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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：1329
醫(yī)療設(shè)備控制系統(tǒng)存在著許多的干擾，許多干擾會(huì)通過(guò)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(kāi)，由不同的線路供電，最好直接從配電室用屏蔽電纜分開(kāi)引出供電，如圖1 所示
1.2 測(cè)控裝置與動(dòng)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(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生的影響大，干擾嚴(yán)重，而且在不對(duì)稱負(fù)載時(shí)，中性點(diǎn)會(huì)發(fā)生偏移。測(cè)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(kāi)供電方式。當(dāng)測(cè)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(lái)向測(cè)控系統(tǒng)供電，不可帶任何動(dòng)力負(fù)載。而動(dòng)力負(fù)載，應(yīng)從動(dòng)力配電箱供電，即應(yīng)避免從動(dòng)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(kāi)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?dòng)力負(fù)載頻繁操作所產(chǎn)生的干擾，經(jīng)過(guò)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(dòng)力電網(wǎng)比較，其噪聲相對(duì)少些。如圖3 所示。
無(wú)論交流還是直流供電，都必須注意空氣開(kāi)關(guān)的分層設(shè)置和容量的大小，防止出現(xiàn)越級(jí)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(cè)控裝置能適應(yīng)負(fù)載較大范圍變化，防止通過(guò)電源造成內(nèi)部干擾，整機(jī)電源必須留有較大的儲(chǔ)備量，并有較好的動(dòng)態(tài)特性。當(dāng)然，電源容量增加太多，勢(shì)必會(huì)造成體積過(guò)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(huì)通過(guò)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(duì)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(duì)屏蔽層的分布電容，ZE是屏蔽層的對(duì)地阻抗，C2E是二次側(cè)的對(duì)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(duì)地阻抗，在低頻范圍內(nèi)，ZE<<（1/j ω C10），所以u(píng)2C → 0。由此可見(jiàn)，采取屏蔽措施后通過(guò)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(jí)線圈連接線要使用雙絞線，以減少電源線間干擾。對(duì)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(jí)和次級(jí)連接線均要使用雙絞線，如圖5所示。這樣干擾信號(hào)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(kāi)。當(dāng)某一部分電源出了故障時(shí)不會(huì)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(duì)于供電質(zhì)量缺乏保證時(shí)（非長(zhǎng)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(duì)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(cè)控系統(tǒng)和供電電網(wǎng)電源隔離開(kāi)，消除因公共電阻引起的耦合，減少負(fù)載波動(dòng)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(guó)外已研制成功了專門抑制噪聲的隔離變壓器（簡(jiǎn)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(duì)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(duì)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(dòng)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(guò)早失效等都會(huì)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(tái)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(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)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(kāi)關(guān)會(huì)自動(dòng)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(kāi)關(guān)的切換有嚴(yán)格的電路控制，保證不會(huì)在切換時(shí)有任何斷電情況發(fā)生。上述原理說(shuō)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(zhǎng)，熱備份機(jī)的結(jié)構(gòu)可確保負(fù)載設(shè)備不會(huì)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(huì)產(chǎn)生數(shù)據(jù)丟失、設(shè)備損害、系統(tǒng)崩潰等問(wèn)題。
3.3 雙直流電源冗余
采用兩個(gè)直流電源經(jīng)過(guò)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(wú)法進(jìn)行處理，而且還會(huì)造成兩個(gè)電源負(fù)荷不均勻的情況。
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