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醫(yī)療設(shè)備控制系統(tǒng)電源設(shè)計(jì)探討
Date:2020-06-14Click:1271
醫(yī)療設(shè)備控制系統(tǒng)存在著許多的干擾,許多干擾會通過電源系統(tǒng)進(jìn)入控制系統(tǒng)內(nèi)部,給控制系統(tǒng)造成嚴(yán)重的危害。供電系統(tǒng)的好壞將直接影響到控制系統(tǒng),在設(shè)計(jì)供電系統(tǒng)時(shí)應(yīng)考慮抗干擾性以及控制系統(tǒng)在不允許斷電時(shí)電源系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)等。
1 電源系統(tǒng)的供電方式
1.1分相供電方式
由于很多干擾是由電源線引入的,因此在供電電源系統(tǒng)配置上應(yīng)把產(chǎn)生干擾較大的設(shè)備與控制系統(tǒng)分開,由不同的線路供電,最好直接從配電室用屏蔽電纜分開引出供電,如圖1 所示
1.2 測控裝置與動力設(shè)備分別供電方式
計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)中的被控設(shè)備,如交流電機(jī)、變流裝置、電磁閥、加熱器等所用的交流電源容量較大,各種負(fù)載變化較大,對系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大,干擾嚴(yán)重,而且在不對稱負(fù)載時(shí),中性點(diǎn)會發(fā)生偏移。測控裝置使用的交流低壓電源容量小,但要求電壓盡量穩(wěn)定,干擾盡量小。因此,兩種電源不易合一供電,可以采用以下兩種方式供電。
(1)配電箱分開供電方式。當(dāng)測控裝置較少且集中時(shí),可直接從醫(yī)院或分樓主配電箱敷設(shè)專用電纜向電子控制電源配電箱配電,該配電箱專用來向測控系統(tǒng)供電,不可帶任何動力負(fù)載。而動力負(fù)載,應(yīng)從動力配電箱供電,即應(yīng)避免從動力配電箱向控制系統(tǒng)及其它電子設(shè)備裝置供電,如圖2 所示。
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(2)電源變壓器分開供電。當(dāng)電子控制裝置較多時(shí),可配備專用的電子控制裝置變壓器,最好用高壓的母線供電。因?yàn)榇罅康牡蛪簞恿ω?fù)載頻繁操作所產(chǎn)生的干擾,經(jīng)過電網(wǎng)的隔離傳遞后將有很大的衰減,所以較高電壓的母線與低壓動力電網(wǎng)比較,其噪聲相對少些。如圖3 所示。
無論交流還是直流供電,都必須注意空氣開關(guān)的分層設(shè)置和容量的大小,防止出現(xiàn)越級跳閘引起更大面積斷電的情況。
1.3 電源功率容量
為了使測控裝置能適應(yīng)負(fù)載較大范圍變化,防止通過電源造成內(nèi)部干擾,整機(jī)電源必須留有較大的儲備量,并有較好的動態(tài)特性。當(dāng)然,電源容量增加太多,勢必會造成體積過大,成本增加,一般應(yīng)選取0.5~1倍裕量。
2 電源系統(tǒng)的隔離技術(shù)
2.1 交流供電系統(tǒng)的隔離
由于交流電網(wǎng)中存在著大量的諧波、雷擊浪涌、高頻干擾等噪聲,因此,由交流電源供電的控制裝置和電子電氣設(shè)備都應(yīng)采取抑制措施。采用電源隔離變壓器,可以有效地抑制竄入交流電源中的噪聲干擾。但是,普通變壓器卻不能完全起到抗干擾的作用,這是因?yàn)?,即使一次繞組和二次繞組之間是絕緣的,能夠阻止一次側(cè)的噪聲電壓、電流直接傳輸?shù)蕉蝹?cè),有隔離作用。然而,由于分布電容(繞組與鐵心之間、繞組之間、層匝之間和引線之間)的存在,交流電網(wǎng)中的噪聲會通過分布電容耦合到二次側(cè)。為了抑制噪聲,必須在繞組間加屏蔽層,這樣就能有效地抑制噪聲,消除干擾,提高設(shè)備的抗干擾性。圖4(a-b)所示為不加屏蔽層和加屏蔽層的隔離變壓器分布電容的情況。在圖4a中,隔離變壓器不加屏蔽層,C12是一次側(cè)和二次側(cè)之間的分布電容,在共模電壓u1C的作用下,二次繞組所耦合的共模噪聲電壓為u2C,C2E 是二次側(cè)的對地電容,則從圖可知二次側(cè)的共模噪聲電壓u2C 為:
u2C =u1CC12 /(C12 +C2E)
在圖4b中,隔離變壓器加屏蔽層,其中C10、C20 分別代表一次側(cè)和二次側(cè)對屏蔽層的分布電容,ZE是屏蔽層的對地阻抗,C2E是二次側(cè)的對地電容,則從圖可知二次側(cè)的共模噪聲電壓u2C 為:
u2C=〔u1CZE/(ZE + 1/jω C10)〕〔C2E/(C20 +C2E)〕
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由于C2是屏蔽層的對地阻抗,在低頻范圍內(nèi),ZE<<(1/j ω C10),所以u2C → 0。由此可見,采取屏蔽措施后通過隔離變壓器的共模噪聲電壓被大大地削弱了。
電源變壓器是電源部分的主要元件,為了抑制電網(wǎng)中的干擾,一般選用隔離變壓器,且變壓器容量應(yīng)比實(shí)際需要大1.2~1.5倍左右。在使用中應(yīng)要求變壓器的屏蔽層良好接地,次級線圈連接線要使用雙絞線,以減少電源線間干擾。對于控制系統(tǒng)的控制器電源,如果條件許可,還可在隔離變壓器前加入濾波器,此時(shí)變壓器的初級和次級連接線均要使用雙絞線,如圖5所示。這樣干擾信號經(jīng)濾波隔離后可大大減弱,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性。
大型醫(yī)療設(shè)備控制系統(tǒng)供電系統(tǒng)可采用如下方式,控制器和I/O系統(tǒng)分別由各自的隔離變壓器供電,并與主電路電源分開。當(dāng)某一部分電源出了故障時(shí)不會影響其它部分,如輸入、輸出供電中斷時(shí),控制器仍能繼續(xù)供電,提高了系統(tǒng)的可靠性,如圖6所示。對于供電質(zhì)量缺乏保證時(shí)(非長時(shí)間停電),控制器可利用UPS不間斷電源供電,即將控制器前面的屏蔽變壓器改為UPS不間斷穩(wěn)壓電源。對于一些重要的設(shè)備(醫(yī)療設(shè)備等),為了提高系統(tǒng)的可靠性,交流供電電路可采用雙路供電系統(tǒng).
