Устройство питания для диаг-ностической рентгеновской уста- новки большой мощности

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ПАТЕНТУ

Союз Советских

Социалистических

Республик

Н 03 К 3/53

Государственный комитет

СССР по делам изобретений и открытий

Опубликовано 230б.81. бюллетень М 23

Дата опубликования описания 23пб81 (53) УДК6 21. 3 7 3. . 21 (088. 8) (72) Авторы изобретения

Иностранцы

П. Чонтош, Л. Хентер, Л. Кальман, Т. Кондор и И. Вайн (BHP ) Иностранная фирма Медикор Мювек (BHP) (71) Заявитель

1 (54 ) УСТРОЙСТВО ПИТАНИЯ ДЛЯ ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ

РЕНТГЕНОВСКОЙ УСТАНОВКИ БОЛЬШОЙ МОЩНОСТ

) Изобретение предназначено для питания диагностической рентгеновской установки повышенной мощности и может быть использовано для получения коротких экспозиционных импульсов.

Известно устройство для питания диагностической рентгеновской трубки, содержащее накопитель энергии, ключевое устройство и нагрузку (11 .

Недостатком такого технического 10 решения является использование индуктивности значительных габаритов, что не позволяет получать импульсы короткой длительности.

При работе питающих устройств, 15 с одной стороны,в режиме рентгенографических снимков нагрузка рентгеновской трубки в.большинстве слу- чаев является кратковременной, но большой мощности (порядка 100 кВт), 20 с другой стороны, в режиме просвечивания обычно применяется длительное включение с низкой, близкой к холостому ходу, нагрузкой, вследствие чего для преобразования накопленной 25 энергии в высокое напряжение вместо обычных полудроводниковых преобразователей частоты непрерывного режима, рассчитанных на заданную мощность и преимущественно работающих на этой 30 мощности, требуется специальный преобразователь, разработанный на двойной режим работы.

Преобразователь должен иметь такое оформление, чтобы он, с одной стороны, использовал по мощности применяемые полупроводники до их динамической предельной нагрузки, работал на частоте низкой или средней, но выше частоты промышленной сети, вырабатывал период или большее число подсчитанных периодов в соответствии с требуемым временем экспозиции и чтобы с другой стороны, вблизи холостого хода при непрерывной нагрузке в режиме .просвечивания обеспечивал работу с небольшими потерями, так как отношение мощностей двух режимов превышает четыре порядка.

Известно также устройство питания диагностической рентгеновской установки, содержащее блок инвертора, питающийся от источника постоянного . тока, подключенный к выходу инвертора регулировочный трансформатор и высоковольтный выпрямитель нагруженный на, по крайней мере, одну рентгеновскую трубку, блок управления, соединенный с. блоком инвертора, причем блок инвертора выполнен по мос841618 товой схеме, состоящей из четырех тиристоров, четырех коммутационных конденсаторов, четырех возвратных диодов, и подключен к шинам питания через инду ктивно связанные коммутационные индуктивности (2) .

Однако выход устройства нагружается не только комплексным сопротивлением нагрузки, зависящим от установленных параметров рентгеновской трубки и появляющимся на первичной обмотке высоковольтного или регулирующего трансформатора, но и неустановившимся сопротивлением реактивного характера из-за переходного процесса, выз ванного остаточной магнитной инду кцией стал ьно го сердечника, при этом ток переходного процесса может в несколько раз превышать пиковое з н ачени е н ачал ьного тока, обусловленного рентгеновской трубкой, вследствие чего требуется переменная 2{) энергия коммутации.

Цель изобретения — повышение КПД, т.е., при переменных условиях коммутации нужно обеспечить передачу большой импульсной мощности при одновременном удовлетворении требований обоих режимов без излишнего увеличения коммутационных потерь в установившемся режиме, при этом ударная нагрузка тиристоров схемы поддерживается в рамках допустимых динамических нагрузок.

Поставленная цель достигается тем, что устройство питания для диагностической рентгеновской установки большой мощности, содержащее блок инвертора, соединенный с источником постоянного тока, подключенный к выходу инвертора регулировочный трансформаTopi с которым соединены главный высоковольтный трансформатор и высоковольтный выпрямитель, нагруженный на, 40 по крайней мере, одну рентгеновскую трубку, блок управления, соединенный с блоком инвертора, который выполнен по мостовой схеме, состоящей из четырех тиристорон, четырех коммутационных конденсаторов, четырех возвратных диодов, и подключен к шинам питания через индуктивно связанные коммутационные катушки индуктивности, параллельно одному из тиристоров включена ветвь, состоящая из последовательно соединенных пятого тиристора, диода и активного резистора йли двухполюсника с индуктивным импедансом, а между общей точкой пятого тиристора, диода и шиной питания включен дополнительный гасящий конденсатор.

