EP0669791A1 - Circuit arrangement for accelerating and braking of a rotary anode of a rotating anode x-ray tube - Google Patents

Circuit arrangement for accelerating and braking of a rotary anode of a rotating anode x-ray tube Download PDF

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EP0669791A1
EP0669791A1 EP95200374A EP95200374A EP0669791A1 EP 0669791 A1 EP0669791 A1 EP 0669791A1 EP 95200374 A EP95200374 A EP 95200374A EP 95200374 A EP95200374 A EP 95200374A EP 0669791 A1 EP0669791 A1 EP 0669791A1
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voltage
braking
circuit arrangement
stator winding
mode
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Gerd Vogler
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Philips Patentverwaltung GmbH
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    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05G—X-RAY TECHNIQUE
    • H05G1/00—X-ray apparatus involving X-ray tubes; Circuits therefor
    • H05G1/08—Electrical details
    • H05G1/66—Circuit arrangements for X-ray tubes with target movable relatively to the anode

Definitions

  • the invention relates to a circuit arrangement for accelerating and braking the rotating anode of a rotating anode X-ray tube, in which the stator windings of the drive motor for the rotating anode can be supplied with phase-shifted alternating voltages in an acceleration mode and in which, in a braking mode, at least one of the windings acts on a DC voltage, with a control device for the acceleration mode and the braking mode.
  • Such a circuit arrangement is known from US Pat. No. 3,963,930.
  • the stator windings are optionally connected via a series of switches to an AC voltage source for a low speed, an AC voltage source for a high speed and a DC voltage source.
  • the switches are controlled by a control device so that one of the two AC voltage sources is connected to the stator windings in the acceleration mode and the DC voltage source in the braking mode.
  • the large number of switches required for this as well as the fact that separate voltage sources are required for the high speed and the braking process make this circuit arrangement complex.
  • the object of the present invention is to provide a simple circuit arrangement of the type mentioned at the outset.
  • This object is achieved in that at least one of the stator windings is connected to a voltage source which supplies a periodic AC voltage in a first operating state and a pulsating DC voltage in a second operating state in that a diode arrangement of such polarity which can be switched on and off is connected in parallel to this stator winding that it is operated in the reverse direction by the pulsating DC voltage source and that the control device in acceleration mode keeps the AC voltage source in the first operating state and switches off the diode arrangement and that in braking mode it keeps the AC voltage source in the second state and switches on the diode arrangement.
  • the voltage source that feeds the stator winding is therefore effective both in acceleration mode and in braking mode.
  • the diode arrangement which is only effective in braking mode, in the simplest case a diode, causes the power loss in braking mode to remain small and therefore prevents the components from being destroyed.
  • the AC voltage source has two switching elements, each with a switch, that the switches are connected to a DC voltage and are periodically switched in the first operating state, and that in the second operating state, one switching element is blocked and the other periodically on and off is switched off.
  • the switching elements connect the DC voltage alternately with the opposite polarity to the one stator winding, and by blocking the one switching element, the pulsating DC voltage required for the braking mode can be easily generated.
  • At least one of the switching elements has a double function, i.e. it works in acceleration and braking modes, which further reduces the amount of shifting.
  • the two switching elements in conjunction with the DC voltage source supplying the DC voltage act as an inverter, and it is clear that - in the case of a drive motor with two stator windings - another inverter could be constructed for the other stator winding with the aid of two further switching elements but the same DC voltage source Output voltage would be offset by 90 ° compared to that of the first inverter.
  • the advantage over drives in which the phase of the alternating voltage for the one stator winding is rotated by means of an auxiliary capacitor would be that two voltages with the same power, which are staggered at an angle of 90, could be generated.
  • means for generating a control signal offset by 90 with respect to the voltage on the second stator winding are provided and that means are provided for deriving the switching signals for the switching elements from the control signal. This makes it particularly easy to establish the 90 * phase relationship between the voltages on the stator windings.
  • a square-wave voltage source (33, 34) which generates a square-wave signal with an adjustable pulse duty factor for controlling the one switching element (21) in braking mode.
  • the strength of the braking process can be influenced by this configuration.
  • FIG. 1 denotes the rotor of a drive motor carrying the rotating anode for the rotating anode of a rotating anode X-ray tube, and 2 and 3 the associated stator windings, which are offset by 90 ° from one another.
  • the rotor is a squirrel-cage rotor and the drive motor is an asynchronous motor.
  • the stator windings 1, 2 and the rotor There is a relatively large distance between the stator windings 1, 2 and the rotor, because during operation of the X-ray tube the cathode carries high voltage potential and the stator winding has ground potential. This results in a slight magnetic coupling between rotor 1 and stator 2, 3. Otherwise, the rotating anode X-ray tube is not shown in detail.
  • the electrical power for acceleration and deceleration is taken from the three connections L1, L2, L3 of a three-phase network, at which there are three AC voltages offset by 120 with respect to their common zero point N at the mains frequency.
  • a positive DC voltage is generated from the three AC voltages by a rectifier diode 18 on a capacitor 10;
  • a negative DC voltage is generated from the three AC voltages on oppositely polarized rectifier diodes 18 on a capacitor 20.
  • the two capacitors 10 and 20 are connected in series and connected at their common connection point to the zero point N of the three-phase network, which is also connected to the two stator windings 2 and 3 common connection point 5.
  • the connections of the capacitors 10 and 20 facing away from the common connection point are connected to one another via controllable switches in the form of IGBT transistors 11, 21.
  • the common connection point of the two transistors is connected to the second terminal 4 of the stator winding 2.
  • the IGBT transistors 11 and 21 each have a diode 12, 22 connected in anti-parallel. These diodes are therefore normally non-conductive, unless the voltage at connection 4 is more positive than the voltage at capacitor 10 or more negative than the voltage at capacitor 20.
  • the elements 10 ... 12 or 20 ... 22 represent an inverter in a half-bridge circuit. Instead, an inverter in a full-bridge circuit could also be used, in which the stator winding 2 is connected to a DC voltage source via two switching elements, each with two switches , as known from US-PS 3,832,553. However, the effort would be higher - even if one of the rectifier groups 18 or 28 and the associated capacitor 10 or 20 could be omitted. - When the rotating anode is accelerated, switches 11 and 21 are switched on and off in push-pull mode, so that a square-wave alternating voltage (without DC component) results at stator winding 2.
  • the series connection of a diode 30 and an IGBT transistor switch 31 is also connected in parallel to the stator winding 2. This transistor switch is only conductive (closed) in the braking phase.
  • the connection 6 of the second winding 3 is connected to the AC voltage connection L1 via a (triac) switch 7.
  • the switches 7, 11, 21 and 31 are switched via optocouplers, one part of which - the receiving part 8a, 13a, 23a, 32a - is shown in FIG. 1 and the other part - the transmitting part 8b, 13b, 23b and 32b - in Fig. 2 is shown in connection with the control device.
  • the control device supplies the switching signals required to control the four switches mentioned.
  • a synchronous, in-phase signal is generated which is fed to a 90 ° phase shifter 16, preferably an integrator, whose output signal is offset by 90 from its input signal.
  • the output signal of the phase shifter 16 is fed to the first input of an AND gate 24 and via an inverter 17 to the first input of an AND gate 14.
  • the second inputs of these AND gates are connected to a control input ACL, which is also connected to the optocoupler 8b / 8a for controlling the switch 7.
  • the output of the AND gate 14 is connected to the optocoupler 13b / a for controlling the IGBT transistor 11, while the AND gate 24 is connected to the one input of an OR gate 36, the output of which is connected to the optocoupler 23b / a which provides the switching signals for the IGBT switching transistor 21.
  • the control device also contains a generator 33 which generates a triangular AC voltage of, for example, 320 Hz.
  • This AC voltage is compared in a comparator 34 with an adjustable DC voltage V R , so that a 320 Hz square-wave signal results at the output of the comparator, the pulse duty factor of which depends on the polarity of the DC voltage V R and its magnitude in relation to the triangular signal of the generator 33.
  • the output signal of the comparator 34 is fed to one input of an AND gate 35, the output of which is connected to the second input of the OR gate 36.
  • the second input of the AND gate 35 is connected to a control input BRT, which at the same time controls the IGBT switch 31 via the optocoupler 32b / 32a.
  • the square-wave voltage on the stator winding 2 has the same amplitude as the sinusoidal AC voltage on the stator winding 3. Because the sinusoidal fundamental oscillation contained in a square-wave voltage has an amplitude that is approximately 27% higher than the square-wave voltage, the current through winding 2 is correspondingly greater than the current through stator winding 3 in the case of identically constructed stator windings. This asymmetry is not intrinsically disturbing; if necessary, it can be eliminated in that the stator winding 2 has a correspondingly higher number of windings.
  • the signal ACL After the acceleration period has expired, the signal ACL also becomes "0". The rotating anode has then reached its target speed and, due to its moment of inertia, continues to run even during the following X-ray exposure. All switches are locked.
  • the rotating anode After the end of the x-ray, the rotating anode is braked to protect its bearings. Braking a rotating anode would in principle be possible with the help of a so-called rotating field brake, which, however, would also require the measurement or simulation of the respective speed in addition to a multi-phase inverter, since the rotating anode could not be stopped without their knowledge.
  • a regenerative braking in which the energy stored in the rotor is fed back into a braking resistor via a rectifier, would have no effect due to the low magnetic coupling between the rotor and stator.
  • braking the rotor by means of a DC voltage derived from the network remains.
  • the invention therefore goes a different way.
  • the signal at the control input BRT is set to "1 and at ACL to" 0.
  • the switch 31 is turned on via the optocoupler 32a, 32b, so that the diode 30 acts in parallel with the stator winding 2.
  • the switch 7 is blocked because it is not activated via the optocoupler 8a / b.
  • the switch 11 is also blocked because the AND gate 14 does not pass any switching pulses to the optocoupler 13a / b.
  • rectangular pulses with an adjustable pulse duty factor now pass through the AND gate 35 and the OR gate 36 to the optocoupler 23a / b and periodically switch the switch 21 on and off.
  • a pulsating DC voltage is generated at terminal 4, ie a (rectangular) AC voltage with a superimposed DC component.
  • a direct current with a certain ripple flows in the stator winding 2, which causes a magnetic field braking the rotor 1. If the diode 30 were not effective in parallel to the stator winding 2, the current would be in the pulse pauses, ie when the switch 21 is blocked the diode 12 flows, which - as already mentioned - would cause the capacitor 10 to be charged further or would require additional electrical power in the order of magnitude of the braking power required for braking the rotor.
  • the circuit arrangement can also be operated on a single-phase AC network, the AC voltage having to be supplied to the connection L1. Additional capacitors would then have to be connected in parallel to the capacitors 10, 20 in order to keep the ripple of the DC voltage low.

