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医疗设备控制系统电源设计探讨
医疗设备控制系统存在着许多的干扰,许多干扰会通过电源系统进入控制系统内部,给控制系统造成严重的危害。供电系统的好坏将直接影响到控制系统,在设计供电系统时应考虑抗干扰性以及控制系统在不允许断电时电源系统的冗余设计等。
1 电源系统的供电方式
1.1分相供电方式
由于很多干扰是由电源线引入的,因此在供电电源系统配置上应把产生干扰较大的设备与控制系统分开,由不同的线路供电,最好直接从配电室用屏蔽电缆分开引出供电,如图1 所示
                     

1.2 测控装置与动力设备分别供电方式
计算机控制系统中的被控设备,如交流电机、变流装置、电磁阀、加热器等所用的交流电源容量较大,各种负载变化较大,对系统产生的影响大,干扰严重,而且在不对称负载时,中性点会发生偏移。测控装置使用的交流低压电源容量小,但要求电压尽量稳定,干扰尽量小。因此,两种电源不易合一供电,可以采用以下两种方式供电。
(1)配电箱分开供电方式。当测控装置较少且集中时,可直接从医院或分楼主配电箱敷设专用电缆向电子控制电源配电箱配电,该配电箱专用来向测控系统供电,不可带任何动力负载。而动力负载,应从动力配电箱供电,即应避免从动力配电箱向控制系统及其它电子设备装置供电,如图2 所示。
                         
(2)电源变压器分开供电。当电子控制装置较多时,可配备专用的电子控制装置变压器,最好用高压的母线供电。因为大量的低压动力负载频繁操作所产生的干扰,经过电网的隔离传递后将有很大的衰减,所以较高电压的母线与低压动力电网比较,其噪声相对少些。如图3 所示。
                            
 
无论交流还是直流供电,都必须注意空气开关的分层设置和容量的大小,防止出现越级跳闸引起更大面积断电的情况。
1.3 电源功率容量
为了使测控装置能适应负载较大范围变化,防止通过电源造成内部干扰,整机电源必须留有较大的储备量,并有较好的动态特性。当然,电源容量增加太多,势必会造成体积过大,成本增加,一般应选取0.5~1倍裕量。
2 电源系统的隔离技术
2.1 交流供电系统的隔离
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)〕
                       
 
由于C2是屏蔽层的对地阻抗,在低频范围内,ZE<<(1/j ω C10),所以u2C → 0。由此可见,采取屏蔽措施后通过隔离变压器的共模噪声电压被大大地削弱了。
电源变压器是电源部分的主要元件,为了抑制电网中的干扰,一般选用隔离变压器,且变压器容量应比实际需要大1.2~1.5倍左右。在使用中应要求变压器的屏蔽层良好接地,次级线圈连接线要使用双绞线,以减少电源线间干扰。对于控制系统的控制器电源,如果条件许可,还可在隔离变压器前加入滤波器,此时变压器的初级和次级连接线均要使用双绞线,如图5所示。这样干扰信号经滤波隔离后可大大减弱,增强了系统的可靠性。
                        
大型医疗设备控制系统供电系统可采用如下方式,控制器和I/O系统分别由各自的隔离变压器供电,并与主电路电源分开。当某一部分电源出了故障时不会影响其它部分,如输入、输出供电中断时,控制器仍能继续供电,提高了系统的可靠性,如图6所示。对于供电质量缺乏保证时(非长时间停电),控制器可利用UPS不间断电源供电,即将控制器前面的屏蔽变压器改为UPS不间断稳压电源。对于一些重要的设备(医疗设备等),为了提高系统的可靠性,交流供电电路可采用双路供电系统.
                        
 
图7 为交流电源抗干扰的综合方案。为了将测控系统和供电电网电源隔离开,消除因公共电阻引起的耦合,减少负载波动的影响,同时也为了安全,常常在电源变压器和低通滤波器之前增加一个1:1隔离变压器。
目前,国外已研制成功了专门抑制噪声的隔离变压器(简称NCT),这是一种绕组和变压器整体都有屏蔽层的多层屏蔽变压器。这类变压器的结构,铁心材料、形状及其线圈位置都比较特殊,它可以切断高频噪声漏磁通和绕组的交链,从而使差模噪声不易感应到二次侧,故这种变压器既能切断共模噪声电压,又能切断差模噪声电压,是比较理想的隔离变压器。
                       
 
2.2 直流供电系统的隔离
隔离直流电源的方法是使用DC-DC 变换器,图8(a)给出了利用DC-DC变换器对被光电隔离器隔离的单元进行供电电路,光电隔离器的输入回路和输出回路的供电系统电源已被隔离,这样可以较好地提高系统对电磁干扰的抑制能力。
当控制装置和电气设备的内部子系统之间需要相互隔离时,它们各自的直流供电电源间也应该相互隔离,其隔离方式如图8(b)所示。
                      
 
3 电源的冗余设计技术
3.1 双交流电源冗余设计
为了提高供电系统工作的可靠性,交流供电系统最好采用双路冗余供电技术,两路电源分别引自不同的变电站,当一路供电线路出现故障时,要能自动切换到另一条供电线路。如图9所示是双路冗余供电系统的典型结构,保护电路主要有欠压保护、切换互锁等方法。
                      
 
3.2 使用UPS的冗余设计
不间断电源UPS 是计算机的有效保护装置。UPS虽然可靠性很高,但由于供电条件的变化,UPS本身电器装置的老化,个别元件过早失效等都会引起UPS故障。由于控制系统属于整个设备系统的心脏,为了保证其稳定及高可靠地工作,可采用双机热备份,即冗余技术,把备用机UPS的输出端接至主机UPS 的“旁路电源”输入端,而两台UPS的交流电源输入端可接至同一市电电源。
正常工作时,由主机UPS提供负载电源,当主机内部出现故障时,主机UPS的输出端静态开关会自动切换到旁路,备用机UPS的输出端提供负载所需电源。当异常状况消除后,静态开关会自动从旁路备用UPS转入主机UPS的逆变器输出端,由主机UPS继续为负载提供电源。静态开关的切换有严格的电路控制,保证不会在切换时有任何断电情况发生。上述原理说明,停电时,一部UPS 故障,另一部仍可供电;维护时,仍保持UPS功能;两部UPS寿命皆延长,热备份机的结构可确保负载设备不会在市电停电时因主机故障而断电,以确保负载设备不会产生数据丢失、设备损害、系统崩溃等问题。
3.3 双直流电源冗余
采用两个直流电源经过二极管并接的方法,可以提高直流供电系统的可靠性,如图10所示。当一个直流电源出现故障时系统仍能继续工作。这时,要注意选用两个独立的、导通电压很接近的二极管;否则,当出现一个二极管故障时无法进行处理,而且还会造成两个电源负荷不均匀的情况。
                          
 
4 结束语
医疗设备控制系统的供电设计技术在系统可靠性设计中占有重要地位,好的供电技术,可以有效地抑制外界对系统造成的干扰。在实际设计中只有根据应用系统的具体特点和应用环境的具体条件,综合地考虑系统的要求,从整体上灵活地选择可靠的供电技术来提高控制系统的可靠性。

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