【毕业设计】医疗设备中ups系统的合理利用及连

毕业设计（论文）题目医疗设备中UPS系统的合理利用及连接方式的改进院（部）系放射学院所学专业生物医学工程2013年6月1日摘要随着医疗技术的飞速发展，医疗设备的发展更新也日新月异，一些高精尖设备越来越多地应用于临床。而这些设备对电源供电系统的要求也越来越高。设备中的各种敏感电子元件需要持续稳定的电源供电。所以这些设备需要一定的稳定供电系统。因此UPS（UNINTERRUPTIBLEPOWERSYSTERM不间断电源）的使用成为保护重要设备的关键本文结合大型医疗设备实际应用情况，从UPS的基本原理开始介绍起，通过对常用词汇及基本功能的讲解，使读者有基本的认识。接下来基本原理和类型的介绍使读者了解其工作本质。然后开始探讨UPS电源的合理使用方案，包括电池负载等等。最后步入对UPS电源“11”并联冗余系统优缺点分析与改进方案的探讨。关键字UPS；配电系统；医疗设备；“11”并联冗余系统ABSTRACTWITHTHERAPIDDEVELOPMENTOFMEDICALTECHNOLOGY,THEDEVELOPMENTOFMEDICALEQUIPMENTUPDATEALSOWITHEACHPASSINGDAY,SOMEADVANCEDEQUIPMENTSAREINCREASINGLYAPPLIEDINCLINICALTHEEQUIPMENTISBECOMINGMOREANDMOREHIGHTOTHEREQUIREMENTOFPOWERSUPPLYSYSTEMEQUIPMENTINVARIOUSSENSITIVEELECTRONICCOMPONENTSNEEDSTABLEPOWERSUPPLYSOTHESEDEVICESNEEDASTABLEPOWERSUPPLYSYSTEMSOUPSUNINTERRUPTIBLEPOWERSYSTERMUNINTERRUPTIBLEPOWERSUPPLYUSEAKEYTOPROTECTIMPORTANTEQUIPMENTINTHISPAPER,INCOMBINATIONWITHTHEPRACTICALAPPLICATIONSITUATIONOFLARGEMEDICALEQUIPMENT,SINCEFIRSTINTRODUCEDTHEBASICPRINCIPLEOFUPS,THROUGHTOTHECOMMONLYUSEDWORDSANDTHEINTERPRETATIONOFTHEBASICFUNCTIONS,MAKEREADERSHAVEABASICUNDERSTANDINGOFTHENONTHEBASICPRINCIPLESANDTYPESOFMAKEREADERSUNDERSTANDTHENATUREOFWORKANDTHENBEGANTOEXPLORETHERATIONALUSEOFUPSPOWERSUPPLYSCHEME,INCLUDINGBATTERYLOAD,ANDSOONFINALLYSTEPPEDINTOTHE“11“PARALLELREDUNDANTUPSPOWERSUPPLYSYSTEM,ADVANTAGESANDDISADVANTAGESOFANALYSISANDIMPROVEMENTPLANKEYWORDSUPSPOWERDISTRIBUTIONSYSTEMARMARIUM11PARALLELREDUNDANTSYSTEM目录第一章绪论11UPS在医疗领域的重要性12课题的提出1第二章UPS电源的基本原理与合理使用21UPS不间断电源常用词汇及其基本功能22UPS具有以下几项基本功能23UPS电源工作原理331在线式332后备式433线上交错式54UPS主机的正确使用55UPS电池的维护6第三章对UPS运行过程的分析与系统连接方式的改进71双UPS冗余并联ATS的功能72直流逆变过程分析73UPS电源“11”并联冗余系统运行过程分析84UPS电源“11”并联冗余系统优缺点分析与改进方案1041这种运行方式的优点1042不可避免的缺点1043对传统连接方式的探讨改进115PHILIPSBRILLIANCETM40CTUPS连接举例13第四章总结15参考文献16致谢17第一章绪论1UPS在医疗领域的重要性随着医疗系统的集中化管理逐渐成为一种发展趋势,各级医院对于数据中心、关键设备的保护尤为重视，医疗系统信息化、精密化已经成为一个共识。