數字化設備電環境需求的選擇性研究

楊　明

摘要:大型數字化設備在醫院和學校被廣泛應用,而電能質量對數字化設備的影響日益被重視。本文從介紹電能質量入手,闡述了電壓偏差、頻率、諧波對數字化設備的影響,并提出了改善供電質量的幾種策略。

關鍵詞:數字化設備;電能質量;電壓偏差

如今各種復雜的、精密的、對電環境超敏感的負荷設備被醫療、教學、科研院所廣泛使用,這些設備是保證工作被精準完成的物質基礎和重要保障,要求設備具有安全可靠、連續運轉、精度高、重復性好、抗干擾、無污染,能夠不間斷地進行數據傳輸、存貯等。數字化設備的穩定運行要依靠電網系統輸送持續高質量電能,但在實際運行中,由于電網中變頻驅動或晶閘管整流直流驅動設備、計算機、電弧爐等非線性負載的影響而導致電網污染,電能質量下降,電網存在的電壓浪涌、電壓尖峰、電壓瞬變、噪聲電壓、過壓、欠壓、電源中斷等污染和干擾始終威脅著設備的運行安全，造成電子設備在運行時經常出現程序運行錯誤,嚴重的造成數據丟失、硬件損壞,尤其使得對電能質量敏感的數字化設備的安全運行指數顯著降低,數字化設備的故障嚴重影響科學的數據采集，嚴重的時候會產生不可挽回的損失和后果。

電能質量對數字化設備的影響

電能質量是指供電裝置在正常工作情況下不中斷和干擾用戶使用電力的物理特性。所謂電能質量實質上是各種單一的擾動和不平衡現象的總和在電網中的集中體現。它強調的是電網與用電設備之間的相互影響。理想的電力系統應以恒定的頻率(50Hz)正弦波形、按照規定的電壓水平對用戶供電,在三相交流電力系統中,各相的電壓和電流應處于幅度大小相等、相位互差120°的對稱狀態。然而,由于系統各元件的參數并不是理想線性或對稱的、調控手段不完善、負荷性質各異且變化的隨機性、各種故障等原因,理想狀態在實際中并不存在。

作為敏感負荷的數字化設備,電能質量對數字化設備具有嚴重的影響。電壓的波動使數字化設備的電源系統發生故障,輕則燒斷保險絲,重則損壞電源系統和整臺設備;供電頻率偏移會對一些精度較高而又需要市電頻率同步或做基準的設備可靠性大打折扣;供電中斷會使醫療設備MRI、CT、DSA等依靠計算機程序控制的大型數字化設備數據記錄丟失,或者系統軟件被損壞,嚴重時會損壞主機和硬盤,更嚴重的是直接影響CT球管的壽命和控制電路、高壓箱的安全,以及MRI的磁體線圈、梯度功放、射頻功放等部件的安全,甚至會立即損壞這些部件;尖峰電壓、浪涌電壓、噪聲干擾、奇次諧波等會造成數字化設備的電路板損壞,計算機控制出現紊亂,高壓系統不穩定而危及整機安全。

目前大型數字化設備基本上采用計算機控制,電壓偏差對數字化設備的核心控制器的計算機硬件或軟件的影響是造成數字化設備不能正常工作的關鍵問題之一,其中樞控制系統對電壓的跌落更為敏感。電壓偏差還使其它電子數字化設備的硬件運行發生故障或錯誤,或使設備的低電壓保護或快速過流保護動作而使設備電源跳閘,導致設備斷電而徹底停止運行。

電源頻率對數字化設備的影響

鐵磁諧振式穩壓器對頻率非常敏感。交流電源的頻率對數字化設備的使用有重要意義。例如X射線燈絲電源一般由鐵磁諧振式穩壓器供電。對頻率非常敏感,略有變化都會使其輸出電壓值產生較大波動,使燈絲電壓、X射線管電流也產生波動,從而改變透照條件,影響膠片黑化效果。在實際X光機進行投照工作時,電源頻率的變化與管電壓、管電流的升降成正比關系,電源頻率的改變會對X光機等數字化設備的正常工作會造成很大影響。