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Abstract

The stator coils (2,3) of the rotary anode drive motor is supplied with phase-offset AC voltages in the acceleration mode. In a brake mode at least one stator coil (2) is supplied with a DC voltage (10-12, 20-22). Both modes are controlled. At least one stator coil is coupled to a voltage source. In the first operational mode the source delivers a periodical AC voltage, while in a second operational mode it delivers a pulsed DC voltage. To the stator coil is parallel connected a switchable diode assembly (30) of such polarity that the pulsed DC voltage operates it in blocking direction. The control (14-16; 34-36) holds the AC voltage source in first state in the acceleration mode and switches-off the diode assembly. In the brake mode the source is held in the second state and the diode assembly is switched-on.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zum Beschleunigen und Abbremsen der Drehanode einer Drehanoden-Röntgenröhre, bei der den Statorwicklungen des Antriebsmotors für die Drehanode in einem Beschleunigungs-Modus in der Phase versetzte Wechselspannungen zuführbar sind und bei der in einem Brems-Modus auf wenigstens eine der Wicklungen eine Gleichspannung einwirkt, mit einer Steuereinrichtung für den Beschleunigungs-Modus und den Brems-Modus.The invention relates to a circuit arrangement for accelerating and braking the rotating anode of a rotating anode X-ray tube, in which the stator windings of the drive motor for the rotating anode can be supplied with phase-shifted alternating voltages in an acceleration mode and in which, in a braking mode, at least one of the windings acts on a DC voltage, with a control device for the acceleration mode and the braking mode.