为了使医院内的各种医疗设备拥有一个安全、可靠的电源保障，UPS等高可靠供电系统逐渐被应用到医院机房及重要医疗系统上。UPS（UNINTERRUPTIBLEPOWERSYSTERM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，一路给充电器作为电池充电，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50HZ交流电，向负载供电。当市电异常或供电中断时，逆变器改为电池提供能量继续工作，这样逆变器始终处于工作状态，保证无间断地给医疗设备供电。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。电网存在至少九种问题断电、雷击尖峰、浪涌、频率震荡、电压突变、电压波动、频率漂移、电压跌落、脉冲干扰；因此从改善电源质量的角度来说给电脑配备一台UPS是十分必要的。另外，精密的网络设备和通信设备是不允许电力有间断的，以服务器为核心的网络中心要配备UPS是不言而喻的，即使是一台普通电脑，其使用三个月以后的数据文件等软件价值就已经超过了硬件价值，因此为防止数据丢失而配备UPS也是十分必须的。2课题的提出UPS电源也称不间断电源，能够提供持续、稳定、不间断的电源供应的重要外部设备。顾名思义UPS电源，它就是一台这样的机器，它在市电停止供应的时候，能保持一段供电时间，使人们有时间存盘，再从容地关闭机器。在实习期间某几个医院中向技师了解到，他们医院的UPS存在不少问题，如维修两台并联的UPS中一台，拆线过程中需要将所有负载断电，不方便不合理。在查阅相关电路图等资料后，发现在配电箱跟开关上略有不足可以试着更换改进，于是提出了本论文的一些概念。第二章UPS电源的基本原理与合理使用1UPS不间断电源常用词汇及其基本功能安时数（AH）反映电池容量大小的指标之一，其定义是按规定的电流进行放电的时间。相同电压的电池，安时数大的容量大；相同安时数的电池，电压高的容量大。通常以电压和安时数共同表示电池的容量，如12V/7AH、12V24AH、12V/65AH、12V/100AH。避雷器用来吸收雷击波的器件，工作原理是，雷击产生瞬间高电压进入电路，引起避雷器导通吸收雷击电流，将电路电压箝位在安全范围之内。可做为避雷器件的元件有多种，如压敏电阻、放电管等。保险丝一种过热熔断型的小型器件，超载或负载短路时引起电流过大会烧断保险丝，保护电子设备不受过电流的伤害，也可避免电子设备因内部故障所引起的严重伤害。因此，每个保险丝上皆有额定规格，当电流超过额定规格时保险丝将会熔断。（注如使用的不是原厂所规定的同规格保险丝有可能造成机器故障，或是引起线路起火，危害自身的安全。最好是使用原厂所规定的同规格保险丝，既可保护设备也可保护确保人身安全。）电子脱扣器是用电子元件构成的电路，检测主电路电流，放大、推动的配漏电保护器。当线路有漏电或人身触电时通过零序电流互感器的电流的矢量和不等于零，互感器二次线圈的二侧产生电压，并经集成电路放大，当达到整定值时，通过漏电脱扣器在01秒内切断电源，从而起到触电和漏电保护作用。稳压精度指输出端电压的相对变化量，为一百分数，越小越好。当输入电压或负载发生变化时，UPS的输出电压也会升高或降低，变化越小说明稳压精度越高。ATS全称为“自动转换开关电器“，是AUTOMATICTRANSFERSWITCHINGEQUIPMENT的缩写。ATS主要用在紧急供电系统，将负载电路从一个电源自动换接至另一个（备用）电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。