UPS供電系統(tǒng)在醫(yī)療設(shè)備上的應(yīng)用

王燕妮李傳偉

1 威海市立醫(yī)院 (威海 264200)

2 威海職業(yè)學(xué)院 (威海 264200)

UPS供電系統(tǒng)在醫(yī)療設(shè)備上的應(yīng)用

王燕妮1李傳偉2

1 威海市立醫(yī)院 (威海 264200)

2 威海職業(yè)學(xué)院 (威海 264200)

大型醫(yī)療設(shè)備正常運(yùn)轉(zhuǎn)，電源問(wèn)題是關(guān)鍵問(wèn)題之一。UPS(不間斷電源)作為一種性能優(yōu)良的供電電源，對(duì)醫(yī)用設(shè)備的正常、安全運(yùn)行方面起著重要的保障作用。本文結(jié)合大型醫(yī)療設(shè)備實(shí)際應(yīng)用情況，簡(jiǎn)要介紹UPS電源基本功能和類(lèi)型，并對(duì)配電系統(tǒng)的改造方案等進(jìn)行了探討。

醫(yī)療設(shè)備 配電系統(tǒng) UPS電源 冗余

Abstract:In the normal operation of large medical equipment, power problem is one of the key issues. UPS (uninterruptible power supply)as a good performance of the power supply, for medical equipment, normal, safe operation plays an important role in safeguarding.In this paper, the practical application of large-scale medical equipment, UPS power supply briefy introduced the basic functions and types, and distribution systems rehabilitation programs, etc. were discussed.

Key words:medical equipment, power distribution system, UPS power, redundancy

0 前言

醫(yī)院醫(yī)用設(shè)備的正常運(yùn)行必須要有穩(wěn)定、可靠的電源作保障，故供電電源質(zhì)量的優(yōu)劣直接關(guān)系到醫(yī)用設(shè)備的使用，尤其是大型及高、精、尖醫(yī)用設(shè)備對(duì)供電電源的質(zhì)量有更高的要求。

UPS(Uninterruptible Power System)稱(chēng)為不間斷電源，這種UPS的簡(jiǎn)單原理是將市電輸入U(xiǎn)PS后經(jīng)過(guò)整流變換成直流電，一路給充電器為電池充電，另一路提供直流電壓給逆變器工作，逆變器將直流電變換成穩(wěn)壓、穩(wěn)頻、純凈的50 Hz交流電，向負(fù)載供電。當(dāng)市電異?；蚬╇娭袛鄷r(shí)，逆變器改由電池提供能量繼續(xù)工作，這樣逆變器始終處于工作狀態(tài)，保證無(wú)間斷地給用電設(shè)備供電。最初大都用于計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的供電電源，而如今醫(yī)院對(duì)比較重要的醫(yī)用設(shè)備也采用UPS作為供電電源。

供電質(zhì)量的好壞將可直接影響MRI、CT等大型醫(yī)療設(shè)備的正常使用，因此必須有效地改善醫(yī)療設(shè)備的供電質(zhì)量。要改善醫(yī)療設(shè)備的供電質(zhì)量，我們最快想到的是在設(shè)備前加裝穩(wěn)壓器，加裝穩(wěn)壓雖然可以改善部分供電質(zhì)量，但從分析來(lái)看，一般的電力穩(wěn)壓器只能解決供電網(wǎng)絡(luò)中的電壓波動(dòng)和濾除部分雜波干擾，而對(duì)醫(yī)療設(shè)備造成危害的最關(guān)鍵問(wèn)題，如奇次諧波頻率偏移，供電中斷、尖峰、浪涌等特殊干擾則無(wú)能為力。這樣，在設(shè)備前加裝穩(wěn)壓器是不能徹底解決供電質(zhì)量問(wèn)題的。因此，只有配置UPS才能真正解決這一問(wèn)題。

