王燕妮李傳偉

1 威海市立醫(yī)院 (威海 264200)

2 威海職業(yè)學院 (威海 264200)

UPS供電系統(tǒng)在醫(yī)療設備上的應用

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)學院 (威海 264200)

大型醫(yī)療設備正常運轉(zhuǎn)，電源問題是關(guān)鍵問題之一。UPS(不間斷電源)作為一種性能優(yōu)良的供電電源，對醫(yī)用設備的正常、安全運行方面起著重要的保障作用。本文結(jié)合大型醫(yī)療設備實際應用情況，簡要介紹UPS電源基本功能和類型，并對配電系統(tǒng)的改造方案等進行了探討。

醫(yī)療設備 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)用設備的正常運行必須要有穩(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)用設備的使用，尤其是大型及高、精、尖醫(yī)用設備對供電電源的質(zhì)量有更高的要求。

UPS(Uninterruptible Power System)稱為不間斷電源，這種UPS的簡單原理是將市電輸入UPS后經(jīng)過整流變換成直流電，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，向負載供電。當市電異?；蚬╇娭袛鄷r，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)，保證無間斷地給用電設備供電。最初大都用于計算機系統(tǒng)的供電電源，而如今醫(yī)院對比較重要的醫(yī)用設備也采用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)療設備的正常使用，因此必須有效地改善醫(yī)療設備的供電質(zhì)量。要改善醫(yī)療設備的供電質(zhì)量，我們最快想到的是在設備前加裝穩(wěn)壓器，加裝穩(wěn)壓雖然可以改善部分供電質(zhì)量，但從分析來看，一般的電力穩(wěn)壓器只能解決供電網(wǎng)絡中的電壓波動和濾除部分雜波干擾，而對醫(yī)療設備造成危害的最關(guān)鍵問題，如奇次諧波頻率偏移，供電中斷、尖峰、浪涌等特殊干擾則無能為力。這樣，在設備前加裝穩(wěn)壓器是不能徹底解決供電質(zhì)量問題的。因此，只有配置UPS才能真正解決這一問題。

1 UPS的基本功能和基本類型

UPS是由整流器、逆變器、電池和控制電路等組成，能在有限時間里提供純凈、穩(wěn)定波形的電源設備UPS具有以下功能：(1)電網(wǎng)電壓正常時，除了輸出純凈穩(wěn)定且連續(xù)不間斷的交流電源外，還可以對電池進行充電，儲存后備能量；(2)在電網(wǎng)異常時(欠壓、過壓、掉電、干擾等)利用電池組的能量對用電設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間應小于10ms。因而，UPS可以保證計算機等信息設備即使是在惡劣的電網(wǎng)條件下也能安全正常運行。

從UPS技術(shù)特點來看，UPS的分類一般以輸出逆變器工作方式來區(qū)分，通?？煞譃楹髠涫?、在線式兩大類型。近年來也有將后備式電源中的一個特例獨立出來，稱之為在線互動式，但嚴格來說，仍然是后備式一類。從近年來UPS的廣泛使用情況看，UPS也從原先的戶內(nèi)使用逐步向全天候應用環(huán)境的方向發(fā)展，出現(xiàn)了室內(nèi)UPS和室外UPS的差別。戶外UPS主要在對環(huán)境溫度的適應性、防潮濕、防水、防盜等方面做了一個全面的質(zhì)量提升，保證了UPS在各種戶外嚴酷的環(huán)境條件下正常工作。

(1)在線式UPS (圖1)

當市電正常供電時，市電經(jīng)濾波回路及突波吸收回路后，分為兩個回路同時動作，其一是經(jīng)由充電回路對電池組充電，另一個則是經(jīng)整流回路，作為變流器的輸入，再經(jīng)過變流器的轉(zhuǎn)換提供凈化過的交流電給負載使用；此時若市電發(fā)生異常，則變流器的輸入則改由電池組來供應，變流器持續(xù)提供電力，達到完全不斷電。由此可知，在線式不斷電系統(tǒng)的輸出完全由變流器來供應，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。輸出至負載之電力經(jīng)UPS處理，輸出電源品質(zhì)最高，無轉(zhuǎn)換時間，保護性最高，對市電雜訊、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)電能通過穩(wěn)壓和濾波環(huán)節(jié)直接供給負載；此時，電池處于充電狀態(tài)。當電網(wǎng)電壓超出UPS的輸入范圍，即非正常情況下，UPS通過轉(zhuǎn)換開關(guān)切換到電池狀態(tài)，后備電池開始工作，此時電池的電能通過逆變器變換成交流正弦波或方波供給負載。