不间断电源UPSUNINTERRUPTIBLEPOWERSYSTEMORSUPPLY是由电池组、逆变器和其他电路组成，能在电网停电时提供交流电力的电源设备。2UPS具有以下几项基本功能（1）电网电压正常时，市电电压通过UPS稳压后供应给负载使用，性能好的UPS本身就是良好的交流稳压器；同时它还对机内的电池进行充电，贮存后备能量。（2）电网电压异常时（欠压、过压、掉电、干扰等）UPS的逆变器将电池组的直流电能转换成交流电能维持对负载的供电。（3）UPS在电网供电和电池供电之间自动进行转换，确保对负载的不间断供电。一般的电脑设备允许有很小的电力间断（切换时间10MS以内），但精密的电脑设备和通信设备不允许电力有间断（切换时间0MS），所以应确认你需要的UPS切换时间究竟是多少。3UPS电源工作原理UPS电源按工作原理分成在线式、后备式与在线互动式（线上交错式）三大类。UPS电源现已广泛应用于工业、通讯、国防、医院、广播电视、计算机业务终端、网络服务器、网络设备、数据存储设备等领域。31在线式图21在线式UPS原理在线式UPSONLINEUPS的运作模式为“市电和用电设备是隔离的，市电不会直接供电给用电设备”，而是到了UPS就被转换成直流电，再兵分两路，一路为电池充电，另一路则转回交流电，供电给用电设备，市电供电品质不稳或停电时，电池从充电转为供电，直到市电恢复正常才转回充电，“UPS在用电的整个过程是全程介入的”。原理如图21。其优点是输出的波型和市电一样是正弦波，而且纯净无杂讯，不受市电不稳定的影响，可供电给“电感型负载”，例如电风扇，只要在UPS输出功率足够的前题下，可以供电给任何使用市电的设备。UPS电源一直使其逆变器处于工作状态，通过电路将外部交流电转变为直流电，再通过高质量的逆变器将直流电转换为高质量的正弦波交流电输出给计算机。在线式UPS在供电状况下的主要功能是稳压及防止电波干扰在停电时则使用备用直流电源蓄电池组给逆变器供电。由于逆变器一直在工作，因此不存在切换时间问题，适用于对电源有严格要求的场合。在线式UPS电源不同于后备式的一大优点是供电持续长，一般为几个小时，也有大到十几个小时的，它的主要功能是可以让您在停电的情况可像平常一样工作，显然，由于其功能的特殊，价格也明显要贵一大截。这种在线式UPS比较适用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业，因为这些领域的电脑一般不允许出现停电现象。32后备式图22后备式UPS原理后备式又称为非在线式不间断电源OFFLINEUPS，它只是“备援”性质的UPS，市电直接供电给用电设备也为电池充电NORMALMODE，一旦市电供电品质不稳或停电了，市电的回路会自动切断，电池的直流电会被转换成交流电接手供电的任务BATTERYMODE，直到市电恢复正常，“UPS只有在市电停电了才会介入供电”，不过从直流电转换的交流电是方波，只限于供电给电容型负载，如电脑和监视器。平时处于蓄电池充电状态，在停电时逆变器紧急切换到工作状态，将电池提供的直流电转变为稳定的交流电输出，因此后备式UPS也被称为离线式UPS。原理如图22。后备式UPS电源的优点是运行效率高、噪音低、价格相对便宜，主要适用于市电波动不大，对供电质量要求不高的场合，比较适合家庭使用。然而这种UPS存在一个切换时间问题，因此不适合用在关键性的供电不能中断的场所。不过实际上这个切换时间很短，一般介于2至10毫秒，而计算机本身的交换式电源供应器在断电时应可维持10毫秒左右，所以个人计算机系统一般不会因为这个切换时间而出现问题。后备式UPS一般只能持续供电几分钟到几十分钟，主要是让您有时间备份数据，并尽快结束手头工作，其价格也较低。对不是太关键的电脑应用，比如个人家庭用户，就可配小功率的后备式UPS。33线上交错式图23交错式UPS原理线上交错式又称为线上互动式或在线互动式LINEINTERACTIVEUPS，基本运作方式和离线式一样，不同之处在于线上交错式虽不像在线式全程介入供电，但随时都在监视市电的供电状况，本身具备升压和减压补偿电路，在市电的供电状况不理想时，即时校正，减少不必要的“BATTERYMODE”切换，延长电池寿命。