1 UPS的基本功能和基本類(lèi)型

UPS是由整流器、逆變器、電池和控制電路等組成，能在有限時(shí)間里提供純凈、穩(wěn)定波形的電源設(shè)備UPS具有以下功能：(1)電網(wǎng)電壓正常時(shí)，除了輸出純凈穩(wěn)定且連續(xù)不間斷的交流電源外，還可以對(duì)電池進(jìn)行充電，儲(chǔ)存后備能量；(2)在電網(wǎng)異常時(shí)(欠壓、過(guò)壓、掉電、干擾等)利用電池組的能量對(duì)用電設(shè)備提供不間斷的交流輸出，“不間斷”一般指輸出電壓波形為零的時(shí)間應(yīng)小于10ms。因而，UPS可以保證計(jì)算機(jī)等信息設(shè)備即使是在惡劣的電網(wǎng)條件下也能安全正常運(yùn)行。

從UPS技術(shù)特點(diǎn)來(lái)看，UPS的分類(lèi)一般以輸出逆變器工作方式來(lái)區(qū)分，通常可分為后備式、在線式兩大類(lèi)型。近年來(lái)也有將后備式電源中的一個(gè)特例獨(dú)立出來(lái)，稱(chēng)之為在線互動(dòng)式，但嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，仍然是后備式一類(lèi)。從近年來(lái)UPS的廣泛使用情況看，UPS也從原先的戶(hù)內(nèi)使用逐步向全天候應(yīng)用環(huán)境的方向發(fā)展，出現(xiàn)了室內(nèi)UPS和室外UPS的差別。戶(hù)外UPS主要在對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性、防潮濕、防水、防盜等方面做了一個(gè)全面的質(zhì)量提升，保證了UPS在各種戶(hù)外嚴(yán)酷的環(huán)境條件下正常工作。

(1)在線式UPS (圖1)

當(dāng)市電正常供電時(shí)，市電經(jīng)濾波回路及突波吸收回路后，分為兩個(gè)回路同時(shí)動(dòng)作，其一是經(jīng)由充電回路對(duì)電池組充電，另一個(gè)則是經(jīng)整流回路，作為變流器的輸入，再經(jīng)過(guò)變流器的轉(zhuǎn)換提供凈化過(guò)的交流電給負(fù)載使用；此時(shí)若市電發(fā)生異常，則變流器的輸入則改由電池組來(lái)供應(yīng)，變流器持續(xù)提供電力，達(dá)到完全不斷電。由此可知，在線式不斷電系統(tǒng)的輸出完全由變流器來(lái)供應(yīng)，不論市電品質(zhì)如何，其輸出均是穩(wěn)定且純凈的正弦波電源。輸出至負(fù)載之電力經(jīng)UPS處理，輸出電源品質(zhì)最高，無(wú)轉(zhuǎn)換時(shí)間，保護(hù)性最高，對(duì)市電雜訊、突波衰減能力最佳。其輸出特性如下：輸出電壓穩(wěn)定性好，差值小于±3%；波形失真度小，THD＜3%；零中斷；輸入、輸出能量形式全隔離。

圖1 在線式UPS原理

(2)后備式UPS (圖2)

正常情況下，后備式UPS的逆變器處于非工作狀態(tài)，電網(wǎng)電能通過(guò)穩(wěn)壓和濾波環(huán)節(jié)直接供給負(fù)載；此時(shí)，電池處于充電狀態(tài)。當(dāng)電網(wǎng)電壓超出UPS的輸入范圍，即非正常情況下，UPS通過(guò)轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)切換到電池狀態(tài)，后備電池開(kāi)始工作，此時(shí)電池的電能通過(guò)逆變器變換成交流正弦波或方波供給負(fù)載。

后備式UPS采用的是抗干擾分級(jí)調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)，當(dāng)市電電壓正常時(shí)，它能向負(fù)載提供抗高頻干擾的穩(wěn)壓電源，但供電質(zhì)量不高，輸出電壓的幅度、頻率隨市電電壓的幅度和頻率而變。正弦波輸出的后備式UPS的波形失真系數(shù)在5%以?xún)?nèi)。從市電供電到電池逆變供電的轉(zhuǎn)換時(shí)間小于10ms，對(duì)一般的計(jì)算機(jī)設(shè)備不會(huì)造成影響。

后備式UPS的優(yōu)點(diǎn)是產(chǎn)品價(jià)格低廉、運(yùn)行費(fèi)用低。由于正常情況下逆變器處于非工作狀態(tài)，電網(wǎng)電能直接供給負(fù)載，因此后備式UPS的電能轉(zhuǎn)換效率很高。電池壽命一般為3～5年。