電源頻率的變化能導致交流電動機轉速的改變。這是因為交流電動機的轉速與其電源頻率成正比。另外,有的數字化設備是按60Hz設計的,將這種設備用于50Hz電源,有時就得采取相應措施。電源頻率的變化能使有的定時電路工作異常。這是因為為了簡化電路和與電源信號相位同步,有的數字化設備中使用的定時電路是利用對交流電源信號整形后計數實現的,電源頻率的改變必然會影響此類定時器的定時。電源頻率的降低能使電源變壓器偏熱并使電源保險管容易燒斷。因為有很多數字化設備是按國外60Hz電源設計制造的,將其用于國內50Hz電源時有些變壓器就會偏熱,這是由于變壓器線圈的每伏匝數與其所工作的電源頻率成反比。所以,設計在60Hz下工作的變壓器若用于50Hz中,就會出現初級線圈匝數偏少、感抗不足而使電流偏大的現象。電源頻率的變化會使電源信號對數字化設備的干擾發生改變。遙控診斷X線機等數字化設備具有閉路電視系統,電源信號通過地線或空間耦合等途徑不可避免地會串入電視系統的亮度通道中而對其亮度產生干擾。電源頻率的變化會使磁飽和穩壓器工作失靈。磁飽和式穩壓器中有對頻率十分敏感的LC諧振電路,電源頻率的改變會令其失諧,最終導致穩壓器工作失靈。

諧波對數字化設備的影響數字化設備的主控制電路普遍采用硅整流電路,一方面,這些設備的電路按一定規律開閉不同電路,因而將產生特性和非特性諧波電流注入系統,所以它是一種諧波源;另一方面,外部電源諧波可影響換流器和換流器負荷的運行,從而引起數字化設備故障。由諧波引起系統誤差而造成觸發角位移和由于電流和電壓的變化引起的可控硅故障都會給換流裝置帶來影響。某些受控制的整流器的控制邏輯往往因畸變電壓而導致運行誤差,造成由其控制的數字化設備出現停機,嚴重的將被損壞。隨著各種計算機系統在數字化設備中的普遍使用,尤其是數字式可編程的數字化設備對供電系統電能質量提出了新的要求。若是供電電壓存在高次諧波,則會對計算機數據的傳輸、處理帶來嚴重的影響,特別是運算速度快的計算機會產生誤動作,使正常的工作程序被破壞,造成數字化設備數據丟失、軟硬件損壞。

有效遏制不良電環境對數字化設備的不良影響，可以采用以下幾種措施。接地法，對需要安裝的數字化設備必須滿足其接地條件。大型設備要求有獨立供電線路,并且單獨接地,接地電阻值一般小于1Ω。良好的接地可以有效地消除某些高頻干擾。對已經安裝了的設備,尤其是安裝在舊建筑中的數字化設備,進行徹底普查,確認供電電路是否滿足設備要求的條件,是否有良好的接地,否則要進行改造。電源濾波器法，通過加裝電源濾波器的方法,使高頻電磁干擾被抑制,得到恒定的供電。選擇濾波器時,應注意工作電壓、工作電流和抑制頻率等參數。在安裝時,濾波器應安裝在靠近數字化設備的地方,其外殼應良好接地。凈化交流穩壓電源法，采用高精度凈化交流穩壓電源為數字化設備供電,它不僅能抑制來自公共電源的各種干擾,而且還能有效地抑制公共電源的瞬間高壓、瞬間下跌、尖峰和脈沖。在選用時要注意其技術參數,使其達到穩壓精度高、范圍寬、動態響應速度快、抑制能力強、波形失真小,整機效率高的要求。UPS法，大型數字化設備需要具有穩壓、穩頻、濾波、抗電磁干擾、防電壓突然中斷等功能的供電系統。UPS不間斷電源正是這種合適的供電系統。一般采用在線式UPS作為供電電源,UPS在有市電時,提供機內逆變器輸出的穩定的正弦波電源,當市電供電出故障或完全中斷時,由UPS內置或外置的蓄電池組繼續向逆變器提供直流電源,從而保證UPS輸出無時間中斷的穩定的正弦波電壓給數字化設備正常供電。

參考文獻

[1]許奎瑞.電子數字化設備信號交流干擾故障分析[J].醫療設備信息,2003,18(1):39240

[2]徐洪基.電源頻率和電壓改變對電氣設備運行特性的影響[J].設備管理與維修,1993(11):17219.