專利名稱：對感性負載供電的裝置與方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種對主要為感性的負載(例如電線圈)供電的裝置和方法。
技術背景在磁性膠嚢內窺鏡檢查技術中，利用外部強磁場引導適合于進行內窺鏡檢 查的膠嚢經過人體，例如經過腸道，該膠嚢例如包括攝像機、照明裝置、無線 發(fā)射器以及電池。為此使待檢查的患者處在電線圏系統(tǒng)內，該線圈系統(tǒng)的磁場 向膠嚢內安裝的永久磁鐵施加作用力。可以通過外磁場引導膠嚢前進，或者通過旋轉磁場使其轉動。專利文獻DE10142253C1對這一原理進行了詳細描述。對于磁性膠嚢內窺鏡檢查技術而言，必須能夠精確控制外磁場以及流過電 線圏系統(tǒng)的電流。連接的供電裝置是適合于此的，如在磁共振斷層造影中作為 梯度放大器使用的那樣。DE19812069A1公開了 一種這樣的用于梯度線圏的梯 度放大器。但是，如果磁共振斷層造影裝置的梯度線圏的電感為典型的0.5 mH， 則對于磁性膠嚢內窺鏡所使用的梯度線圈而言通常需要大出百倍的電感。因此， 梯度放大器輸出級充電電容器上的電壓變化需要有幾百伏，以便在退磁的時候 將儲存在線圈系統(tǒng)內的全部磁能儲存在充電電容器之中。適用的供電裝置具有可調的電壓源作為輸出級，該輸出級具有足夠的充電 電容器電容以及電容器電壓儲備，以便通過提高電容器電壓的方式從電感性負 載獲取能量。在此通常利用一種電壓恒定的被動的電網部分提供電源電壓，其 缺點在于當磁場隨時間變化時，斷續(xù)地、特別是脈動地從供電網絡消耗電流， 因此導致供電網絡承受不均勻的負荷。發(fā)明內容本發(fā)明的要解決的技術問題是提出 一種可調的供電裝置以及一種相應的 方法，可以使得公共電網的負荷比較均勻。根據(jù)本發(fā)明，上述技術問題通過一種供電裝置以及一種相應的方法來解 決，其中，供電裝置的可控電壓源的電源電壓能夠隨線圏電流變化。相應地，用于至少一個主要為感性的負載的供電裝置包括至少一個利用可變電源電壓饋電的可控電壓源，該電壓源能輸出受控的輸出電壓?？梢愿鶕?jù)流過主要為感性的負載的電流來調節(jié)該電壓源的電源電壓。根據(jù)本發(fā)明所述的 一 種擴展，將充電電容器與電壓源的電源電壓輸入端并聯(lián)。這樣調節(jié)電源電壓，使其等于電壓源的充電電容器上的當前電壓。 本發(fā)明具有使公共電網均勻承受負荷的優(yōu)點。本發(fā)明的另一個優(yōu)點在于可以預先設定充電電容器的充電狀態(tài)，從而始 終能夠提供所需的線圈電流。供電裝置可以具有提供電源電壓的直流電壓源以及調節(jié)單元，在此可以通 過調節(jié)單元這樣調節(jié)直流電壓源，使其能夠輸出期望的電源電壓。供電裝置還可以具有多個串聯(lián)的可控電壓源。在磁膠嚢內窺鏡裝置中可以使用一個或者多個供電裝置，并且至少對一個 梯度線圈提供線圈電流，通過該梯度線圈的磁場可以使磁內窺鏡膠嚢移動。使用膠嚢內窺鏡檢查的優(yōu)點在于可以產生使磁內窺鏡膠嚢旋轉的旋轉磁 場，而不會導致公共電網承受不均勻的負荷。本發(fā)明同樣也提出了 一種相應的方法。
以下根據(jù)示意性附圖，對本發(fā)明的實施例進行解釋，從中可以清楚看出本 發(fā)明的其它特點。在附圖中圖1示出了供電裝置的電路圖，以及圖2示出了供電裝置的電流和電壓變化曲線。
具體實施方式