Eine solche Schaltungsanordnung ist aus der US-PS 3,963,930 bekannt. Dabei sind die Statorwicklungen über eine Reihe von Schaltern wahlweise mit einer Wechselspannungsquelle für eine niedrige Drehzahl, einer Wechselspannungsquelle für eine hohe Drehzahl und mit einer Gleichspannungsquelle verbunden. Die Schalter werden von einer Steuereinrichtung so gesteuert, daß im Beschleunigungs-Modus eine der beiden Wechselspannungsquellen an die Statorwicklungen angeschlossen ist und im Brems-Modus die Gleichspannungsquelle. Die Vielzahl der dafür erforderlichen Schalter sowie die Tatsache, daß für die hohe Drehzahl und den Bremsvorgang gesonderte Spannungsquellen erforderlich sind, macht diese Schaltungsanordnung aufwendig.Such a circuit arrangement is known from US Pat. No. 3,963,930. The stator windings are optionally connected via a series of switches to an AC voltage source for a low speed, an AC voltage source for a high speed and a DC voltage source. The switches are controlled by a control device so that one of the two AC voltage sources is connected to the stator windings in the acceleration mode and the DC voltage source in the braking mode. The large number of switches required for this as well as the fact that separate voltage sources are required for the high speed and the braking process make this circuit arrangement complex.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine einfache Schaltungsanordnung der eingangs genannten Art anzugeben. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens eine der Statorwicklungen an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, die in einem ersten Betriebszustand eine periodische Wechselspannung und in einem zweiten Betriebszustand eine pulsierende Gleichspannung liefert, daß dieser Statorwicklung eine ein- und ausschaltbare Diodenanordnung von solcher Polarität parallelgeschaltet ist, daß sie durch die pulsierende Gleichspannungsquelle in Sperrichtung betrieben wird und daß die Steuereinrichtung im Beschleunigungs-Modus die Wechselspannungsquelle im ersten Betriebszustand hält und die Diodenanordnung ausschaltet und daß sie im Brems-Modus die Wechselspannungsquelle im zweiten Zustand hält und die Diodenanordnung einschaltet. Die Spannungsquelle, die die eine Statorwicklung speist, ist also sowohl im Beschleunigungs-Modus als auch im Brems-Modus wirksam. Die nur im Brems-Modus wirksame Diodenanordnung, im einfachsten Fall eine Diode, bewirkt dabei, daß die Verlustleistung im Brems-Modus klein bleibt und verhindert daher eine Zerstörung der Bauelemente.The object of the present invention is to provide a simple circuit arrangement of the type mentioned at the outset. This object is achieved in that at least one of the stator windings is connected to a voltage source which supplies a periodic AC voltage in a first operating state and a pulsating DC voltage in a second operating state in that a diode arrangement of such polarity which can be switched on and off is connected in parallel to this stator winding that it is operated in the reverse direction by the pulsating DC voltage source and that the control device in acceleration mode keeps the AC voltage source in the first operating state and switches off the diode arrangement and that in braking mode it keeps the AC voltage source in the second state and switches on the diode arrangement. The voltage source that feeds the stator winding is therefore effective both in acceleration mode and in braking mode. The diode arrangement, which is only effective in braking mode, in the simplest case a diode, causes the power loss in braking mode to remain small and therefore prevents the components from being destroyed.

Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Wechselspannungsquelle zwei Schaltglieder mit je einem Schalter aufweist, daß die Schalter an eine Gleichspannung angeschlossen sind und im ersten Betriebszustand periodisch geschaltet sind und daR im zweiten Betriebszustand das eine Schaltglied gesperrt und das andere periodisch ein- und ausgeschaltet ist. Durch die Schaltglieder wird die Gleichspannung alternierend mit entgegengesetzter Polarität an die eine Statorwicklung angeschlossen und durch Sperren des einen Schaltgliedes kann ohne weiteres die für den Brems-Modus erforderliche pulsierende Gleichspannung erzeugt werden. Wenigstens eines der Schaltglieder hat eine Doppelfunktion, d.h. es wirkt im Beschleunigungs- und im Brems-Modus, was den Schaltungsaufwand weiter verringert.A preferred development of the invention provides that the AC voltage source has two switching elements, each with a switch, that the switches are connected to a DC voltage and are periodically switched in the first operating state, and that in the second operating state, one switching element is blocked and the other periodically on and off is switched off. The switching elements connect the DC voltage alternately with the opposite polarity to the one stator winding, and by blocking the one switching element, the pulsating DC voltage required for the braking mode can be easily generated. At least one of the switching elements has a double function, i.e. it works in acceleration and braking modes, which further reduces the amount of shifting.

Die beiden Schaltglieder in Verbindung mit der die Gleichspannung liefernden Gleichspannungsquelle wirken als Wechselrichter, und es leuchtet ein, daß - bei einem Antriebsmotor mit zwei Statorwicklungen - für die andere Statorwicklung mit Hilfe zweier weiterer Schaltglieder, aber derselben Gleichspannungsquelle ein weiterer Wechselrichter aufgebaut werden könnte, dessen Ausgangsspannung um 90° gegenüber derjenigen des ersten Wechselrichters versetzt wäre. Der Vorteil gegenüber Antrieben, bei denen die Phase der Wechselspannung für die eine Statorwicklung mittels eines Hilfskondensators gedreht wird, bestünde darin, daß zwei starr unter einem Winkel von 90 versetzte Spannungen mit gleicher Leistung erzeugt werden könnten. Den gleichen Vorteil, aber eine weitere Vereinfachung, erreicht man nach einer Weiterbildung der Erfindung dadurch, daß eine Gleichrichteranordnung vorgesehen ist, deren Gleichspannungsausgang über die Schaltglieder mit der ersten Statorwicklung verbunden ist, und deren Wechselspannungseingang mit der zweiten Statorwicklung verbunden ist. Hierbei entfallen also Schaltglieder für einen zweiten Wechselrichter und die hierfür erforderliche Ansteuerung.The two switching elements in conjunction with the DC voltage source supplying the DC voltage act as an inverter, and it is clear that - in the case of a drive motor with two stator windings - another inverter could be constructed for the other stator winding with the aid of two further switching elements but the same DC voltage source Output voltage would be offset by 90 ° compared to that of the first inverter. The advantage over drives in which the phase of the alternating voltage for the one stator winding is rotated by means of an auxiliary capacitor would be that two voltages with the same power, which are staggered at an angle of 90, could be generated. The same advantage, but a further simplification, is achieved according to a further development of the invention in that a rectifier arrangement is provided, the DC voltage output of which is connected to the first stator winding via the switching elements, and the AC voltage input of which is connected to the second stator winding. Switching elements for a second inverter and the actuation required for this are thus eliminated.

