät ist aus der internationalen Patentanmeldung WO-A 96/17260 bekannt. Hier wird die Leistungsfaktorkorrektur angewendet, um die Phasendifferenz zwischen der Spannung und dem Strom an den Eingangsleitungen zu korrigieren, die durch die Eingangsimpedanz des Geräts verursacht wird. Das bekannte Röntgenuntersuchungsgerät umfasst eine zentrale Energieversorgungseinheit, von der die Versorgungsspannungen für die Röntgenröhre und die weiteren Komponenten abgeleitet werden. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung bildet einen Teil der genannten zentralen Energieversorgungseinheit. In der Praxis wird jedoch oft eine Situation gegeben sein, in der einzelne Energieversorgungseinheiten für die weiteren Komponenten in dem Röntgenuntersuchungsgerät vorgesehen sind; in diesem Fall kann das Verfahren des Anwendens der Leistungfaktorkorrektur, wie es in der zitierten Veröffentlichung beschrieben wurde, nicht eingesetzt werden.
  • Es ist heute üblich, eine Leistungsfaktorkorrektur auf die Energieversorgung für eine Vielzahl von Geräten anzuwenden, insbesondere wenn ein nicht-sinusförmiger, vor allem ein peak- oder impulsförmiger Strom davon abgeleitet wird; diese Korrektur wird im Folgenden als PF-Korrektur (engl. power factor, PF) bezeichnet. Der Leistungsfaktor oder PF ist das Verhältnis der Wirkleistung zur Scheinleistung. Wenn eine Phasendifferenz zwischen einer Wechselspannung und einem Wechselstrom oder einem peak- oder impulsförmigen Strom vorliegt, kann der Leistungsfaktor erheblich von dem Wert „1" abweichen und sogar negativ werden, abhängig von der Phasendifferenz oder dem Muster der Stromveränderung. Im Fall einer sinusförmigen Spannungs- und Stromveränderung wird der Leistungsfaktor durch den Kosinus der Phasendifferenz zwischen beiden dargestellt. Im Fall einer peak- oder impulsförmigen Stromveränderung kann die Stromform in mehrere Komponenten unterschiedlicher Frequenz unterteilt werden, d. h. die Oberschwingungen, die einzeln eine Phasendifferenz in Bezug auf die Wechselspannung aufweisen. Die Komponente mit der Hauptfrequenz liefert die Wirkleistung, während die anderen Komponenten für die auftretenden Verluste verantwortlich sind. Eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung gleicht im Prinzip die Stromveränderung mit der Spannungsveränderung ab, das heißt auf eine derartige Weise, dass der Leistungsfaktor im Wesentlichen den Wert „1" annimmt. Nach der Leistungsfaktorkorrektur kann daher eine höhere Wirkleistung aus dem Netz gezogen werden. Wenn eine derartige Leistungsfaktorkorrekturschaltung in den Hochspannungsgenerator eingebaut wird, wird diesem Generator daher eine höhere Wirkleistung zur Verfügung stehen. Dies ermöglicht allerdings noch keine optimale Nutzung der verfügbaren Energie. Wendete man die Leistungsfaktorkorrektur auch auf alle zusätzlichen Energieversorgungseinheiten an, könnte die dem Hochspannungsgenerator zur Verfügung stehende Energie weiter erhöht werden. Es ist jedoch vergleichsweise aufwändig, alle derartigen Energieversorgungseinheiten mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung auszustatten; außerdem muss der Gesamtentwurf des kompletten Geräts auf derartig modifizierte Energieversorgungseinheiten abgestimmt werden.
  • Die Erfindung hat zur Aufgabe, dieses Problem zumindest erheblich zu mildern und ein Röntgenuntersuchungsgerät zu schaffen, in dem die Leistungsfaktorkorrektur für das gesamte System realisiert wird, ohne die einzelnen zusätzlichen Energieversorgungseinheiten mit einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung auszustatten.
  • Zu diesem Zweck ist das erfindungsgemäße Röntgenuntersuchungsgerät dadurch gekennzeichnet, dass eine Eingangsschaltung geschaffen wird, die mit dem Netz zu verbinden ist und eine Strommessschaltung umfasst, wobei der Hochspannungsgenerator und die zusätzlichen Energieversorgungseinheiten mit der genannten Eingangsschaltung verbunden sind und der Hochspannungsgenerator mit einer Gleichrichtereinheit ausgestattet ist, an die die Leistungsfaktorkorrekturschaltung angeschlossen ist, die über die Eingangsschaltung auf derartige Weise gesteuert wird, dass die Veränderung des über die Gleichrichtereinheit gezogenen Stroms zusammen mit dem durch die zusätzlichen Energieversorgungseinheiten gemeinsam gezogenen Strom im Wesentlichen sinusförmig und in Phase mit der Netzspannung ist.
  • Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
  • 1 ein Diagramm, das darstellt, wie eine maximale Energie aus dem Netz gezogen werden kann;
  • 2 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform des Energieversorgungsteils eines erfindungsgemäßen Röntgenuntersuchungsgeräts; und
  • 3 eine Anzahl von Diagrammen, die die Veränderung der Netzspannung, des Netzstroms, des durch den Hochspannungsgenerator gezogenen Stroms und der durch die weiteren Energieversorgungseinheiten gezogenen Ströme zeigen.
  • Unter der Annahme, dass die Veränderung der Spannung und des Stroms am Eingang eines mit dem Netz verbundenen Geräts sinusförmig verläuft und durch E = E0cosωt und I = i0cos(ω/t + φ) dargestellt ist, gilt, dass das Produkt aus Effektivspannung und Effektivstrom oder die Scheinleistung (ausgedrückt in VA) dargestellt werden kann durch Pa = ½ E0i0 und der Mittelwert über eine Netzperiode des Produkts aus Momentanspannung und Momentanstrom oder die Wirkleistung (ausgedrückt in W) durch Pr = ½ E0i0cosφ. Der Leistungsfaktor entspricht dann cosφ. In der Praxis wird die Veränderung des Stroms üblicherweise jedoch nicht sinusförmig verlaufen, sondern impulsförmig. Die obige Überlegung stellt daher lediglich eine Annäherung dar, mit der veranschaulicht werden soll, wie die aus dem Netz zu ziehende Leistung durch die Leistungsfaktorkorrektur erhöht werden kann, insbesondere auf eine mit der Erfindung übereinstimmende Weise.
  • Falls zum Beispiel ein Röntgenuntersuchungsgerät mit einer Anzahl von zusätzlichen Energieversorgungseinheiten, die im Bereitschaftsmodus gemeinsam eine Scheinleistung Pa1 = 866 VA und eine Wirkleistung pr1 = 625 W aufnehmen, und unter der Annahme, dass der Hochspannungsgenerator den gleichen Leistungsfaktor hat wie die zusätzlichen Energieversorgungseinheiten zusammen im Bereitschaftsbetrieb und auch unter der Annahme, dass die Gesamtleistung, die aus dem Netz gezogen werden kann, dann 1620 W beträgt, scheint ohne Leistungsfaktorkorrektur eine Wirkleistung von nur 554 W (Scheinleistung gemäß Vektor (1)) zur Verfügung zu stehen, während im Fall einer Leistungsfaktorkorrektur für den Hochspannungsgenerator alleine die tatsächlich dieser Einheit zur Verfügung stehende Energie 880 W beträgt (Scheinleistung = Wirkleistung gemäß Vektor (2)). Obiges ist in 1 dargestellt, in der die Blindleistung Pb vertikal und die Wirkleistung Pt horizontal aufgetragen ist. Aufgrund der impulsartigen Veränderung des durch die zusätzlichen Energieversorgungseinheiten im Bereitschaftsbetrieb gezogenen Stroms wird man in der Praxis anstelle eines Wertes von 880 W einen Wert von nicht mehr als 700 W erhalten, ohne dass der Effektivstrom seinen Maximalwert erreicht hat. Wenn in diesem Beispiel auf erfindungsgemäße Weise eine Leistungsfaktorkorrektur auf das gesam te System angewandt wird, kann die dem Hochspannungsgenerator zur Verfügung stehende Wirkleistung auf 995 W erhöht werden (Scheinleistung gemäß Vektor (3)). Eine derartige Situation wird in der im Folgenden beschriebenen Ausführungsform erreicht, indem die Veränderung des durch den Hochspannungsgenerator gezogenen Stroms einer sinusförmigen Veränderung, in Phase mit der Netzspannung, minus der impulsförmigen Veränderung des durch die zusätzlichen Energieversorgungseinheiten gezogenen Stroms entspricht.
