医療機器の制御システムには多くの干渉が存在し、多くの干渉は電源システムを介して制御システムに侵入し、制御システムに重大な損害を与えます。電源システムの品質は制御システムに直接影響しますので、電源システムの設計時には、制御システムが停電を許さない場合の耐干渉性能や電源システムの冗長設計を考慮する必要があります。
1 電源システムの給電方式
1.1 分相電源方式
電力線による干渉が多く発生するため、干渉が大きい機器は、電源システムの構成において制御系から分離し、別の線から電力を供給する必要があり、シールドケーブルを使用して電力を引き出すことが最適です。図 1 に示すように、配電室から直接電源を供給します。
1.2 計測・制御機器と電源機器の分離電源モード
コンピュータ制御システムにおけるACモーター、コンバーター、電磁弁、ヒーターなどの被制御機器は、大容量のAC電源を使用し、各種負荷の変化が大きく、システムに大きな影響を与え重大な障害を引き起こします。 . 非対称な荷重では、中性点が移動します。計測制御機器に使用される交流低圧電源は、容量は小さいですが、電圧ができるだけ安定し、干渉が少ないことが求められます。したがって、XNUMX つの電源を XNUMX つの電源に統合することは容易ではなく、次の XNUMX つの方法で電源を供給できます。
(1) 電源を配電箱から分離します。計測・制御機器の数が少なく、集中している場合には、病院や分館の主配電箱から直接特別なケーブルを敷設して、計測・制御専用の電子制御配電箱に電力を分配することができます。システムのため、電力負荷を運ぶことができません。図 2 に示すように、電力負荷には配電ボックスから電力を供給する必要があります。つまり、配電ボックスから制御システムや他の電子機器への電力供給は避けるべきです。
(2) 電源トランスは別途電源を供給します。電子制御装置の数が多い場合には、電子制御装置専用の変圧器を装備し、電源として高圧バスを使用するのが最適です。多数の低電圧電力負荷の頻繁な動作によって引き起こされる干渉は、電力網によって分離されて伝送された後に大幅に減衰されるため、高電圧バスバーのノイズは低電圧バスバーのノイズよりも比較的小さくなります。送電網。図 3 に示すように。
AC 電源または DC 電源に関係なく、オーバーライドのトリップにより広い範囲で停電が発生するのを防ぐために、エア スイッチの階層設定と容量に注意を払う必要があります。
1.3 電源容量
計測制御装置が広範囲の負荷変動に適応し、電源による内部干渉を防ぐためには、機械全体の電源に大きな余裕があり、良好な動特性が必要です。もちろん、電源容量を大きくしすぎると大型化やコストアップが避けられませんので、一般的には0.5～1倍程度の余裕を持って選定するのがよいでしょう。
2 電源系の絶縁技術
2.1 AC電源系の絶縁
由于交流电网中存在着大量的谐波、雷击浪涌、高频干扰等噪声，因此，由交流电源供电的控制装置和电子电气设备都应采取抑制措施。采用电源隔离变压器，可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。但是，普通变压器却不能完全起到抗干扰的作用，这是因为，即使一次绕组和二次绕组之间是绝缘的，能够阻止一次侧的噪声电压、电流直接传输到二次侧，有隔离作用。然而，由于分布电容（绕组与铁心之间、绕组之间、层匝之间和引线之间）的存在，交流电网中的噪声会通过分布电容耦合到二次侧。为了抑制噪声，必须在绕组间加屏蔽层，这样就能有效地抑制噪声，消除干扰，提高设备的抗干扰性。图4(a-b)所示为不加屏蔽层和加屏蔽层的隔离变压器分布电容的情况。在图4a中，隔离变压器不加屏蔽层，C12是一次侧和二次侧之间的分布电容，在共模电压u1C的作用下，二次绕组所耦合的共模噪声电压为u2C，C2E 是二次侧的对地电容，则从图可知二次侧的共模噪声电压u2C 为：
u2C ＝u1CC12 ／(C12 ＋C2E)
在图4b中，隔离变压器加屏蔽层，其中C10、C20 分别代表一次侧和二次侧对屏蔽层的分布电容，ZE是屏蔽层的对地阻抗，C2E是二次侧的对地电容，则从图可知二次侧的共模噪声电压u2C 为：
u2C=〔u1CZE/（ZE ＋ 1/jω C10）〕〔C2E/（C20 ＋C2E)〕
C2はシールド層の接地インピーダンスなので、低周波領域ではZE<<(1/j・ω・C10)となるため、u2C→0となります。シールド対策を講じることにより、絶縁トランスを通過するコモンモードノイズ電圧が大幅に低減されていることがわかります。
電源変圧器は電源の主要部品であり、電力網への干渉を抑えるために一般的に絶縁変圧器が使用され、変圧器容量は実際の必要量の1.2～1.5倍程度にする必要があります。使用中、変圧器のシールド層は適切に接地する必要があり、二次コイルの接続線にはツイストペアを使用して電力線間の干渉を減らす必要があります。制御システムのコントローラ電源については、条件が許せば絶縁トランスの前にフィルタを追加することもできますが、このときトランスの一次接続線、二次接続線ともにツイストペア線を使用する必要があります（図5参照）。このようにして、フィルタリングと分離後に干渉信号を大幅に弱めることができ、システムの信頼性が向上します。