Параллельно блоку инвертора включена ветвь, состоящая из последовательно соединенных дополнительного Я тиристора, параллельной цепи, образованной гасящим конденсатором, заряжаемям от вспомогательного источника питания, и диодом, второй параллельной цепи, образованной конденсатором, резистором и гасящей катушкой индуктивности.

Блок инвертора обеспечивает стартстопную работу, при которой в режиме большой мощности вырабатывается на выходе целое число подсчитанных периодов напряжения, погрешность длительности которых зависит только от точности генератора тактовой частоты, выполняющего счет, вследствие чего исключается .погрешность, характерная для цепи выдержки,. применяемой в традиционных рентгеновских генераторах, особенно в диапазоне коротких выдержек.

Возможные пробои в высоковольтных цепях, перегрузка и короткие заьмкания в цепях нагрузки, а также резкое понижение напряжения питающей сети непосредственно перед коммутацией импульсной нагрузки могут привести к неудачной коммутации тиристоров в ветвях инвертора, к перекрытию проводящего состояния тиристоров,что вызывает короткое замыкание между шинами питания инвертора. В отличие от известных схем, применяющих быстроплавкие предохранители для защиты полупроводников, в качестве защиты от состояния перекрытия в предлагаемом устройстве инвертор снабжен электронной схемой защиты от перегрузок и коротких замыканий, которая надежно защищает все элементы рентгеновского аппарата даже в неблагоприятных условиях работы. Такая эффективная защита до сих пор не применялась ни в одном известном рентгеновском аппарате.

Кроме того, для уменьшения потерь в режиме просвечивания, соответствующем почти холостому ходу, блок инвертора дополнительно снабжен выпрямителем, служащим для питания блока инвертора, также становится возможным переключение уровня напряжения без применения сетевого трансформатора.

Источник постоянного тока предлагаемого устройства, подключенный к шинам питания блока инвертора, представляет собой составной трехфазный выпрямительный блок, в котором три диода и три тиристора образуют известную схему трехфазного выпрямительного моста, причем к общей точке трех диодов подключен дополнительный тиристорный ключ, между другим электродом которого и общей точкой тиристоров моста, при совпадении полярности, включен шунтирующий диод. К общей точке тиристорного ключа и шунтирующего диода подключен диод соответственной полярности, другой электрод которого соединен с нулевым проводом сети. К общей точке диодов и тиристорного ключа, а также к общей точке тиристоров моста подключен известный фильтр сглаживания и накопления, сос8416 18 тоящий из дросселя и конденсаторной батареи, а два полюса конденсаторной батареи подключены к шинам питания и н в ерт ор à. Сост ав ной блок выпр ями тел я также соединен с общим блоком управления.

Управляющая часть аппарата предназначена для обеспечения заданной программы управляющих сигналов для осуществления двойного режима работы новой тири сторной схем, для работы в стартстопном импульсном режиме, а также для работы тиристоров дополнительных частей схемы.

На фиг. 1 — блОк-схема устройства питания; на фиг. 2 — принципиальная схема блока инвертора устройства. на фиг. 3 — принципиальная схема составного выпрямительного блока; на фиг.4 временные диаграммы электронного блока управления.

Устройство питания содержит трех- gQ фазную сеть с нулевым проводом 1, подключенную к мостовому выпрямителю

2 и через переключатель 3 режимов просвечивание-снимки ™ — к блоку

4 фильтра сглаживания и накопления, выход которого соединен со входом блока 5 инвертора, выполненного по мостовой схеме, дополненного стартстопной схемой б и схемой 7 электронной защиты от коротких за— рыканий и перегрузок, при этом выход блока 5 инвертора через регулировочный трансформатор 8 (или в обход его) подключен к первичной обмотке высоковольтного трансформатора 9, вто ричные обмотки которого соединены со входом по переменному току высоковольтного выпрямителя 10, также собранного по мостовой схеме, выход .последнего соединен с рентгеновской трубкой 11. Действительное напряже- 4О ние трубки 11 через делитель 12 воспринимается блоком 13 электронного управления, который в соответствии с режимом работы аппарата управляет тиристорами выпрямителя 2, переключателя 3 режимов просвечивания снимки, блока 5 инвертора, стартстопной схемы б и схемы 7 защиты от короткого замыкания. .Блок 5 инвертора (фиг. 2) состо- ит иэ тиристоров 14 — 17, диодов

18 — 21, коммутационных конденсаторов 22 — 25 индуктивно связанных коммутационных катушек индуктивностей 26 и 27, а также дополнительно содержит тиристор 28, диод 29, двух- 55 полюсник 30 для ограничения тока и гасящий конденсатор 31, что в совокупности, при включении параллельно одному из тиристоров, например 16, образует стартстопную схему. 60

