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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 ein
Diagramm, das darstellt, wie eine maximale Energie aus dem Netz
gezogen werden kann;
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2 ein
Blockschaltbild einer Ausführungsform
des Energieversorgungsteils eines erfindungsgemäßen Röntgenuntersuchungsgeräts; und
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.