In weiterer Ausgestaltung ist dabei vorgesehen, daß Mittel zum Erzeugen eines in bezug auf die Spannung an der zweiten Statorwicklung um 90 versetzten Steuersignals vorgesehen sind und daß Mittel zum Ableiten der Schaltsignale für die Schaltglieder aus dem Steuersignal vorgesehen sind. Dadurch wird die Herstellung der 90*-Phasenbeziehung zwischen den Spannungen an den Statorwicklungen besonders einfacher.In a further embodiment it is provided that means for generating a control signal offset by 90 with respect to the voltage on the second stator winding are provided and that means are provided for deriving the switching signals for the switching elements from the control signal. This makes it particularly easy to establish the 90 * phase relationship between the voltages on the stator windings.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß eine Rechteckspannungsquelle (33, 34) vorgesehen ist, die ein Rechtecksignal mit einstellbarem Tastverhältnis zur Steuerung des einen Schaltgliedes (21) im Brems-Modus erzeugt. Durch diese Ausgestaltung läßt sich die Stärke des Bremsvorganges beeinflussen.Another development of the invention provides that a square-wave voltage source (33, 34) is provided which generates a square-wave signal with an adjustable pulse duty factor for controlling the one switching element (21) in braking mode. The strength of the braking process can be influenced by this configuration.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

  • Fig. 1 die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung und
  • Fig. 2 die zugehörige Steuereinrichtung.
The invention is explained below with reference to the drawing. Show it:
  • Fig. 1 shows the circuit arrangement according to the invention and
  • Fig. 2 the associated control device.

In Fig. 1 ist mit 1 der die Drehanode tragende Rotor eines Antriebsmotors für die Drehanode einer Drehanoden-Röntgenröhre bezeichnet und mit 2 bzw. 3 die zugehörigen, um 90° gegeneinander versetzten Statorwicklungen. Der Rotor ist ein Kurzschlußläufer, und der Antriebsmotor ist ein Asynchronmotor. Zwischen den Statorwicklungen 1, 2 und dem Rotor besteht ein relativ großer Abstand, weil im Betrieb der Röntgenröhre die Kathode Hochspannungspotential führt und die Statorwicklung Massepotential. Dadurch ergibt sich zwischen Rotor 1 und Stator 2, 3 eine geringe magnetische Kopplung. Im übrigen ist die Drehanoden-Röntgenröhre nicht näher dargestellt.In FIG. 1, 1 denotes the rotor of a drive motor carrying the rotating anode for the rotating anode of a rotating anode X-ray tube, and 2 and 3 the associated stator windings, which are offset by 90 ° from one another. The rotor is a squirrel-cage rotor and the drive motor is an asynchronous motor. There is a relatively large distance between the stator windings 1, 2 and the rotor, because during operation of the X-ray tube the cathode carries high voltage potential and the stator winding has ground potential. This results in a slight magnetic coupling between rotor 1 and stator 2, 3. Otherwise, the rotating anode X-ray tube is not shown in detail.

Die elektrische Leistung zum Beschleunigen und Abbremsen wird den drei Anschlüssen L1, L2, L3 eines Drehstromnetzes entnommen, an denen gegenüber ihren gemeinsamen Nullpunkt N drei um 120 gegeneinander versetzte Wechselspannungen mit Netzfrequenz anliegen. Aus den drei Wechselspannungen wird durch je eine Gleichrichterdiode 18 an einem Kondensator 10 eine positive Gleichspannung erzeugt; ebenso wird aus den drei Wechselspannungen über entgegengesetzt gepolte Gleichrichterdioden 18 an einem Kondensator 20 eine negative Gleichspannung erzeugt. Die beiden Kondensatoren 10 und 20 sind in Reihe geschaltet und an ihrem gemeinsamen Verbindungspunkt mit dem Nullpunkt N des Drehstromnetzes verbunden, der zugleich auch an den beiden Statorwicklungen 2 und 3 gemeinsamen Anschlußpunkt 5 angeschlossen ist.The electrical power for acceleration and deceleration is taken from the three connections L1, L2, L3 of a three-phase network, at which there are three AC voltages offset by 120 with respect to their common zero point N at the mains frequency. A positive DC voltage is generated from the three AC voltages by a rectifier diode 18 on a capacitor 10; Likewise, a negative DC voltage is generated from the three AC voltages on oppositely polarized rectifier diodes 18 on a capacitor 20. The two capacitors 10 and 20 are connected in series and connected at their common connection point to the zero point N of the three-phase network, which is also connected to the two stator windings 2 and 3 common connection point 5.

Die von dem gemeinsamen Verbindungspunkt abgewandten Anschlüsse der Kondensatoren 10 und 20 sind über steuerbare Schalter in Form von IGBT-Transistoren 11, 21 miteinander verbunden. Der gemeinsame Verbindungspunkt der beiden Transistoren ist mit dem zweiten Anschluß 4 der Statorwicklung 2 verbunden. Den IGBT-Transistoren 11 und 21 ist je eine Diode 12, 22 antiparallel geschaltet. Diese Dioden sind also normalerweise nichtleitend, es sei denn die Spannung am Anschluß 4 ist positiver als die Spannung am Kondensator 10 bzw. negativer als die Spannung am Kondensator 20.The connections of the capacitors 10 and 20 facing away from the common connection point are connected to one another via controllable switches in the form of IGBT transistors 11, 21. The common connection point of the two transistors is connected to the second terminal 4 of the stator winding 2. The IGBT transistors 11 and 21 each have a diode 12, 22 connected in anti-parallel. These diodes are therefore normally non-conductive, unless the voltage at connection 4 is more positive than the voltage at capacitor 10 or more negative than the voltage at capacitor 20.