  • Die Ausführungsform des Energieversorgungsteils eines erfindungsgemäßen Röntgenuntersuchungsgeräts, die in Form eines Blockschaltbildes in 2 dargestellt ist, umfasst eine Eingangsschaltung 1 mit einer Strommessschaltung; das Gerät kann über die genannte Eingangsschaltung mit dem Netz verbunden werden. Mit der Eingangsschaltung 1 sind ein Hochspannungsgenerator 2 für eine Röntgenröhre 3 und eine Anzahl von Energieversorgungseinheiten 4a, 4b usw. für weitere Teile oder Komponenten des Röntgenuntersuchungsgeräts verbunden. Der Hochspannungsgenerator 2 setzt sich aus einer Gleichrichtereinheit 5, einer Leistungsfaktorkorrekturschaltung 6 und einem Hochspannungs-Energieversorgungsteil 7 zusammen. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform ist die Leistungsfaktorkorrekturschaltung auf eine Weise konstruiert, wie sie zum Beispiel von Danis Carter in „Power factor correction for medical power supplies", erschienen in EDN am 7. Mai 1998, auf den Seiten 81–88 beschrieben wird, jedoch wird die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 6 über die Eingangsschaltung 1 gesteuert. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung 6 wird auf eine derartige Weise gesteuert, dass die Veränderung des durch den Hochspannungsgenerator 2 gezogenen Stroms zusammen mit dem durch die zusätzlichen Energieversorgungseinheiten 4a, 4b usw. gemeinsam gezogenen Strom hauptsächlich sinusförmig und in Phase mit der Netzspannung verläuft.
  • 3 zeigt die Veränderung der Netzspannung EMV über eine halbe Periode, den durch die Energieversorgungseinheiten 4a, 4b usw. gemeinsam gezogenen Strom iSt, den Netzstrom iMC und den durch den Hochspannungsgenerator gezogenen Strom iGen für drei Situationen: die Situation, in der eine vergleichsweise geringe Energie (low power, LP) durch den Hochspannungsgenerator gezogen wird, die Situation, in der eine mehr oder weniger mittlere Energie (mean power, MP) durch diesen Generator gezogen wird, und die Situation, in der eine vergleichsweise hohe Energie (high power, HP) durch den Generator gezogen wird. Die Veränderung der Netzspannung EMV erfolgt im Wesentlichen sinusförmig. Der durch die Energieversorgungseinheiten gezogene Strom iSt ist peak- oder impulsförmig. Der durch den Generator gezogene Strom iGen sollte so gesteuert werden, dass die ser Strom zusammen mit dem Strom iSt den im Wesentlichen sinusförmigen Strom iMC ergibt, wobei iMC in Phsae mit EMV ist. Ausgehend von den Ergebnissen der Strommessung in der Eingangsschaltung wird der MOSFET in der Leistungsfaktorkorrekturschaltung 6 angesteuert, bis der gemessene Strom im Wesentlichen sinusförmig ist. Die Leistungsfaktorkorrekturschaltung ist, obwohl ausschließlich im Hochspannungsgenerator enthalten, immer für das gesamte System aktiv, unabhängig davon, wie viele zusätzliche Energieversorgungseinheiten Strom ziehen.
  • Es ist zu beachten, dass sich der beschriebene Versorgungsteil für ein Röntgenuntersuchungsgerät für ein System im „Boost-Modus" und auch im „Buck-Modus" eignet. Im letztgenannten Fall ist ein Trenntransformator mit dem Eingang des Hochspannungsgenerators 5 verbunden.

Claims (1)

  1. Röntgenuntersuchungsgerät mit einem Hochspannungsgenerator (2) für eine Röntgenröhre (3) und einer Anzahl von zusätzlichen Energieversorgungseinheiten (4a, 4b) für weitere Komponenten des Röntgenuntersuchungsgeräts, wobei auch eine Leistungsfaktorkorrekturschaltung (6) vorgesehen ist und eine Eingangsschaltung (1), die mit dem Netz zu verbinden ist und eine Strommessschaltung umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochspannungsgenerator (2) und die zusätzlichen Energieversorgungseinheiten (4a, 4b) mit der genannten Eingangsschaltung (1) verbunden sind und der Hochspannungsgenerator (2) mit einer Gleichrichtereinheit (5) ausgestattet ist, an die die Leistungsfaktorkorrekturschaltung (6) angeschlossen ist, die dafür ausgelegt ist, über die Eingangsschaltung (1) auf derartige Weise gesteuert zu werden, dass die Veränderung des über die Gleichrichtereinheit (5) gezogenen Stroms zusammen mit dem durch die zusätzlichen Energieversorgungseinheiten (4a, 4b) gemeinsam gezogenen Strom im Wesentlichen sinusförmig und in Phase mit der Netzspannung ist.
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