后備式UPS的缺點(diǎn)在于它的轉(zhuǎn)換時(shí)間較長(zhǎng)，由于逆變器不是經(jīng)常工作(或者頻繁地切換)，因此容易形成單點(diǎn)故障。故后備式UPS一般應(yīng)用在一些非關(guān)鍵性的小功率設(shè)備上。其特點(diǎn)如下：電網(wǎng)正常時(shí)的整機(jī)效率高大于95%；電網(wǎng)正常時(shí)無(wú)噪音；切換時(shí)間＜10ms；價(jià)格較低。

圖2 后備式UPS原理

(3)互動(dòng)式 UPS (圖3)

在線互動(dòng)式UPS是一種界于后備式和在線式之間的工作方式，它集中了后備式效率高和在線式供電質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)市電在規(guī)格電壓范圍內(nèi)時(shí)，不作調(diào)節(jié)直接輸出至負(fù)電設(shè)備，如同一臺(tái)后備式UPS；當(dāng)市電高于或低于正常規(guī)格時(shí)，啟動(dòng)升壓或降壓功能，并且不使用蓄電池供電；直到市電低于可升壓范圍或高于可降壓范圍或市電停電時(shí)，才使用蓄電池供電。

在線互動(dòng)式UPS的逆變器始終處于工作狀態(tài)，與后備式UPS相比，轉(zhuǎn)換時(shí)間非常短，其交流輸出電壓穩(wěn)定性較好，但穩(wěn)頻特性不理想。充電器由雙向變換器組成，充電效果不是非常令人滿意，故不適合做長(zhǎng)延時(shí)的UPS。將充電器和逆變器有效合并成為一體雙向逆變器，雖然減少了系統(tǒng)的成本，但增加了一定的控制難度。

圖3 在線互動(dòng)式UPS原理框圖

從圖3的原理框圖可以得知，UPS本身已經(jīng)具備了雙路的電源供電備份，具備較高的系統(tǒng)可靠性，可以滿足一般信息設(shè)備對(duì)電源可靠性的要求。但是在某些特別重要的場(chǎng)合，例如許多大型醫(yī)療設(shè)備等用電環(huán)境，單一的UPS供電已經(jīng)無(wú)法滿足電源可靠性的要求了，必須有更好的電源供電方案來(lái)確保這些設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。

2 傳統(tǒng)的UPS電源系統(tǒng)

2.1 UPS電源的“1+1”并聯(lián)冗余系統(tǒng)

因?yàn)榇笮歪t(yī)療設(shè)備還有許多單電源設(shè)備以及專(zhuān)用設(shè)備，所以UPS電源的配電系統(tǒng)大多數(shù)采用“1+1”并聯(lián)冗余的運(yùn)行模式，如圖4所示。

這種運(yùn)行方式的優(yōu)點(diǎn)是：兩臺(tái)UPS電源并聯(lián)同時(shí)運(yùn)行，逆變器各自跟蹤自己的旁路電源，使兩臺(tái)UPS電源輸出電壓、電流、頻率相等，兩臺(tái)UPS電源各承擔(dān)一半負(fù)載，UPS電源負(fù)載率比較低，最高只有UPS電源額定負(fù)荷的40%，使得UPS電源壽命延長(zhǎng)，而且在一臺(tái)UPS電源有故障時(shí)另一臺(tái)UPS電源能承擔(dān)全部負(fù)載，此時(shí)UPS電源的負(fù)載率也只有UPS電源額定負(fù)荷的80%，兩臺(tái)UPS電源全部故障時(shí)UPS電源的靜態(tài)旁路開(kāi)關(guān)會(huì)不間斷將負(fù)荷切換到旁路供電。而且維護(hù)檢修方便，因?yàn)槭莾膳_(tái)UPS電源并聯(lián)同時(shí)運(yùn)行，所以正常工作時(shí)就可以對(duì)其中一臺(tái)UPS電源的電池組進(jìn)行放電維護(hù)，即一臺(tái)UPS電源市電正常供電，另一臺(tái)UPS電源由電池組供電，還是兩臺(tái)UPS電源輸出并聯(lián)同時(shí)運(yùn)行，確保負(fù)載不間斷供電，而且兩臺(tái)并聯(lián)運(yùn)行過(guò)載能力較強(qiáng)。