圖1所示為根據(jù)本發(fā)明的用于主要為感性的負載1(例如用來使磁內窺鏡 膠嚢移動的梯度線圏)的供電裝置的電路框圖，包括用來產生輸出電壓Ua的 可控電壓源10，由直流電壓源5 (也稱作DC/DC轉換器)向該可控電壓源饋入 電源電壓U。和電源電流i。。由7>共電網8對該直流電壓源5供以三相交流電壓。流過感性負載1的隨時間變化的線圈電流il由電流測量裝置2來測量，并且將電流測量值21傳送給分析單元3。在分析單元3中根據(jù)電流測量值21確定電
源電壓Uo的電壓額定值31，并且將其傳送給直流調節(jié)單元4。使用電壓測量 裝置6測定電源電壓Uo的當前值。所測定的電壓值61也同樣被傳送給直流調 節(jié)單元4。通過比較電壓額定值31與當前電壓值61,在直流調節(jié)單元4內形成 調節(jié)信號41,該信號這樣控制直流電壓源5,使得電源電壓U。始終等于電壓額 定值31。設在直流電壓源5和電壓源10之間線路中的二極管7用來阻止電流從電 壓源10流入直流電壓源5。如果直流電壓源5的結構型式能夠避免這一現(xiàn)象， 或者預期不會產生負面影響，也可省略該二極管7?？煽氐碾妷涸?0包括由可調電源電壓Uo供電的功率橋式電路11, ...， 18。 此外，在可控電壓源10中還設置有與電源電壓Uo并聯(lián)的充電電容器19，該電 容器具有足夠的容量C和電容器電壓儲備Uc，以便能夠通過提高電容器電壓 Uc從感性負載1獲取能量?？煽仉妷涸?0的功率橋式電路11， ...， 18具有四個開關元件11、 12、 13、 14，它們例如是叩n雙極型晶體管、MOS-FET或者IGBT。續(xù)流二極管15、 16、 17、 18分別與開關元件11、 12、 13、 14并聯(lián)。每兩個開關元件11、 14以及 12、 13串聯(lián)在一起，以便在電源電壓Uo的兩極之間分別形成一個橋路。在該 電橋對角線支路上可以量取電壓源IO的輸出電壓UA。由圖中并未繪出的控制 電^各對開關元件11、 12、 13、 14進行控制，該控制電路例如可以向開關元件 11、 12、 13、 14提供脈沖寬度調制的控制信號。根據(jù)本發(fā)明的電壓額定值31根據(jù)下列已知電氣參數(shù)推導出lL(t):隨時間t變化的當前線圈電流k,C:可控電壓源IO的充電電容器19的電容量，L:感性負載1的電感，Umin:輸出電壓UA的最小值，其至少應滿足感性負載的歐姆電阻的電壓需求，Imax:預先設定的最大線圏電流IL，Uc(t):充電電容器19上隨時間t變化的電壓。 若將歐姆損耗忽略不計，則根據(jù)能量守恒定律可知 [l/2*L*Imax2] - [1/2* L*IL(t)2] = [l/2*C*Uc(t)2] - [l/2*C*Umin2]。 其中[l/2*L*Imax2]:感性負載1在最大線圏電流Imax下的磁場能量，:感性負載1在時刻t的磁場能量， [l/2*C*Uc(t)2]:充電電容器19在時刻t的能量， [l/2*C*Umin2]:充電電容器19在最小輸出電壓U柚下的能量。 根據(jù)電容器上隨時間變化的電壓解得 Uc(t)={l/C*[L*W2- L*IL(t)2 + C*Umin2]}-1/2 。如果調節(jié)得恰到好處，則電壓額定值31等于充電電容器19上的理想電壓 Uc(t)，由此使得電源電壓Uo同樣跟隨充電電容器19上的理想電壓Uc(t)。這樣 就使得直流電壓源5以理想方式連續(xù)補償恰好所需的功率損耗，包括電壓源10 的開關損耗。