Die Elemente 10 ... 12 bzw. 20 ... 22, stellen einen Wechselrichter in Halbbrückenschaltung dar. Stattdessen könnte grundsätzlich auch ein Wechselrichter in Vollbrückenschaltung verwendet werden, bei dem die Statorwicklung 2 über zwei Schaltglieder mit je zwei Schaltern mit einer Gleichspannungsquelle verbunden ist, wie aus der US-PS 3,832,553 bekannt. Allerdings wäre der Aufwand dafür höher - auch wenn eine der Gleichrichtergruppen 18 bzw. 28 und der zugehörige Kondensator 10 bzw. 20 entfallen könnte. - Bei der Beschleunigung der Drehanode werden die Schalter 11 und 21 im Gegentakt ein- und ausgeschaltet, so daR sich an der Statorwicklung 2 eine Rechteckwechselspannung (ohne Gleichanteil) ergibt.The elements 10 ... 12 or 20 ... 22 represent an inverter in a half-bridge circuit. Instead, an inverter in a full-bridge circuit could also be used, in which the stator winding 2 is connected to a DC voltage source via two switching elements, each with two switches , as known from US-PS 3,832,553. However, the effort would be higher - even if one of the rectifier groups 18 or 28 and the associated capacitor 10 or 20 could be omitted. - When the rotating anode is accelerated, switches 11 and 21 are switched on and off in push-pull mode, so that a square-wave alternating voltage (without DC component) results at stator winding 2.

Der Statorwicklung 2 ist darüberhinaus die Serienschaltung einer Diode 30 und eines IGBT-Transistorschalters 31 parallelgeschaltet. Dieser Transistorschalter ist nur in der Bremsphase leitend (geschlossen). Der Anschluß 6 der zweiten Wicklung 3 ist über einen (Triac-) Schalter 7 mit dem Wechselspannungsanschluß L1 verbunden.The series connection of a diode 30 and an IGBT transistor switch 31 is also connected in parallel to the stator winding 2. This transistor switch is only conductive (closed) in the braking phase. The connection 6 of the second winding 3 is connected to the AC voltage connection L1 via a (triac) switch 7.

Die Schalter 7, 11, 21 und 31 werden über Optokoppler geschaltet, deren einer Teil - der Empfangsteil 8a, 13a, 23a, 32a - in Fig. 1 dargestellt ist und deren anderer Teil - der Sendeteil 8b, 13b, 23b und 32b - in Fig. 2 in Verbindung mit der Steuereinrichtung dargestellt ist. Die Steuereinrichtung liefert die zur Steuerung der vier genannten Schalter erforderlichen Schaltsignale.The switches 7, 11, 21 and 31 are switched via optocouplers, one part of which - the receiving part 8a, 13a, 23a, 32a - is shown in FIG. 1 and the other part - the transmitting part 8b, 13b, 23b and 32b - in Fig. 2 is shown in connection with the control device. The control device supplies the switching signals required to control the four switches mentioned.

Dabei wird in der Schaltung 15 aus der Spannung zwischen den Klemmen L1 und N, die auch an der Statorwicklung 3 anliegt, ein zu dieser Spannung synchrones, gleichphasiges Signal erzeugt, das einem 90°-Phasendrehglied 16, vorzugsweise einem Integrator zugeführt wird, dessen Ausgangssignal gegenüber seinem Eingangssignal um 90 versetzt ist. Das Ausgangssignal des Phasendrehgliedes 16 wird dem ersten Eingang eines UND-Gatters 24 und über einen Inverter 17 dem ersten Eingang eines UND-Gatters 14 zugeführt. Die zweiten Eingänge dieser UND-Gatter sind an einen Steuereingang ACL angeschlossen, der außerdem noch mit dem Optokoppler 8b/8a zur Steuerung des Schalters 7 verbunden ist. Der Ausgang des UND-Gatters 14 ist mit dem Optokoppler 13b/a zur Steuerung des IGBT-Transistors 11 verbunden, während das UND-Gatters 24 mit dem einen Eingang eines ODER-Gatters 36 verbunden ist, dessen Ausgang mit dem Optokoppler 23b/a verbunden ist, der die Schaltsignale für den IGBT-Schalttransistor 21 liefert.In this case, in the circuit 15 from the voltage between the terminals L1 and N, which is also present on the stator winding 3, a synchronous, in-phase signal is generated which is fed to a 90 ° phase shifter 16, preferably an integrator, whose output signal is offset by 90 from its input signal. The output signal of the phase shifter 16 is fed to the first input of an AND gate 24 and via an inverter 17 to the first input of an AND gate 14. The second inputs of these AND gates are connected to a control input ACL, which is also connected to the optocoupler 8b / 8a for controlling the switch 7. The output of the AND gate 14 is connected to the optocoupler 13b / a for controlling the IGBT transistor 11, while the AND gate 24 is connected to the one input of an OR gate 36, the output of which is connected to the optocoupler 23b / a which provides the switching signals for the IGBT switching transistor 21.

Die Steuereinrichtung enthält außerdem einen Generator 33, der eine dreieckförmige Wechselspannung von z.B. 320 Hz erzeugt. Diese Wechselspannung wird in einem Komparator 34 mit einer einstellbaren Gleichspannung VR verglichen, so daß sich am Ausgang des Komparators ein 320 Hz Rechtecksignal ergibt, dessen Tastverhältnis von der Polarität der Gleichspannung VR sowie deren Größe in bezug auf das Dreiecksignal des Generators 33 abhängt. Das Ausgangssignal des Komparators 34 wird dem einen Eingang eines UND-Gatters 35 zugeführt, dessen Ausgang mit dem zweiten Eingang des ODER-Gatters 36 verbunden ist. Der zweite Eingang des UND-Gatters 35 ist mit einem Steuereingang BRT verbunden, der zugleich über den Optokoppler 32b/32a den IGBT-Schalter 31 steuert.The control device also contains a generator 33 which generates a triangular AC voltage of, for example, 320 Hz. This AC voltage is compared in a comparator 34 with an adjustable DC voltage V R , so that a 320 Hz square-wave signal results at the output of the comparator, the pulse duty factor of which depends on the polarity of the DC voltage V R and its magnitude in relation to the triangular signal of the generator 33. The output signal of the comparator 34 is fed to one input of an AND gate 35, the output of which is connected to the second input of the OR gate 36. The second input of the AND gate 35 is connected to a control input BRT, which at the same time controls the IGBT switch 31 via the optocoupler 32b / 32a.