這種運(yùn)行方式的缺點(diǎn)是：雖然UPS電源供應(yīng)商對(duì)UPS電源的原理比較熟悉，但是他們對(duì)配電系統(tǒng)方面并不專(zhuān)業(yè)，因此他們?cè)谂潆娤到y(tǒng)方面考慮的問(wèn)題并不全面，使得UPS電源在今后的運(yùn)行維護(hù)以及應(yīng)急操作中存在許多問(wèn)題。

從圖4中可以看出UPS電源供應(yīng)商將UPS1與UPS2電源的輸出開(kāi)關(guān)下端用導(dǎo)線直接并聯(lián)起來(lái)，用一根電纜輸出到配電柜，對(duì)應(yīng)配電柜的總開(kāi)關(guān)也只用一個(gè)，配電柜的總開(kāi)關(guān)和分路開(kāi)關(guān)都是固定安裝，而且分路開(kāi)關(guān)與總開(kāi)關(guān)都采用無(wú)選擇性斷路器，安裝后雖然也可以使用，但存在幾個(gè)問(wèn)題：

(1)分路開(kāi)關(guān)與總開(kāi)關(guān)都采用無(wú)選擇性斷路器，因此當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生短路時(shí)就有可能產(chǎn)生越級(jí)跳閘使總開(kāi)關(guān)分?jǐn)?，影響兩臺(tái)UPS電源輸出并聯(lián)的母線，所有負(fù)載全部斷電

(2)兩臺(tái)UPS電源并聯(lián)輸出到配電柜只有一根電纜，也就是只有一個(gè)路線，當(dāng)這根電纜或開(kāi)關(guān)出現(xiàn)故障時(shí)負(fù)載全部停電。

(3)輸出配電柜中的開(kāi)關(guān)都采用固定安裝，其中的一個(gè)開(kāi)關(guān)出故障需要更換，用電負(fù)載必須全部停電才能更換

(4)兩臺(tái)并聯(lián)的UPS電源其中的一臺(tái)損壞需要完全隔離就必須將兩臺(tái)輸出之間的連接導(dǎo)線拆除，用電負(fù)載必須全部停電才能拆除。

2.2 UPS電源的“1+1”串聯(lián)冗余系統(tǒng) (圖5)

該系統(tǒng)運(yùn)行中主用UPS電源帶所有負(fù)載，備用UPS電源在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不帶負(fù)載，只有當(dāng)系統(tǒng)中的主用UPS電源退出運(yùn)行，負(fù)載才不間斷地轉(zhuǎn)向備用UPS電源。

圖5 串聯(lián)冗余UPS電源運(yùn)行原理圖

“1+1”串聯(lián)冗余系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是，兩臺(tái)UPS電源的控制系統(tǒng)沒(méi)有任何聯(lián)系，可以使用不同型號(hào)和不同容量的兩臺(tái)UPS電源。

這種運(yùn)行方式的缺點(diǎn)是：

(1)正常運(yùn)行時(shí)，主用UPS電源帶全部負(fù)載，備用UPS電源空載，主用UPS電源的負(fù)載率較高可達(dá)到UPS電源額定負(fù)荷的80%；

(2)備用UPS電源始終是空載運(yùn)行，當(dāng)突然加上80%的負(fù)載，備用電源能否正常工作，需要特別考慮；

(3)電池組的維護(hù)檢修也較困難，因?yàn)橹挥兄饔肬PS電源對(duì)播出的負(fù)載供電，所以使用播出的負(fù)載對(duì)電池組放電危險(xiǎn)性較大。使用假負(fù)載對(duì)主用UPS電源的電池組放電時(shí)，需要將所有負(fù)載轉(zhuǎn)移到備用的一臺(tái)UPS電源上，因?yàn)榇藭r(shí)主用UPS電源已經(jīng)沒(méi)有電池組，當(dāng)市電停電或波動(dòng)時(shí)UPS電源可能會(huì)直接停機(jī)，影響整個(gè)播出負(fù)載用電；