為了將測控系統(tǒng)和供電電網(wǎng)電源隔離開,消除因公共電阻引起的耦合,減少負(fù)載波動的影響,同時(shí)也為了安全,常常在電源變壓器和低通濾波器之前增加一個(gè)1:1隔離變壓器。
目前,國外已研制成功了專門抑制噪聲的隔離變壓器(簡稱NCT),這是一種繞組和變壓器整體都有屏蔽層的多層屏蔽變壓器。這類變壓器的結(jié)構(gòu),鐵心材料、形狀及其線圈位置都比較特殊,它可以切斷高頻噪聲漏磁通和繞組的交鏈,從而使差模噪聲不易感應(yīng)到二次側(cè),故這種變壓器既能切斷共模噪聲電壓,又能切斷差模噪聲電壓,是比較理想的隔離變壓器。
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2.2 直流供電系統(tǒng)的隔離
隔離直流電源的方法是使用DC-DC 變換器,圖8(a)給出了利用DC-DC變換器對被光電隔離器隔離的單元進(jìn)行供電電路,光電隔離器的輸入回路和輸出回路的供電系統(tǒng)電源已被隔離,這樣可以較好地提高系統(tǒng)對電磁干擾的抑制能力。
當(dāng)控制裝置和電氣設(shè)備的內(nèi)部子系統(tǒng)之間需要相互隔離時(shí),它們各自的直流供電電源間也應(yīng)該相互隔離,其隔離方式如圖8(b)所示。
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3 電源的冗余設(shè)計(jì)技術(shù)
3.1 雙交流電源冗余設(shè)計(jì)
為了提高供電系統(tǒng)工作的可靠性,交流供電系統(tǒng)最好采用雙路冗余供電技術(shù),兩路電源分別引自不同的變電站,當(dāng)一路供電線路出現(xiàn)故障時(shí),要能自動切換到另一條供電線路。如圖9所示是雙路冗余供電系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu),保護(hù)電路主要有欠壓保護(hù)、切換互鎖等方法。
3.2 使用UPS的冗余設(shè)計(jì)
不間斷電源UPS 是計(jì)算機(jī)的有效保護(hù)裝置。UPS雖然可靠性很高,但由于供電條件的變化,UPS本身電器裝置的老化,個(gè)別元件過早失效等都會引起UPS故障。由于控制系統(tǒng)屬于整個(gè)設(shè)備系統(tǒng)的心臟,為了保證其穩(wěn)定及高可靠地工作,可采用雙機(jī)熱備份,即冗余技術(shù),把備用機(jī)UPS的輸出端接至主機(jī)UPS 的“旁路電源”輸入端,而兩臺UPS的交流電源輸入端可接至同一市電電源。
正常工作時(shí),由主機(jī)UPS提供負(fù)載電源,當(dāng)主機(jī)內(nèi)部出現(xiàn)故障時(shí),主機(jī)UPS的輸出端靜態(tài)開關(guān)會自動切換到旁路,備用機(jī)UPS的輸出端提供負(fù)載所需電源。當(dāng)異常狀況消除后,靜態(tài)開關(guān)會自動從旁路備用UPS轉(zhuǎn)入主機(jī)UPS的逆變器輸出端,由主機(jī)UPS繼續(xù)為負(fù)載提供電源。靜態(tài)開關(guān)的切換有嚴(yán)格的電路控制,保證不會在切換時(shí)有任何斷電情況發(fā)生。上述原理說明,停電時(shí),一部UPS 故障,另一部仍可供電;維護(hù)時(shí),仍保持UPS功能;兩部UPS壽命皆延長,熱備份機(jī)的結(jié)構(gòu)可確保負(fù)載設(shè)備不會在市電停電時(shí)因主機(jī)故障而斷電,以確保負(fù)載設(shè)備不會產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失、設(shè)備損害、系統(tǒng)崩潰等問題。
3.3 雙直流電源冗余
采用兩個(gè)直流電源經(jīng)過二極管并接的方法,可以提高直流供電系統(tǒng)的可靠性,如圖10所示。當(dāng)一個(gè)直流電源出現(xiàn)故障時(shí)系統(tǒng)仍能繼續(xù)工作。這時(shí),要注意選用兩個(gè)獨(dú)立的、導(dǎo)通電壓很接近的二極管;否則,當(dāng)出現(xiàn)一個(gè)二極管故障時(shí)無法進(jìn)行處理,而且還會造成兩個(gè)電源負(fù)荷不均勻的情況。