Die Schaltung arbeitet folgendermaßen:

  • Wenn der Benutzer eine Röntgenaufnahme machen will, muß der Rotor 1 aus dem Stillstand auf seine Nenndrehzahl beschleunigt werden. Zu diesem Zweck wird für einen definierten Zeitraum, z.B. eine Sekunde, das Signal am Steuereingang ACL auf "1 " gesetzt, während das Steuersignal am Steuereingang BRT "0" bleibt. Infolgedessen liefern während dieses Zeitraums die UND-Gatter 14 und 24 zueinander gegenphasige Rechtecksignale, die über die Optokoppler 13a/b bzw. 23a/b die IGBT-Schalter 11 und 21 im Gegentakt ein- und ausschalten, so daß sich über der Statorwicklung 2 eine Rechteckspannung mit Netzfrequenz ergibt, die gegenüber der Netzspannung zwischen L1 und N um 90 in der Phase versetzt wird. Gleichzeitig macht der Optokoppler 8b/a während des genannten Zeitraums den Schalter 7 leitend, so daß an der Statorwicklung 3 eine sinusförmige Wechselspannung anliegt. Grundsätzlich wäre es möglich, auch die Statorwicklung 3 durch einen zweiten Wechselrichter mit einer Rechteckspannung zu speisen. Dies würde aber weitere IGBT-Schalter und Optokoppler erfordern, was den Schaltungsaufwand vergrößern würde.
The circuit works as follows:
  • If the user has an x-ray wants to make, the rotor 1 must be accelerated from standstill to its nominal speed. For this purpose, the signal at the control input ACL is set to "1" for a defined period of time, for example one second, while the control signal at the control input BRT remains "0". As a result, during this period, the AND gates 14 and 24 supply square-wave signals which are in phase opposition to one another and which switch the IGBT switches 11 and 21 on and off in push-pull mode via the optocouplers 13a / b and 23a / b, respectively, so that a stator winding 2 turns on Rectangular voltage with mains frequency results in a phase shift of 90 compared to the mains voltage between L1 and N. At the same time, the optocoupler 8b / a makes the switch 7 conductive during the period mentioned, so that a sinusoidal AC voltage is present at the stator winding 3. In principle, it would also be possible to supply the stator winding 3 with a square-wave voltage through a second inverter. However, this would require additional IGBT switches and optocouplers, which would increase the circuit complexity.

Da die Gleichspannung an den Kondensatoren 10 und 20 jeweils der Amplitude der Wechselspannung entspricht, hat die Rechteckspannung an der Statorwicklung 2 die gleiche Amplitude wie die sinusförmige Wechselspannung an der Statorwicklung 3. Da die in einer Rechteckspannung enthaltene sinusförmige Grundschwingung eine um etwa 27 % höhere Amplitude hat als die Rechteckspannung, ist bei identisch aufgebauten Statorwicklungen der Strom durch die Wicklung 2 entsprechend größer als der Strom durch die Statorwicklung 3. Diese Unsymmetrie ist an sich nicht störend; gegebenenfalls kann sie dadurch beseitigt werden, daß die Statorwicklung 2 eine entsprechend höhere Wicklungszahl hat.Since the DC voltage on the capacitors 10 and 20 corresponds in each case to the amplitude of the AC voltage, the square-wave voltage on the stator winding 2 has the same amplitude as the sinusoidal AC voltage on the stator winding 3. Because the sinusoidal fundamental oscillation contained in a square-wave voltage has an amplitude that is approximately 27% higher than the square-wave voltage, the current through winding 2 is correspondingly greater than the current through stator winding 3 in the case of identically constructed stator windings. This asymmetry is not intrinsically disturbing; if necessary, it can be eliminated in that the stator winding 2 has a correspondingly higher number of windings.

Nach Ablauf des Beschleunigungszeitraums wird auch das Signal ACL "0". Die Drehanode hat dann ihre Solldrehzahl erreicht und läuft aufgrund ihres Trägheitsmomentes auch noch während der nun folgenden Röntgenaufnahme weiter. Alle Schalter sind gesperrt.After the acceleration period has expired, the signal ACL also becomes "0". The rotating anode has then reached its target speed and, due to its moment of inertia, continues to run even during the following X-ray exposure. All switches are locked.

Nach dem Ende der Röntgenaufnahme wird die Drehanode abgebremst, um ihre Lager zu schonen. Eine Abbremsung einer Drehanode wäre grundsätzlich mit Hilfe einer sogenannten Drehfeld-Bremse möglich, die aber neben einem mehrphasigen Wechselrichter auch noch die Messung oder die Simulation der jeweiligen Drehzahl erfordern würde, da ohne deren Kenntnis kein Stillstand der Drehanode erreicht werden könnte. - Eine generatorische Bremsung, bei der die im Rotor gespeicherte Energie über einen Gleichrichter in einen Bremswiderstand rückgespeist wird, hätte wegen der geringen magnetischen Kopplung zwischen Rotor und Stator keinen Effekt. - Als praktisch realisierbare Alternative bleibt die Bremsung des Rotors durch eine aus dem Netz abgeleitete Gleichspannung.After the end of the x-ray, the rotating anode is braked to protect its bearings. Braking a rotating anode would in principle be possible with the help of a so-called rotating field brake, which, however, would also require the measurement or simulation of the respective speed in addition to a multi-phase inverter, since the rotating anode could not be stopped without their knowledge. - A regenerative braking, in which the energy stored in the rotor is fed back into a braking resistor via a rectifier, would have no effect due to the low magnetic coupling between the rotor and stator. - As a practically feasible alternative, braking the rotor by means of a DC voltage derived from the network remains.

