UPS供电系统在医疗设备上的应用

王燕妮李传伟

1 威海市立医院 (威海 264200)

2 威海职业学院 (威海 264200)

UPS供电系统在医疗设备上的应用

王燕妮1李传伟2

1 威海市立医院 (威海 264200)

2 威海职业学院 (威海 264200)

大型医疗设备正常运转，电源问题是关键问题之一。UPS(不间断电源)作为一种性能优良的供电电源，对医用设备的正常、安全运行方面起着重要的保障作用。本文结合大型医疗设备实际应用情况，简要介绍UPS电源基本功能和类型，并对配电系统的改造方案等进行了探讨。

医疗设备 配电系统 UPS电源 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

医院医用设备的正常运行必须要有稳定、可靠的电源作保障，故供电电源质量的优劣直接关系到医用设备的使用，尤其是大型及高、精、尖医用设备对供电电源的质量有更高的要求。

UPS(Uninterruptible Power System)称为不间断电源，这种UPS的简单原理是将市电输入UPS后经过整流变换成直流电，一路给充电器为电池充电，另一路提供直流电压给逆变器工作，逆变器将直流电变换成稳压、稳频、纯净的50 Hz交流电，向负载供电。当市电异常或供电中断时，逆变器改由电池提供能量继续工作，这样逆变器始终处于工作状态，保证无间断地给用电设备供电。最初大都用于计算机系统的供电电源，而如今医院对比较重要的医用设备也采用UPS作为供电电源。

供电质量的好坏将可直接影响MRI、CT等大型医疗设备的正常使用，因此必须有效地改善医疗设备的供电质量。要改善医疗设备的供电质量，我们最快想到的是在设备前加装稳压器，加装稳压虽然可以改善部分供电质量，但从分析来看，一般的电力稳压器只能解决供电网络中的电压波动和滤除部分杂波干扰，而对医疗设备造成危害的最关键问题，如奇次谐波频率偏移，供电中断、尖峰、浪涌等特殊干扰则无能为力。这样，在设备前加装稳压器是不能彻底解决供电质量问题的。因此，只有配置UPS才能真正解决这一问题。

1 UPS的基本功能和基本类型

UPS是由整流器、逆变器、电池和控制电路等组成，能在有限时间里提供纯净、稳定波形的电源设备UPS具有以下功能：(1)电网电压正常时，除了输出纯净稳定且连续不间断的交流电源外，还可以对电池进行充电，储存后备能量；(2)在电网异常时(欠压、过压、掉电、干扰等)利用电池组的能量对用电设备提供不间断的交流输出，“不间断”一般指输出电压波形为零的时间应小于10ms。因而，UPS可以保证计算机等信息设备即使是在恶劣的电网条件下也能安全正常运行。

从UPS技术特点来看，UPS的分类一般以输出逆变器工作方式来区分，通常可分为后备式、在线式两大类型。近年来也有将后备式电源中的一个特例独立出来，称之为在线互动式，但严格来说，仍然是后备式一类。从近年来UPS的广泛使用情况看，UPS也从原先的户内使用逐步向全天候应用环境的方向发展，出现了室内UPS和室外UPS的差别。户外UPS主要在对环境温度的适应性、防潮湿、防水、防盗等方面做了一个全面的质量提升，保证了UPS在各种户外严酷的环境条件下正常工作。

(1)在线式UPS (图1)

当市电正常供电时，市电经滤波回路及突波吸收回路后，分为两个回路同时动作，其一是经由充电回路对电池组充电，另一个则是经整流回路，作为变流器的输入，再经过变流器的转换提供净化过的交流电给负载使用；此时若市电发生异常，则变流器的输入则改由电池组来供应，变流器持续提供电力，达到完全不断电。由此可知，在线式不断电系统的输出完全由变流器来供应，不论市电品质如何，其输出均是稳定且纯净的正弦波电源。输出至负载之电力经UPS处理，输出电源品质最高，无转换时间，保护性最高，对市电杂讯、突波衰减能力最佳。其输出特性如下：输出电压稳定性好，差值小于±3%；波形失真度小，THD＜3%；零中断；输入、输出能量形式全隔离。

图1 在线式UPS原理

(2)后备式UPS (图2)

