Generator zum Betreiben einer Drehanoden-Röntgenröhre

Abstract

 Die Erfindung beschreibt einen Generator zum Antrieb einer Drehanoden-Röntgenröhre (1), deren Rotor (12) und Stator (13,14,15) das anodenseitige Hochspannungspotential führen. Ein solcher Generator läßt sich erfindungsgemäß dadurch besonders einfach ausgestalten, daß ein mit seiner Primärwicklung (41) an eine Wechselspannungsquelle (2,3) anschließbarer Trenntransformator (4) vorgesehen ist, daß die Sekundärwicklung (42) des Trenntransformators mit einem Gleichrichter (51) zur Speisung eines Wechselrich­ters (7) gekoppelt ist, der aus der gleichgerichteten Spannung die Wechselströme für die Statorwicklungen (13,14,15) erzeugt, und daß der Wechselrichter mit dem Hochspannungserzeuger (91) galvanisch verbunden ist.

Beschreibung

[0001] 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 US-PS 4 107 535 als Stand der Technik bekannt. Wenn sich die Statorwicklungen bzw. der Stator auf demselben Hoch­spannungspotential 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.

[0002] Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Generator der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß der Aufwand für den Trenntransformator verringert werden kann.

[0003] 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 Gleich­richter zur Speisung eines Wechselrichters gekoppelt ist, der aus der gleichgerichteten Spannung die Wechselströme für die Statorwicklungen erzeugt, und daß der Wechselrich­ter mit dem Hochspannungserzeuger galvanisch verbunden ist.

[0004] Während also bei der bekannten Anordnung die Statorströme mit hohem Blindanteil über einen mehrphasigen Trenntrans­formator übertragen werden müssen, wird bei der Erfindung über den (einphasigen) Trenntransformator lediglich die Wirkleistung für die Speisung eines Wechselrichters über­tragen, der die Statorströme liefert. Ein Wechselrichter ist ohnehin erforderlich, wenn die Frequenz der Stator­ströme von der Netzfrequenz abweicht. Dieser Wechselrich­ter wird bei der Erfindung auf dem anodenseitigen Hoch­spannungspotential betrieben.

[0005] 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 Wechselichter 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 einen kostengünstigen Ferritkern enthalten sowie eine vergossene Sekundärspule und ist nur geringfügig größer als ein in der Bauform ähnlicher Zeilentransformator für Fernsehempfänger.

[0006] 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.

[0007] In noch weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­sehen, 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 Netzspannungsschwan­kungen und von Widerstandsänderungen der Statorwicklungen.

[0008] 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 Röntgen­strahler 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 Kathoden­seite speisen zu können.

[0009] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung erläutert, die ein schematisches Prinzipschaltbild eines erfindungsgemäßen Generators zeigt.

[0010] 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° gegenein­ander versetzten Wicklungen 13, 14 und 15 eines Stators (die außerhalb des Röhrenkolbens angeordnet sind) ange­trieben, wobei der zwischen Rotor und Stator verbleibende Spalt klein ist, so daß sich ein guter Antriebswirkungs­grad ergibt.

[0011] 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 Trenntrans­formators 4 speist. Die Schaltung 3 besitzt zwei parallele Zweige mit je zwei in Serie geschalteten Schalterkombina­tionen 31, 32 bzw. 33, 34. Jede Schalterkombination umfaßt die Parallelschaltung einer in der Sperrichtung betriebe­nen Diode und eines steuerbaren Halbleiterschalters. Die Primärwicklung 41 ist zwischen die Verbindungspunkte der in Serie geschalteten Schalterkombinationen 31, 32 bzw. 33, 34 geschaltet.

[0012] Die Schalterkombinationen werden durch einen Taktpulsgene­rator 35 mit einer Taktfrequenz gesteuert, die der Über­tragungsfrequenz des Trenntransformators entspricht, im Beispiel also mit 20 kHz. Die Ansteuerung der Schalterkom­bination bzw. der darin enthaltenen steuerbaren Schalter durch den Taktpulsgenerator 35 erfolgt im Gegentakt, so daß in der einen Phase ein Wechselstrom über die Schalter­kombination 31, die Wicklung 41 und die Schalterkombina­tion 34 fließt und in der anderen Phase über die Schalter­ kombination 32 die Primärwicklung 41 (in der entgegenge­setzten Richtung wie in der vorigen Schaltphase) und die Schalterkombination 33.

[0013] Der Trenntransformator 4 trennt das Niederspannungspoten­tial an seiner Primärwicklung von dem anodenseitigen Hoch­spannungspotential an seiner Sekundärwicklung. Wegen der relativ hohen Frequenz, mit der der Trenntransformator betrieben wird (20 kHz) kann er einen preiswerten Ferrit­kern mit geringem Querschnitt umfassen, dessen Sekundär­wicklung zu Isolationszwecken vergossen ist.