由此可避免公共電網8承受沖擊性負荷。為了形成感性負載1隨時間變化的正弦形磁場，必須使用適當?shù)拿}沖寬度 調制來控制開關元件ll、 12、 13、 14，以便產生正弦形的線圈電流IL。相應的 信號變化特征曲線在圖2中示出。圖2示意性并理想化地示出線圏電流lL、線圈電壓UL(圖1中沒有繪出)、電源電壓UQ以及電源電流IQ隨時間變化的曲線。在時間段101中線圈電流IL為零，線圏電壓UL為零，電源電壓Uo為最大值，且電源電流1。近似為零，因為只須彌補可控電壓源10在空載狀態(tài)下的開 關損耗。充電電容器19在時間段101之前就已經充電到最大容量。在時間段102中正弦形的線圈電流lL開始，線圈電壓Ul在其自感作用下 躍變到最大值，然后以正弦波形減小，直至線圈電流IL達到峰值Imax。電源電 壓Uo以近似于余弦函數(shù)的波形逐漸減小到最小電源電壓，該最小電源電壓等于 輸出電壓Ua的最小植Umin。電源電流Io以正弦函數(shù)的波形逐漸增大到峰值， 該峰值足以彌補歐姆損耗。形成感性負載l的^f茲場所需的全部能量從已經充電 的充電電容器19獲取。在時間段103的開始線圈電壓UL為零，且在時間段103中變?yōu)樨撝?，?為線圈電流It在減小。感性負載1的磁場中所儲存的能量被重新傳輸?shù)娇煽仉?壓源IO的充電電容器19之中，使得充電電容器19上的電壓Uc在時間段103 末端上升到最大值。根據(jù)本發(fā)明，電源電源Uo跟隨充電電容器19上的電壓Uc變化。電源電流Io逐漸減小到能夠彌補損耗的最小值。線圏電壓UL在時間段103末端已經達到其負的峰值。在時間段104的開始線圈電流IL變?yōu)樨撝怠榇怂璧哪芰繌囊呀洺潆姷?充電電容器19獲取，從而使充電電容器19放電。充電電容器19上的電壓Uc 以及跟隨其變化的電源電壓Uo在時間段104末端重新達到最小值Umin。 電源 電流I。從時間段104開始僅用來彌補感性負載1的歐姆損耗功率，以及彌補可 控電壓源IO的開關損耗。在時間段105中重新釋放感性負載1的磁場的能量，并且將其傳輸?shù)匠潆?電容器19,從而使得充電電容器19上的電壓Uc以及由此使電源電壓U()重新 升高。在時間段105末端磁場的能量重新回到充電電容器19之中。利用已知的擺率(Slewrate)限制方法，可以例如在接通本發(fā)明所述的電 源供應裝置時，阻止直流電壓源5從公共電網8中獲取不允許的功率。由于線 圈電流L為零，直流電壓源5將會試圖立即將充電電容器19充電到電源電壓 Uo的最大值。通過限制電源電壓Uo的升高來限制公共電網8所承受的負荷。 也可以選擇限制來自公共電網8的電流或者電源電流10。本發(fā)明所述的供電裝置也可以具有多個由直流電壓源5供電的、串聯(lián)的受 控電壓源10?？梢酝ㄟ^整流器對這些電壓源IO進行浮置(potenzialfrei)供電， 該整流器是位于變壓器的次級線圈，該變壓器由逆變器在初級側驅動，而該逆 變器由直流電壓源5供電。為了產生例如用來使磁性內窺鏡膠嚢旋轉的旋轉磁場，至少應將兩個本發(fā) 明所述的供電裝置分別與一個感性負載l彼此錯開排列，并且用具有適當相位 差的正弦形線圏電流IL對其進行供電。
權利要求