Wenn man zu diesem Zweck unmittelbar eine der Gleichspannungen an den Kondensatoren 10 oder 20 heranziehen würde, indem man während der Bremsphase den Anschluß 4 über einen der Schalter 11, 21 mit einer dieser Spannungen verbindet, dann würde sich ein derart starkes Bremsmoment ergeben, daß die Drehanoden-Achse dadurch beschädigt werden könnte, oder, bei magnetischer Sättigung des Stator-Blechpaketes, mindestens sehr hohe Verlustwärme in der Stator-Wicklung entstehen würde. Man könnte aber auch eine Gleichstrom-Bremsung dadurch erzeugen, daß man bei der Bremsung beide Schalter 11, 21 alternierend, aber mit unterschiedlich langer Einschaltdauer, einschaltet, so daß sich am Anschluß 4 eine pulsförmige Wechselspannung ergeben würde, der ein Gleichanteil überlagert ist. Diese Lösung hätte aber den Nachteil, daß bei der schnellen Schaltfolge, mit der die Schalter 11, 21 geschaltet werden müßten, infolge der Stator-Induktivität, immer nur derjenige Schalter 11, 21 einen Strom führt, der länger eingeschaltet wird, (z.B. der Schalter 21). Nach dem Abschalten dieses Schalters würde der Strom der Statorwicklung über die zum anderen Schalter antiparallele Diode (12) fließen und den zugehörigen Kondensator (10) überladen und zerstören. Um dies zu verhindern, müßte durch eine zusätzliche Schaltung ein Entlastungswiderstand eingefügt werden, der dann aber hohe Verlustleistung in Wärme umwandeln würde.If one were to use one of the direct voltages at the capacitors 10 or 20 for this purpose, by connecting the terminal 4 via one of the switches 11, 21 to one of these voltages during the braking phase, then such a strong braking torque would result that the This could damage the rotating anode axis or, if the stator laminated core was magnetically saturated, would result in at least very high heat loss in the stator winding. But you could also generate a DC braking by turning on both switches 11, 21 alternately, but with different operating times during braking, so that a pulsed AC voltage would result at terminal 4, which is superimposed on a DC component. This solution would have the disadvantage, however, that in the fast switching sequence with which the switches 11, 21 would have to be switched, due to the stator inductance, only that switch 11, 21 carries a current that is switched on for a longer time (for example the switch 21). After this switch has been switched off, the current of the stator winding would flow via the diode (12) which is antiparallel to the other switch and would overload and destroy the associated capacitor (10). To prevent this, an additional circuit would have to insert a relief resistor, which would then convert high power loss into heat.

Die Erfindung geht daher einen anderen Weg.The invention therefore goes a different way.

Zum Bremsen wird während eines festen, zum vollständigen Abbremsen ausreichenden Zeitraumes, z.B. 1 sec, das Signal am Steuereingang BRT auf "1 und an ACL auf "0" gesetzt. Dadurch wird über den Optokoppler 32a, 32b der Schalter 31 leitend geschaltet, so daß die Diode 30 parallel zu der Statorwicklung 2 wirksam ist. Der Schalter 7 ist gesperrt, weil er nicht über den Optokoppler 8a/b aktiviert wird. Auch der Schalter 11 ist gesperrt, weil das UND-Gatter 14 keine Schaltimpulse zum Optokoppler 13a/b durchläßt. Jedoch gelangen nunmehr Rechteckimpulse mit einstellbarem Tastverhältnis über das UND-Gatter 35 und das ODER-Gatter 36 zum Optokoppler 23a/b und schalten den Schalter 21 periodisch ein- und aus.For braking, a fixed period of time sufficient for complete braking, e.g. 1 sec, the signal at the control input BRT is set to "1 and at ACL to" 0. "As a result, the switch 31 is turned on via the optocoupler 32a, 32b, so that the diode 30 acts in parallel with the stator winding 2. The switch 7 is blocked because it is not activated via the optocoupler 8a / b. The switch 11 is also blocked because the AND gate 14 does not pass any switching pulses to the optocoupler 13a / b. However, rectangular pulses with an adjustable pulse duty factor now pass through the AND gate 35 and the OR gate 36 to the optocoupler 23a / b and periodically switch the switch 21 on and off.

Dadurch wird an der Klemme 4 eine pulsierende Gleichspannung erzeugt, d.h. eine (Rechteck-) Wechselspannung mit überlagertem Gleichanteil. Dadurch fließt in der Statorwicklung 2 ein Gleichstrom mit einer gewissen Welligkeit, der ein den Rotor 1 abbremsendes Magnetfeld hervorruft. Wenn die Diode 30 nicht parallel zur Statorwicklung 2 wirksam wäre, würde in den Impulspausen, d.h. bei gesperrtem Schalter 21, der Strom über die Diode 12 fließen, was - wie bereits erwähnt - eine weitere Aufladung des Kondensators 10 bewirken würde bzw. eine zusätzliche elektrische Leistung in der Größenordnung der für die Abbremsung des Rotors erforderlichen Bremsleistung erfordern würde. Dieser Leistungsverlust wird praktisch vollständig dadurch vermieden, daß die Statorwicklung 2 in den Pulspausen durch die Diode 30 kurzgeschlossen wird, weil der Strom jetzt nicht mehr die Gegenspannung am Kondensator 10 überwinden muß. Dadurch ergibt sich auch eine geringere Welligkeit des Stroms durch die Statorwicklung, die zur Senkung der Schaltfrequenz genutzt werden kann. Gleichzeitig halbiert sich der Schalt-Spannungshub. Beides reduziert die Verluste im Schalter 21 erheblich. Am Ende des Zeitraums, während dessen BTL = "1" ist, ist der Rotor 1 vollständig abgebremst. Die Bremskraft kann durch Verändern der Vergleichsspannung VR am Komparator 34 den Erfordernissen angepaßt werden.As a result, a pulsating DC voltage is generated at terminal 4, ie a (rectangular) AC voltage with a superimposed DC component. As a result, a direct current with a certain ripple flows in the stator winding 2, which causes a magnetic field braking the rotor 1. If the diode 30 were not effective in parallel to the stator winding 2, the current would be in the pulse pauses, ie when the switch 21 is blocked the diode 12 flows, which - as already mentioned - would cause the capacitor 10 to be charged further or would require additional electrical power in the order of magnitude of the braking power required for braking the rotor. This loss of power is practically completely avoided in that the stator winding 2 is short-circuited by the diode 30 in the pulse pauses because the current no longer has to overcome the counter voltage on the capacitor 10. This also results in a lower ripple in the current through the stator winding, which can be used to lower the switching frequency. At the same time, the switching voltage swing is halved. Both significantly reduce the losses in the switch 21. At the end of the period during which BTL = "1", the rotor 1 is braked completely. The braking force can be adapted to the requirements by changing the comparison voltage VR at the comparator 34.