后備式UPS采用的是抗干擾分級調(diào)壓穩(wěn)壓技術(shù)，當市電電壓正常時，它能向負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%以內(nèi)。從市電供電到電池逆變供電的轉(zhuǎn)換時間小于10ms，對一般的計算機設備不會造成影響。

后備式UPS的優(yōu)點是產(chǎn)品價格低廉、運行費用低。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的缺點在于它的轉(zhuǎn)換時間較長，由于逆變器不是經(jīng)常工作(或者頻繁地切換)，因此容易形成單點故障。故后備式UPS一般應用在一些非關(guān)鍵性的小功率設備上。其特點如下：電網(wǎng)正常時的整機效率高大于95%；電網(wǎng)正常時無噪音；切換時間＜10ms；價格較低。

圖2 后備式UPS原理

(3)互動式 UPS (圖3)

在線互動式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。當市電在規(guī)格電壓范圍內(nèi)時，不作調(diào)節(jié)直接輸出至負電設備，如同一臺后備式UPS；當市電高于或低于正常規(guī)格時，啟動升壓或降壓功能，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，才使用蓄電池供電。

在線互動式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，故不適合做長延時的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備對電源可靠性的要求。但是在某些特別重要的場合，例如許多大型醫(yī)療設備等用電環(huán)境，單一的UPS供電已經(jīng)無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確保這些設備的正常運轉(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)

因為大型醫(yī)療設備還有許多單電源設備以及專用設備，所以UPS電源的配電系統(tǒng)大多數(shù)采用“1+1”并聯(lián)冗余的運行模式，如圖4所示。

這種運行方式的優(yōu)點是：兩臺UPS電源并聯(lián)同時運行，逆變器各自跟蹤自己的旁路電源，使兩臺UPS電源輸出電壓、電流、頻率相等，兩臺UPS電源各承擔一半負載，UPS電源負載率比較低，最高只有UPS電源額定負荷的40%，使得UPS電源壽命延長，而且在一臺UPS電源有故障時另一臺UPS電源能承擔全部負載，此時UPS電源的負載率也只有UPS電源額定負荷的80%，兩臺UPS電源全部故障時UPS電源的靜態(tài)旁路開關(guān)會不間斷將負荷切換到旁路供電。而且維護檢修方便，因為是兩臺UPS電源并聯(lián)同時運行，所以正常工作時就可以對其中一臺UPS電源的電池組進行放電維護，即一臺UPS電源市電正常供電，另一臺UPS電源由電池組供電，還是兩臺UPS電源輸出并聯(lián)同時運行，確保負載不間斷供電，而且兩臺并聯(lián)運行過載能力較強。

這種運行方式的缺點是：雖然UPS電源供應商對UPS電源的原理比較熟悉，但是他們對配電系統(tǒng)方面并不專業(yè)，因此他們在配電系統(tǒng)方面考慮的問題并不全面，使得UPS電源在今后的運行維護以及應急操作中存在許多問題。

從圖4中可以看出UPS電源供應商將UPS1與UPS2電源的輸出開關(guān)下端用導線直接并聯(lián)起來，用一根電纜輸出到配電柜，對應配電柜的總開關(guān)也只用一個，配電柜的總開關(guān)和分路開關(guān)都是固定安裝，而且分路開關(guān)與總開關(guān)都采用無選擇性斷路器，安裝后雖然也可以使用，但存在幾個問題：

(1)分路開關(guān)與總開關(guān)都采用無選擇性斷路器，因此當負載產(chǎn)生短路時就有可能產(chǎn)生越級跳閘使總開關(guān)分斷，影響兩臺UPS電源輸出并聯(lián)的母線，所有負載全部斷電

(2)兩臺UPS電源并聯(lián)輸出到配電柜只有一根電纜，也就是只有一個路線，當這根電纜或開關(guān)出現(xiàn)故障時負載全部停電。

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

(4)兩臺并聯(lián)的UPS電源其中的一臺損壞需要完全隔離就必須將兩臺輸出之間的連接導線拆除，用電負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)運行中主用UPS電源帶所有負載，備用UPS電源在系統(tǒng)正常運行時不帶負載，只有當系統(tǒng)中的主用UPS電源退出運行，負載才不間斷地轉(zhuǎn)向備用UPS電源。