正常情况下，后备式UPS的逆变器处于非工作状态，电网电能通过稳压和滤波环节直接供给负载；此时，电池处于充电状态。当电网电压超出UPS的输入范围，即非正常情况下，UPS通过转换开关切换到电池状态，后备电池开始工作，此时电池的电能通过逆变器变换成交流正弦波或方波供给负载。

后备式UPS采用的是抗干扰分级调压稳压技术，当市电电压正常时，它能向负载提供抗高频干扰的稳压电源，但供电质量不高，输出电压的幅度、频率随市电电压的幅度和频率而变。正弦波输出的后备式UPS的波形失真系数在5%以内。从市电供电到电池逆变供电的转换时间小于10ms，对一般的计算机设备不会造成影响。

后备式UPS的优点是产品价格低廉、运行费用低。由于正常情况下逆变器处于非工作状态，电网电能直接供给负载，因此后备式UPS的电能转换效率很高。电池寿命一般为3～5年。

后备式UPS的缺点在于它的转换时间较长，由于逆变器不是经常工作(或者频繁地切换)，因此容易形成单点故障。故后备式UPS一般应用在一些非关键性的小功率设备上。其特点如下：电网正常时的整机效率高大于95%；电网正常时无噪音；切换时间＜10ms；价格较低。

图2 后备式UPS原理

(3)互动式 UPS (图3)

在线互动式UPS是一种界于后备式和在线式之间的工作方式，它集中了后备式效率高和在线式供电质量高的优点。当市电在规格电压范围内时，不作调节直接输出至负电设备，如同一台后备式UPS；当市电高于或低于正常规格时，启动升压或降压功能，并且不使用蓄电池供电；直到市电低于可升压范围或高于可降压范围或市电停电时，才使用蓄电池供电。

在线互动式UPS的逆变器始终处于工作状态，与后备式UPS相比，转换时间非常短，其交流输出电压稳定性较好，但稳频特性不理想。充电器由双向变换器组成，充电效果不是非常令人满意，故不适合做长延时的UPS。将充电器和逆变器有效合并成为一体双向逆变器，虽然减少了系统的成本，但增加了一定的控制难度。

图3 在线互动式UPS原理框图

从图3的原理框图可以得知，UPS本身已经具备了双路的电源供电备份，具备较高的系统可靠性，可以满足一般信息设备对电源可靠性的要求。但是在某些特别重要的场合，例如许多大型医疗设备等用电环境，单一的UPS供电已经无法满足电源可靠性的要求了，必须有更好的电源供电方案来确保这些设备的正常运转。

2 传统的UPS电源系统

2.1 UPS电源的“1+1”并联冗余系统

因为大型医疗设备还有许多单电源设备以及专用设备，所以UPS电源的配电系统大多数采用“1+1”并联冗余的运行模式，如图4所示。

这种运行方式的优点是：两台UPS电源并联同时运行，逆变器各自跟踪自己的旁路电源，使两台UPS电源输出电压、电流、频率相等，两台UPS电源各承担一半负载，UPS电源负载率比较低，最高只有UPS电源额定负荷的40%，使得UPS电源寿命延长，而且在一台UPS电源有故障时另一台UPS电源能承担全部负载，此时UPS电源的负载率也只有UPS电源额定负荷的80%，两台UPS电源全部故障时UPS电源的静态旁路开关会不间断将负荷切换到旁路供电。而且维护检修方便，因为是两台UPS电源并联同时运行，所以正常工作时就可以对其中一台UPS电源的电池组进行放电维护，即一台UPS电源市电正常供电，另一台UPS电源由电池组供电，还是两台UPS电源输出并联同时运行，确保负载不间断供电，而且两台并联运行过载能力较强。

这种运行方式的缺点是：虽然UPS电源供应商对UPS电源的原理比较熟悉，但是他们对配电系统方面并不专业，因此他们在配电系统方面考虑的问题并不全面，使得UPS电源在今后的运行维护以及应急操作中存在许多问题。

从图4中可以看出UPS电源供应商将UPS1与UPS2电源的输出开关下端用导线直接并联起来，用一根电缆输出到配电柜，对应配电柜的总开关也只用一个，配电柜的总开关和分路开关都是固定安装，而且分路开关与总开关都采用无选择性断路器，安装后虽然也可以使用，但存在几个问题：