Statt an einem Drehstromnetz kann die Schaltungsanordnung auch an einem einphasigen Wechselstromnetz betrieben werden, wobei die Wechselspannung dem Anschluß L1 zugeführt werden müßte. Den Kondensatoren 10, 20 müßten dann zusätzliche Kondensatoren parallelgeschaltet werden, um die Welligkeit der Gleichspannung klein zu halten.Instead of a three-phase network, the circuit arrangement can also be operated on a single-phase AC network, the AC voltage having to be supplied to the connection L1. Additional capacitors would then have to be connected in parallel to the capacitors 10, 20 in order to keep the ripple of the DC voltage low.

Claims (5)

1. Schaltungsanordnung zum Beschleunigen und Abbremsen der Drehanode (1) einer Drehanoden-Röntgenröhre, bei der den Statorwicklungen (2, 3) des Antriebsmotors für die Drehanode in einem Beschleunigungs-Modus in der Phase versetzte Wechselspannungen zuführbar sind und bei der in einem Brems-Modus auf wenigstens eine der Statorwicklungen (2) eine Gleichspannung (10 ... 12; 20 ... 22) einwirkt, mit einer Steuereinrichtung für den Beschleunigungs-Modus und den Brems-Modus,
dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der Statorwicklungen an eine Spannungsquelle angeschlossen ist, die in einem ersten Betriebszustand eine periodische Wechselspannung und in einem zweiten Betriebszustand eine pulsierende Gleichspannung liefert, daß dieser Statorwicklung eine ein- und ausschaltbare Diodenanordnung (30) in solcher Polarität parallelgeschaltet ist, daß sie durch die pulsierende Gleichspannung (20-22) in Sperrichtung betrieben wird und daß die Steuereinrichtung (14 ... 16, 34 ... 36) im Beschleunigungs-Modus die Wechselspannungsquelle im ersten Betriebszustand hält und die Diodenanordnung ausschaltet und daß sie im Brems-Modus die Wechselspannungsquelle im zweiten Zustand hält und die Diodenanordnung einschaltet.1. Circuit arrangement for accelerating and braking the rotating anode (1) of a rotating anode X-ray tube, in which the stator windings (2, 3) of the drive motor for the rotating anode can be supplied with phase-shifted alternating voltages in an acceleration mode and in which a braking Mode acts on at least one of the stator windings (2) a DC voltage (10 ... 12; 20 ... 22), with a control device for the acceleration mode and the braking mode,
characterized in that at least one of the stator windings is connected to a voltage source which supplies a periodic alternating voltage in a first operating state and a pulsating direct voltage in a second operating state, in that a diode arrangement (30) which can be switched on and off is connected in parallel in such polarity to this stator winding, that it is operated by the pulsating DC voltage (20-22) in the reverse direction and that the control device (14 ... 16, 34 ... 36) in acceleration mode keeps the AC voltage source in the first operating state and switches off the diode arrangement and that it in Brake mode holds the AC voltage source in the second state and switches on the diode arrangement. 2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle zwei Schaltglieder (11, 21) mit wenigstens je einem Schalter aufweist, daß die Schaltglieder an eine Gleichspannung angeschlossen sind und im ersten Betriebszustand periodisch geschaltet sind und daß im zweiten Betriebszustand das eine Schaltglied (11) gesperrt und das andere (21) periodisch ein- und ausgeschaltet ist.2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the AC voltage source has two switching elements (11, 21) with at least one switch each, that the switching elements are connected to a DC voltage and are periodically switched in the first operating state and that in the second operating state the one switching element (11) locked and the other (21) periodically on and off. 3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Antriebsmotor zwei Statorwicklungen (2, 3) aufweist, daß eine Gleichrichteranordnung (18, 28) vorgesehen ist, deren Gleichspannungsausgang über die Schaltglieder (11, 21) mit der ersten Statorwicklung (2) verbunden ist, und deren Wechselspannungseingang mit der zweiten Statorwicklung (3) verbunden ist.3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the drive motor has two stator windings (2, 3) that a rectifier arrangement (18, 28) is provided, the DC voltage output via the switching elements (11, 21) with the first stator winding (2) is connected, and the AC voltage input is connected to the second stator winding (3). 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (15, 16) zum Erzeugen eines in bezug auf die Spannung an der zweiten Statorwicklung (3) um 90 versetzten Steuersignals vorgesehen sind und daß Mittel zum Ableiten der Schaltsignale (14, 24) für die Schaltglieder aus dem Steuersignal vorgesehen sind.4. Circuit arrangement according to claim 3, characterized in that means (15, 16) for generating a with respect to the voltage at the second stator winding (3) by 90 control signal are provided and that means for deriving the switching signals (14, 24) are provided for the switching elements from the control signal. 5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Rechteckspannungsquelle (33, 34) vorgesehen ist, die ein Rechtecksignal mit einstellbarem Tastverhältnis zur Steuerung des einen Schaltgliedes (21) im Brems-Modus erzeugt.5. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that a square-wave voltage source (33, 34) is provided, which generates a square-wave signal with an adjustable duty cycle for controlling the one switching element (21) in braking mode.
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