圖5 串聯(lián)冗余UPS電源運行原理圖

“1+1”串聯(lián)冗余系統(tǒng)的優(yōu)點是，兩臺UPS電源的控制系統(tǒng)沒有任何聯(lián)系，可以使用不同型號和不同容量的兩臺UPS電源。

這種運行方式的缺點是：

(1)正常運行時，主用UPS電源帶全部負載，備用UPS電源空載，主用UPS電源的負載率較高可達到UPS電源額定負荷的80%；

(2)備用UPS電源始終是空載運行，當突然加上80%的負載，備用電源能否正常工作，需要特別考慮；

(3)電池組的維護檢修也較困難，因為只有主用UPS電源對播出的負載供電，所以使用播出的負載對電池組放電危險性較大。使用假負載對主用UPS電源的電池組放電時，需要將所有負載轉(zhuǎn)移到備用的一臺UPS電源上，因為此時主用UPS電源已經(jīng)沒有電池組，當市電停電或波動時UPS電源可能會直接停機，影響整個播出負載用電；

(4)“1+1”串聯(lián)冗余系統(tǒng)的過載能力較差，因為主用UPS電源已帶有80%的負載，所以負載稍有波動就過載了，與“1+1”并聯(lián)冗余系統(tǒng)相比過載能力要相差很多。

3 改進后的UPS電源系統(tǒng)

為了克服以上存在的問題，我們在設計UPS輸出配電系統(tǒng)時采用了如圖6所示的接線方式。

圖6 “1+1”冗余UPS電源運行原理圖

圖6將兩臺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關(guān)都使用插拔式開關(guān)或抽屜式開關(guān)，總開關(guān)采用了帶有三段式保護的電子脫扣器，帶有短路短延時功能；分路開關(guān)都采用無選擇性斷路器，分路開關(guān)與總開關(guān)之間都具有選擇性，因為總開關(guān)帶有短路短延時的功能，所以當負載產(chǎn)生短路故障時分路開關(guān)在0.02秒以下就跳閘了，不會影響總開關(guān)，也就不會影響到UPS電源的并聯(lián)輸出總母線；只是對某些用電設備的主路或備路產(chǎn)生影響，不會影響全部負載的正常供電。如果兩臺UPS電源其中的一臺損壞需要完全隔離，只需將對應的總開關(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UPS電源進行完全隔離。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切換開關(guān)后只供給UPS的整流部分，UPS的旁路電源不經(jīng)過ATS切換開關(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UPS自動切到靜態(tài)旁路由備用電源直接供電給負載；當ATS切換開關(guān)切換到備用電源后，UPS電源恢復正常工作狀態(tài)，供電的可靠性得到提高。

4 結(jié)束語

通過對部分大型醫(yī)用設備的電源系統(tǒng)改造，我們認為該類設備由于電子計算機參與管理控制，對外電源的要求與傳統(tǒng)設備的安裝要求有所不同，須結(jié)合所安裝設備的自身情況，認真對待。醫(yī)療設備公司應如實對電源提出具體詳細真實的要求，其中應包括電源電壓、變壓器容量及距離、電源線徑、配電開關(guān)等。同時也應注意根據(jù)不同情況的設備特點，科學合理分配用電。廠家也切勿只圖安裝方便在提供安裝場地圖要求時，改變原有的電源技術(shù)參數(shù)，給用戶增加增容費用。

[1] 崔江海. UPS供電可靠性分析.低壓電器, 2009, 7: 59-61.

[2] 王正嶺.不間斷供電雙機冗余并聯(lián)技術(shù)的應用. 聚酯工業(yè), 2009,1: 54-57.

[3] 周祖亮,李玲.大型醫(yī)療設備供電問題及解決方法.實用醫(yī)技雜志, 2007, 3:328-329.

[4] 羅安東,儲曉韻. UPS(不間斷電源)在醫(yī)院設備中的應用.醫(yī)療裝備, 2001,10:36-37.

[5] 王維強,王安生,余厚軍. 安裝大型醫(yī)療影像設備電源問題討論.醫(yī)療設備信息, 2009, 7: 59-61.

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