(1)分路开关与总开关都采用无选择性断路器，因此当负载产生短路时就有可能产生越级跳闸使总开关分断，影响两台UPS电源输出并联的母线，所有负载全部断电

(2)两台UPS电源并联输出到配电柜只有一根电缆，也就是只有一个路线，当这根电缆或开关出现故障时负载全部停电。

(3)输出配电柜中的开关都采用固定安装，其中的一个开关出故障需要更换，用电负载必须全部停电才能更换

(4)两台并联的UPS电源其中的一台损坏需要完全隔离就必须将两台输出之间的连接导线拆除，用电负载必须全部停电才能拆除。

2.2 UPS电源的“1+1”串联冗余系统 (图5)

该系统运行中主用UPS电源带所有负载，备用UPS电源在系统正常运行时不带负载，只有当系统中的主用UPS电源退出运行，负载才不间断地转向备用UPS电源。

图5 串联冗余UPS电源运行原理图

“1+1”串联冗余系统的优点是，两台UPS电源的控制系统没有任何联系，可以使用不同型号和不同容量的两台UPS电源。

这种运行方式的缺点是：

(1)正常运行时，主用UPS电源带全部负载，备用UPS电源空载，主用UPS电源的负载率较高可达到UPS电源额定负荷的80%；

(2)备用UPS电源始终是空载运行，当突然加上80%的负载，备用电源能否正常工作，需要特别考虑；

(3)电池组的维护检修也较困难，因为只有主用UPS电源对播出的负载供电，所以使用播出的负载对电池组放电危险性较大。使用假负载对主用UPS电源的电池组放电时，需要将所有负载转移到备用的一台UPS电源上，因为此时主用UPS电源已经没有电池组，当市电停电或波动时UPS电源可能会直接停机，影响整个播出负载用电；

(4)“1+1”串联冗余系统的过载能力较差，因为主用UPS电源已带有80%的负载，所以负载稍有波动就过载了，与“1+1”并联冗余系统相比过载能力要相差很多。

3 改进后的UPS电源系统

为了克服以上存在的问题，我们在设计UPS输出配电系统时采用了如图6所示的接线方式。

图6 “1+1”冗余UPS电源运行原理图

图6将两台UPS电源的输出端用电缆都引到输出配电柜中，输出配电柜中的所有开关都使用插拔式开关或抽屉式开关，总开关采用了带有三段式保护的电子脱扣器，带有短路短延时功能；分路开关都采用无选择性断路器，分路开关与总开关之间都具有选择性，因为总开关带有短路短延时的功能，所以当负载产生短路故障时分路开关在0.02秒以下就跳闸了，不会影响总开关，也就不会影响到UPS电源的并联输出总母线；只是对某些用电设备的主路或备路产生影响，不会影响全部负载的正常供电。如果两台UPS电源其中的一台损坏需要完全隔离，只需将对应的总开关的抽屉拉出即可，不用全部停电，很方便地就可以将损坏的一台UPS电源进行完全隔离。又考虑到UPS的电池组都是由几十节电池串联而成，其中的一节电池故障整个电池组将失效，故障率较高，因此我们将UPS输入部分的两路电源经ATS切换开关后只供给UPS的整流部分，UPS的旁路电源不经过ATS切换开关直接由备用电源提供，防止主用电源停电在ATS切换的瞬间电池组又出现故障，此时UPS自动切到静态旁路由备用电源直接供电给负载；当ATS切换开关切换到备用电源后，UPS电源恢复正常工作状态，供电的可靠性得到提高。

4 结束语

通过对部分大型医用设备的电源系统改造，我们认为该类设备由于电子计算机参与管理控制，对外电源的要求与传统设备的安装要求有所不同，须结合所安装设备的自身情况，认真对待。医疗设备公司应如实对电源提出具体详细真实的要求，其中应包括电源电压、变压器容量及距离、电源线径、配电开关等。同时也应注意根据不同情况的设备特点，科学合理分配用电。厂家也切勿只图安装方便在提供安装场地图要求时，改变原有的电源技术参数，给用户增加增容费用。

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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，主管技师