1. 一種用于至少一個主要為感性的負載(1)的供電裝置，包括至少一個利用電源電壓(U0)進行饋電的可控電壓源(10)，該電壓源提供受控的向該感性負載(1)供電的輸出電壓(UA)，其特征在于，所述電壓源(10)的電源電壓(U0)是可變的，并且對所述電源電壓(U0)可以根據(jù)流過主要為感性的負載(1)的電流(IL)進行調節(jié)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的供電裝置，其特征在于，充電電容器(19)與所 述電壓源(10)的電源電壓(Uo)輸入端并聯(lián)，并且該充電電容器(19)中的 能量儲備可以根據(jù)流過主要為感性的負載(1)的電流(k)來改變。
3. 根據(jù)權利要求1或2所述的供電裝置，其特征在于，設置有提供所述電 源電壓(Uo)的直流電壓源(5)、調節(jié)單元(4)以及分析單元(3),并且這樣 構造該調節(jié)單元(4),使得可以通過該調節(jié)單元(4)相應于由流過主要為感性 的負載(1)的電流(IL)確定的分析單元(3)的設定值，對該直流電壓源(5) 進行調節(jié)。
4. 根據(jù)權利要求3所述的供電裝置，其特征在于，所述分析單元(3)根 據(jù)流過主要為感性的負載(1)的電流(Il)這樣計算所述調節(jié)單元(4)的電 壓額定值(31),使得直流電壓源(5)的瞬時功率負荷基本上等于該感性負載 (1)的歐姆損耗所引起的有功功率部分，以及電壓源(10)的瞬時開關損耗。
5. 根據(jù)權利要求3或4所述的供電裝置，其特征在于，所述分析單元(3) 根據(jù)流過主要為感性的負載(1)的電流(Il)這樣計算所述調節(jié)單元(4)的 電壓額定值(31),使得該感性負載(1)的磁能主要來自于充電電容器(19) 或者回饋到該電容器(19)，而無需由直流電壓源(5)提供無功功率的主要部 分。
6. 根據(jù)上述權利要求中任一項所述的供電裝置，其特征在于，可以串聯(lián)多 個可控電壓源(10)。
7. —種磁膠嚢內窺鏡檢查設備，包括至少一個根據(jù)上述權利要求中任一項 所述的供電裝置(10)，該供電裝置向至少一個梯度線圈(1 )供應線圏電流(lL)， 其中，通過該梯度線圏(1)的磁場可以使磁內窺鏡膠嚢移動。
8. —種利用至少一個電源電壓(Uo)對至少一個主要為感性的負載(1)進行供電的方法，其特征在于，是可變的，并且可以根據(jù)流過主要為感性的負 載(1)的電流(IL)對該電源電壓(U0)進行調節(jié)。
9. 根據(jù)權利要求8所述的方法，其特征在于，這樣調節(jié)所述電源電壓(U0 )， 使其等于供電裝置的充電電容器(19)上的計算出的電壓。
10. —種用于磁膠嚢內窺鏡檢查的方法，其特征在于，使用權利要求8 或9所述的方法進行供電。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于主要為感性的負載(1)、尤其是用于磁膠囊內窺鏡檢查裝置內的梯度線圈的供電裝置以及相應的方法，包括利用可變電源電壓(U<sub>0</sub>)饋電的可控電壓源(10)，由該電壓源輸出受控的輸出電壓(U<sub>A</sub>)。根據(jù)流過主要為感性的負載(1)的電流(I<sub>L</sub>)這樣調節(jié)電源電壓(U<sub>0</sub>)，使其跟隨供電裝置的充電電容器(19)上的電壓變化。
文檔編號A61B5/055GK101399521SQ20081017373
公開日2009年4月1日 申請日期2008年6月12日 優(yōu)先權日2007年6月12日
發(fā)明者赫爾穆特·倫茲 申請人:西門子公司