[0014] Die Wechselspannung an der Sekundärwicklung 42 wird durch einen Brückengleichrichter 51 in Verbindung mit einem Kon­densator 52 gleichgerichtet, der in Serie mit der Primär­wicklung 61 eines Transformators 6 an den Ausgang des Brückengleichrichters 41 angeschlossen ist. Die Schaltein­richtung 3, der Trenntransformator 4, der Gleichrichter 51, der Kondensator 52 und die als Speicherdrossel wirk­same Primärwicklung 61 des Transformators 6 bilden ein Schaltnetzteil vom Brücken-Gegentaktwandler-Typ. Dieses Schaltnetzteil gestattet es, die Gleichspannung am Konden­sator 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 Hochspannungspo­tential führen - wie noch näher ausgeführt wird.

[0015] 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 Statorwick­lungen 13..15 über je eine Leitung verbunden.

[0016] 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.

[0017] Die Schalterkombinationen 71..76 werden von einem Takt­pulsgenerator 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 Schalter­kombinationen 71..76 verbunden sind, sechs Taktpulse mit einer Frequenz von 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 Steuerlei­tungen 81, 83 und 85 für die unteren Schalter 71, 73 und 75 um einen geeigneten Betrag versetzt sind. Wie schema­tisch angedeutet, sind die Taktpulse an den aufeinander­folgenden 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 von 150 Hz, mit dem gegeneinander versetzten, oberhalb dieser Wicklungen angedeuteten Verlauf.

[0018] 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 Aus­gangsspannung der Sekundärwicklung 62 des Transformators 6 erzeugt. Die Primärwicklung 61 dieses Transformators be­findet 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 übertra­genden Transformators 6 zur Erzeugung einer Versorgungs­spannung für den Taktgenerator 8 bildet.

[0019] Eine der drei Leitungen, die die Verbindungspunkte in den drei Zweigen mit den drei Stator-Anschlüssen verbindet, ist an den Ausgang eines Hochspannungserzeugers 91 ange­schlossen. 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.

[0020] Die negative Hochspannung wird von einem Hochspannungser­zeuger 92 erzeugt. Der Ausgang des Hochspannungserzeugers 92 ist mit einer der drei Ausgangsleitungen der Heizstrom­wandlergruppe 93 verbunden, die die Ströme für die beiden Heizfäden der Röntgenröhre liefert. Über je ein in der Zeichnung schematisch angedeutetes Hochspannungskabel 94b zw. 95 werden die Hochspannung für die Anode bzw. die Kathode sowie die Statorströme bzw. die Heizfadenströme zum Röntgenstrahler übertragen. Während bei konventionel­len Röntgenstrahlern mit auf Masse betriebenem Stator zum Antrieb der Drehanode immer noch ein Statorkabel erforder­lich ist, über das die Statorströme fließen, kann bei der Erfindung ein solches Kabel entfallen, weil die Stator­ströme und die Hochspannung über das gleiche Hochspan­nungskabel 94 übertragen werden können.

[0021] Es läßt sich zeigen, daß der Gleichstrom der vom Konden­sator 22 über den Widerstand 23 zu der Schalteinrichtung 3 fließt, ein genaues Maß für die Amplitude der in den Statorwicklungen 13,14 und 15 fließenden Wechselströme ist, die ihrerseits das auf dem Rotor 12 wirkende An­triebsmoment bestimmen. Durch Stabilisieren des Gleich­stroms, der der Schalteinrichtung 3 zufließt, kann daher der Drehanodenantrieb von Netzspannungsschwankungen und gegenüber Schwankungen der Leitungswiderstände im Hoch­spannungskabel oder in den Statorwicklungen stabilisiert werden, die beispielsweise als Folge einer Temperatur­änderung auftreten können. Durch das Stabilisieren des Antriebsmomentes bzw. der Statorströme wird gleichzeitig die Verlustleistung auf einem Minimalwert gehalten.

[0022] 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 Schalterkombina­tionen 31..34 so variiert, daß die Gleichspannung am Widerstand 23 dem vorgegebenen Wert entspricht.

Ansprüche

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) gekop­pelt sind,
dadurch gekennzeichnet, daß ein mit seiner Primärwicklung (41) an eine Wechselspannungsquelle (2,3) anschließbarer Trenntransformator (4) vorgesehen ist, daß die Sekundär­wicklung (42) 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 Wechselspan­nung, die der Primärwicklung von der Wechselspannungsquel­le (2,3) zugeführt wird, wesentlich höher ist als die Fre­quenz der von dem Wechselrichter (7) gelieferten Ströme.

3. Generator nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle eine Schalteinrichtung (3) zur Erzeugung von Wechselspan­nungsimpulsen 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 Trenntransfor­mator (4) und dem Gleichrichter (51,52) ein Schaltnetzteil bildet.

5. Generator nach Anspruch 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Regelkreis zur Stabilisie­rung 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 Versorgungs­spannung 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.

Zeichnung