(4)“1+1”串聯(lián)冗余系統(tǒng)的過(guò)載能力較差，因?yàn)橹饔肬PS電源已帶有80%的負(fù)載，所以負(fù)載稍有波動(dòng)就過(guò)載了，與“1+1”并聯(lián)冗余系統(tǒng)相比過(guò)載能力要相差很多。

3 改進(jìn)后的UPS電源系統(tǒng)

為了克服以上存在的問(wèn)題，我們?cè)谠O(shè)計(jì)UPS輸出配電系統(tǒng)時(shí)采用了如圖6所示的接線方式。

圖6 “1+1”冗余UPS電源運(yùn)行原理圖

圖6將兩臺(tái)UPS電源的輸出端用電纜都引到輸出配電柜中，輸出配電柜中的所有開(kāi)關(guān)都使用插拔式開(kāi)關(guān)或抽屜式開(kāi)關(guān)，總開(kāi)關(guān)采用了帶有三段式保護(hù)的電子脫扣器，帶有短路短延時(shí)功能；分路開(kāi)關(guān)都采用無(wú)選擇性斷路器，分路開(kāi)關(guān)與總開(kāi)關(guān)之間都具有選擇性，因?yàn)榭傞_(kāi)關(guān)帶有短路短延時(shí)的功能，所以當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生短路故障時(shí)分路開(kāi)關(guān)在0.02秒以下就跳閘了，不會(huì)影響總開(kāi)關(guān)，也就不會(huì)影響到UPS電源的并聯(lián)輸出總母線；只是對(duì)某些用電設(shè)備的主路或備路產(chǎn)生影響，不會(huì)影響全部負(fù)載的正常供電。如果兩臺(tái)UPS電源其中的一臺(tái)損壞需要完全隔離，只需將對(duì)應(yīng)的總開(kāi)關(guān)的抽屜拉出即可，不用全部停電，很方便地就可以將損壞的一臺(tái)UPS電源進(jìn)行完全隔離。又考慮到UPS的電池組都是由幾十節(jié)電池串聯(lián)而成，其中的一節(jié)電池故障整個(gè)電池組將失效，故障率較高，因此我們將UPS輸入部分的兩路電源經(jīng)ATS切換開(kāi)關(guān)后只供給UPS的整流部分，UPS的旁路電源不經(jīng)過(guò)ATS切換開(kāi)關(guān)直接由備用電源提供，防止主用電源停電在ATS切換的瞬間電池組又出現(xiàn)故障，此時(shí)UPS自動(dòng)切到靜態(tài)旁路由備用電源直接供電給負(fù)載；當(dāng)ATS切換開(kāi)關(guān)切換到備用電源后，UPS電源恢復(fù)正常工作狀態(tài)，供電的可靠性得到提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)部分大型醫(yī)用設(shè)備的電源系統(tǒng)改造，我們認(rèn)為該類(lèi)設(shè)備由于電子計(jì)算機(jī)參與管理控制，對(duì)外電源的要求與傳統(tǒng)設(shè)備的安裝要求有所不同，須結(jié)合所安裝設(shè)備的自身情況，認(rèn)真對(duì)待。醫(yī)療設(shè)備公司應(yīng)如實(shí)對(duì)電源提出具體詳細(xì)真實(shí)的要求，其中應(yīng)包括電源電壓、變壓器容量及距離、電源線徑、配電開(kāi)關(guān)等。同時(shí)也應(yīng)注意根據(jù)不同情況的設(shè)備特點(diǎn)，科學(xué)合理分配用電。廠家也切勿只圖安裝方便在提供安裝場(chǎng)地圖要求時(shí)，改變?cè)械碾娫醇夹g(shù)參數(shù)，給用戶(hù)增加增容費(fèi)用。

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UPS Power Supply System for Medical Device Application

WANG Yan-ni1LI Chuan-wei2
1 Weihai Municipal Hospital (Weihai 264200)
2 Weihai Vocational College (Weihai 264200)

1006-6586(2010)04-0025-05

R197.39

A

2010-01-20

王燕妮，主管技師