Кроме того, параллельно общим точкам ветвей из тиристоров 14 и 15, а также 16 и 17, блок 5 инвертора дополнен последовательной цепочкой, образованной гасящей катушкой 32 индуктивности, параллельным соединением конденсатора 33 и разрядного резистора 34, параллельным соединением гасящего конденсатора 35 и диода 36, препятствующего перезарядке конденсатора, заряжающим конденсатор 35 вспомогательным блоком 37 питания, а также тиристором 38 для защиты от коротких заьыканий, которые в целом образуют схему защиты от перегрузок и коротких замыканий. .Инверторный блок рентгеновского аппарата работает следующим образом.

После подключения напряжения пита- ния под действием сигналов зажигания блока 13 электронного управления в первом полупериоде вырабатываемого напряжения зажигается тиристор 15 моста и тиристор 28 стартстопной схемы б (относительное положение зажигающих импульсов во времени показано на диаграммах а-1 и а-3 фиг. 4).Таким образом, в первом полупериоде работы напряжение питания подключается к выходу блока 5 инвертора через двухполюсник 30 и диод 29, предохраняя схему от образования опасно большого начального тока. В следующем полупериоде сигнал зажигания поступает на тиристоры 14 и 17 (диаграмма а-4 и а-5 на фиг. 4), причем энергия ком-. мутационных конденсаторов 23 и 24 через коммутационные индуктивности

27 и 26 гасит предварительно проводящие тиристоры 15 и 28, и на выходе инвертора 39 изменяется полярность напряжения. В следующих полупериодах сигнал зажигания одновременно проводят уже тиристоры 15 и 16 или 14 и 17, управление которых показано соответственно на диаграммах а-2 и а-3 на фиг. 4 .

Вследствие ограничения начального тока, образующегося при переходном процессе включения, остановка блока

5 инвертора проводится всегда после выработки четного числа полупериодов, т.е. по окончании целого числа полных периодов напряжения, вырабатываемого инвертором, при этом остановка осуществляется либо по команде схемы, отсчитывающей предварительно установленное время выдержки, либо по другой команде останова в блох 13 управления, вырабатывающий сигналы управления для тиристоров, зафиксированное время до окончания актуального четного полупериода поступает сигнал команды Стоп . Под действием этого сигнала в начале следующего нечетного полупериода сигнал зажигания поступает только на тиристоры 16 и 28 (диаграммы а-1 и а-2 на фиг. 4). Таким образом энергия гасящих конденсаторов 22 и

23 запирает все тиристоры, останавливая работу блока 5 инвертора, который возвращается в исходное состояние, т.е. все пять тиристоров

841618

Формула изобретения

1. Устройство питания для диагнос тической рентгеновской установки большой мощности, содержащее блок инвер14-17 и 28 ожидают следующей экспозиции в з апертом состоянии . При помощи старт-стопной схемы 6 можно обеспечить коммутацию начального сверхтока переходного процесса, а также остановку блока 5 инвертора под нагрузкой.. 5

Схема 7 электронной з ащиты от коротких замыканий и перегрузок работает. следующим образом.

При коротком замыкании или перег,рузке электронный блок 13 управления 1О вырабатывает управляющий сигнал для зажигания тиристора 38., который1исполb3уя энергию, накопленную в гасящем конденсаторе 35, заряжаемом от вспомогательного блока питания 37, после зажигания берет на себя ток нагрузки блока 5 инвертора и время перезаряд-. ки конденсаторов 33 и 35, обеспечивая большой период времени для восстановления запирающей способности тиристо-ъо ров 14 — 17 и 28. Одновременно электронный блок 13 управления запрещает сигналы зажигания всех пяти тиристоров блока 5 инвертора, тиристоров мостового выпрямителя 2, тиристора переключателя 3 режима просвечивание-снимки, и к концу длительного времени запирания, обеспечиваемого электронной схемой 7 защиты, все тиристоры окажутся запертыми ° Электрон.ная схема 7 защиты от коротких заь ы- ЗО каний и перегрузок может быть выполнена настолько быстросрабатывающей, что защищает не только силовые полу. проводники от выхода из строя под действием сверктока короткого замы- 35 кания, но даже препятствует сгоранию быстроплавких предохранителей, защищающих полупроводники.

Составной выпрямительный блок содержит выходы для трехфазной сети с 4р нулевым проводом 1, мостовой выпрямитель 2, переключатель 3 режимов просвечивание-снимки, блок 4 фильтра сглаживания и накопления.