大型医療機器の制御システムの電源システムでは、コントローラやI/Oシステムに専用の絶縁トランスを介して電源を供給し、主回路電源から分離する方式が採用されています。電源の特定の部分に障害が発生しても、他の部分には影響しません。たとえば、入力電源と出力電源が遮断された場合でも、コントローラは引き続き電力を供給できるため、図に示すようにシステムの信頼性が向上します。図6.電源の品質が保証されていない場合（長期停電ではない場合）、コントローラは UPS 無停電電源装置を使用できます。つまり、コントローラの前にあるシールド付き変圧器を UPS 無停電安定化電源装置に変更します。一部の重要機器（医療機器など）では、システムの信頼性向上のため、AC電源回路にXNUMXチャンネル電源方式を採用することができます。
図 7 は、AC 電源の干渉防止のための包括的なソリューションを示しています。測定および制御システムを電源グリッドから分離し、共通抵抗によって引き起こされる結合を排除し、負荷変動の影響を軽減するため、安全性を確保するために、電源トランスとローパスの前に 1:1 絶縁トランスが追加されることがよくあります。フィルター。
現在、海外ではノイズ対策に特化した絶縁トランス（略称NCT）の開発に成功しており、巻線とトランス全体にシールド層を設けた多層シールドトランスです。このタイプのトランスは、構造、コアの材質、形状、コイルの位置が特殊で、高周波ノイズの漏れ磁束と巻線との架橋を遮断し、ディファレンシャルモードノイズが二次側に誘導されにくくなっています。したがって、この種のトランスはコモンモードノイズ電圧とディファレンシャルモードノイズ電圧を遮断することができ、理想的な絶縁トランスとなります。
2.2 直流電源系の絶縁
DC電源を絶縁する方法としては、DC-DCコンバータを使用する方法があり、図8(a)に光電アイソレータで絶縁されたユニットへのDC-DCコンバータによる電源供給回路と、入力ループおよび入力ループの電源供給回路を示します。光電アイソレータの出力ループ システムの電源が絶縁されているため、電磁干渉を抑制するシステムの能力が向上します。
制御装置と電気機器の内部サブシステムを絶縁する必要がある場合、それぞれの直流電源も絶縁する必要があり、その絶縁方法を図 8(b)に示します。
3 電源冗長設計技術
3.1 デュアルAC電源冗長設計
電源システムの信頼性を向上させるには、AC 電源システムにデュアル チャネル冗長電源技術を使用するのが最適です。9 つの電源は異なる変電所から供給されます。一方の電源ラインに障害が発生した場合は、その電源ラインも二重化する必要があります。他の電源ラインに自動的に切り替えることができます。図XNUMXにXNUMXチャンネル冗長電源システムの代表的な構成を示しますが、保護回路としては主に不足電圧保護やスイッチング連動などがあります。
3.2 UPSによる冗長設計
無停電電源装置 UPS は、コンピュータにとって効果的な保護装置です。 UPS は高い信頼性を備えていますが、電源条件の変化、UPS 自体の電気機器の老朽化、各部品の早期故障などにより、UPS の故障が発生する可能性があります。制御システムは装置システム全体の心臓部であるため、その安定かつ高信頼性の動作を保証するために、デュアルマシンホットバックアップ、つまり冗長化技術を使用してバックアップマシンUPSの出力側に接続することができます。ホスト UPS 端子の「バイパス電源」入力に接続し、XNUMX 台の UPS の AC 電源入力端子を同じ主電源に接続できます。
通常動作中は、ホスト UPS が負荷電力を供給しますが、ホストに内部障害が発生すると、ホスト UPS の出力端の静的スイッチが自動的にバイパスに切り替わり、バックアップ UPS の出力端が必要な電力を供給します。積み荷。異常状態が解消されると、スタティック スイッチがバイパス バックアップ UPS からホスト UPS のインバータ出力に自動的に移行し、ホスト UPS は負荷に電力を供給し続けます。静的スイッチのスイッチングには、スイッチング中に停電が発生しないように厳密な回路制御が行われています。上記の原理は、停電中に一方の UPS が故障しても、もう一方の UPS が引き続き電力を供給できること、メンテナンス中も UPS 機能が維持されること、両方の UPS の寿命が延長されること、およびホット バックアップ マシンの構造が安全性を確保していることを示しています。停電時に負荷機器が損傷しないこと ホスト障害による停電により、負荷機器がデータ損失、機器損傷、システムクラッシュなどを引き起こさないようにするため。
3.3 デュアル DC 電源の冗長化
図 10 に示すように、XNUMX つの DC 電源をダイオードを介して並列接続することにより、DC 電源システムの信頼性を向上させることができます。 DC 電源に障害が発生した場合でも、システムは動作を継続できます。このとき、導通電圧が非常に近い XNUMX つの独立したダイオードを選択することに注意する必要があります。そうしないと、ダイオードの故障に対処できず、XNUMX つの電源に不均一な負荷が発生します。
4 結論
医療機器制御システムの電源設計技術はシステムの信頼性設計において重要な役割を果たしており、優れた電源技術はシステムへの外部干渉を効果的に抑制します。実際の設計では、アプリケーションシステムの固有の特性とアプリケーション環境の固有の条件のみに基づいて、システム要件を総合的に考慮し、全体として信頼性の高い電源技術を柔軟に選択して、制御システムの信頼性を向上させることができます。 。