Мостовой выпрямитель 2 (фиr. 3) состоит из тиристоров 40 — 42 и диодов

43-45, а переключатель 3 режимов просвечивание-снимки включает в себя тиристор 46 и диод 47, при этом блок 4 фильтра сглаживания и накопления состоит из шунтирующего диода

48, из сглаживающего дросселя 49 и накопительного конденсатора 50.

Блок составного выпрямителя работает следующим образом.

В режиме просвечивания, когда ток 55 нагрузки на несколько порядков ниже тока. в режиме снимков, блок работает как трехфазный трехтактный управляемый выпрямитель, при этом каждый из тиристоров 40 — 42 периодически полу- о; чает сигналы зажигания при меняющемся фазовом угле отсечки 0, измеренном относительно начала отрицательного полупериода напряжения подключенной к данному тиристору фазы питающей сети. Таким образом, после включения все тиристоры 40-42 начинают проводить ток со все большим углом проводимости (диаграмма б-1 на фиг. 4) и постепенно заряжают накопительный конденсатор

50. Заряд продолжается до достижения уровня напряжения, необходимого для генерирования предварительно заданной величины напряжения рентгеновской трубки при просвечивании, в максимальном случае — до достижения в момент амплитудного значения фазного напряжения сети.Это состояние продолжается до прекращения режима просвечивания в момент t, причем урозень напряжения во время просвечивания, т.е. соответствующий ему угол отсечки тиристоров, при необходимости может регулироваться во время работы.

В режиме снимков после включения блок составного выпрямителя совершает состоящий из нескольких стадий ра- . бочий процесс согласно временным диаграммам б — 2 на фиг. 4. В первой стадии вплоть. до момента э выпрямитель, работая как трехтактная схема, благодаря сигналам зажигания тиристоров

40 — 42, охватывающим увеличивающийся угол проводящего состояния, постепенно заряжает накопительный конденсатор

50 до амплитудного значения фазного напряжения питающей сети, после чего угол проводимости тиристоров на короткое время уменьшится. Во второй стадии, начиная с момента t4, тиристор 46 переключателя 3 режимов прбсвечивание-снимки получает непрерывный управляющий сигнал, при этом в схему включается другая половина моста, состоящая из диодов 43 — 45s и отключается диод 47, соединяющий схему с нулевым проводом в режиме просвечивания ° В момент t опять начинается программа зажигания тиристоров

40 — 42 расширяющимися импульсами, под действием которых накопительный конденсатор 50 подзаряжается до амплитудного значения линейного напряжения сети. В момент t наступает последняя стадия, обеспечивающая режим снимков, при котором угол проводимоети тиристоров 40 — 42 изменяется так, что нод действием управляющих сигналов, заполняющих диапазон фазовых углов от 30 до 150, составной выпрямитель работает также, как трехфазный шеститактный выпрямительный мост. Состояние в режиме снимков рентгеновского питающего устройства, требующем большую мощность, продолжается до его выключения в момент

841618

10 тора, соединенный с источником постоянного тока, подключенный к выходу инвертора регулировочный трансформатор, с которым соединены главный высоковольтный трансформатор и -высоковольтный выпрямитель, нагруженный на, по крайней мере, одну рентгеновскую трубку, блок управления, соединенный с блоком инвертора, который выполней по мостовой схеме, состоящей из четырех тиристоров, четырех коммутационных конденсаторов, четы- 1О рех возвратных диодов, и подключен к шинам питания через индуктивно связанные коммутационные катушки индуктивности, о т л и ч а ю щ е е— с я тем, что, с целью повЫшения

КПД, параллельно одному из тиристоров включена ветвь, состоящая из последовательно соединенных пятого тиристора, диода и активного резистора или двухполюсника с индуктивным импедансом, а между общей точкой пятого тиристора, диода и шиной питания включен дополнительный гасящий конденсатор.

2. Устройство по и. 1, о т.л ич.а ю щ е е сятем,,что параллельно блоку инвертора включена ветвь, состоящая из последовательно соединенных дополнительного тиристора, параллельной цепи, образованной гасящим конденсатором, заряжаевым от вспомогательного источника, и диодом, второй параллельной цепи, образованной конденсатором, резистором и гасящей катушкой индуктивности.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Патент Франции Ф 20723б0, кл. Н 03 К 17/00, 29.10.71.

2. Патент Франции М 2073054i кл. Н 05 G 1/00, 29.10.71 °

8416 18 а-1 а-7 а-3 а-4

1о0

Ф

Ю

Ю

5-7 0 -I0 +51, Я,ХЗ

Фиг. 4

Составитель В.Казаков

Редактор С.Роднкова Техред Н. Майорсш Корректор С. Ше кмар, Заказ 4897/86 Тираж 988 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретения и открытиЯ

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д. 4/5 филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4