原理如图23。这是一种智能化的UPS电源，所谓在线互动式UPS，是指在输入市电正常时，UPS的逆变器处于反向工作即整流工作状态，给电池组充电在市电异常时逆变器立刻转为逆变工作状态，将电池组电能转换为交流电输出，因此在线互动式UPS也有转换时间。同后备式UPS相比，在线互动式UPS电源的保护功能较强，逆变器输出电压波形较好，一般为正弦波，而其最大的优点是具有较强的软件功能，可以方便地上网，进行UPS的远程控制和智能化管理。可自动侦测外部输入电压是否处于正常范围之内，如有偏差可由稳压电路升压或降压，提供比较稳定的正弦波输出电压。而且它与计算机之间可以通过数据接口如RS232串口进行数据通讯，通过监控软件，用户可直接从电脑屏幕上监控电源及UPS状况，简化、方便管理工作，并可提高计算机系统的可靠性。这种UPS集中了后备式UPS效率高和在线式UPS供电质量高的优点，但其稳频特性能不是十分理想，不适合做常延时的UPS电源1。4UPS主机的正确使用在使用UPS之前应认真仔细阅读随机使用说明书。UPS适宜长期不间断工作，不宜每天或经常开关机。对负载确需断电的，可在UPS输出端与负载之间串接空气开关，关闭空气开关即可断开负载的电源。应定期半年对UPS做一次清洁除尘工作，以防止灰尘进入机箱影响电子器件散热，而损坏电子器件。应定期检查及更换UPS的散热风扇和大容量电容器2。5UPS电池的维护由于UPS使用的是免维护蓄电池，每只12V，基本上都采用串联工作方式，一般是几只至几十只串联不等。只要其中一只电池内阻增高或损坏，则整组电池就不能按设计容量供电，就有可能造成停电事故。所以，必需定期检查和维护蓄电池3。（1）新购买的UPS或新更换的蓄电池要先给电池充足电后再使用。由于UPS从生产到用户安装使用，需要一段时间，这段时间内，蓄电池由于自放电造成容量减少，达不到所标称的延时时间，为确保正常供电，UPS在初次使用时必须按产品使用手册上的要求充电数小时。（2）蓄电池的使用要注意环境温度，蓄电池一般应在030之间环境温度中来使用。温度过高蓄电池的寿命将大大缩短，对密封式免维护蓄电池来说，当环境温度超过25时，温度每升高10，电池的使用寿命将缩短一半。温度过低，蓄电池实际可释放的容量也将大大减少。（3）蓄电池组长期处于充电状态下，其内阻会增大或永久性损坏。因此，避免将蓄电池长期置于“浮充”状态，对于那些很少长时间停电的地区运行的UPS必须每隔3个月就要人为地放电一次，即关掉UPS的交流输入电源，让UPS处于电池模式供电，电池放电电流01A。（4）应避免蓄电池深度放电或长时间小电流过电量放电。当蓄电池小电流放电时，由于从蓄池的端电压下降速度比大电流时缓慢，所以当UPS保护关机时，蓄电池实际上已经过电量放电，造成蓄电池失效或寿命缩短。如果蓄电池深度放电，也会影响其寿命，当蓄电池组放电后一般需要8H12H时间充电才能将蓄电池充好。（5）定期半年检查蓄电池组中每只蓄电池的端电压及其容量，每只蓄电池间端电压不超过1V若超过1V就需要进行维护，即用均衡衡压限流05A充电或更换该电池。电池组使用4A5A后需要全组更换,以保证UPS的正常使用4。第三章对UPS运行过程的分析与系统连接方式的改进1双UPS冗余并联ATS的功能ATS全称为“自动转换开关电器“，是AUTOMATICTRANSFERSWITCHINGEQUIPMENT的缩写。ATS主要用在紧急供电系统，将负载电路从一个电源自动换接至另一个（备用）电源的开关电器，以确保重要负荷连续、可靠运行。双交流输入可能是双市电，也可能是一路市电和一路燃油发电机组。在这里以市电油机输入为例。双机冗余并联时一般是利用ATS将市电油机互投为一路输出，如图31所示。比如原来以市电为主电源，油机为备用电源，此时ATS通常就接通市电到UPS组。当市电故障时，ATS就断开市电而将油机转接到UPS组上。图31ATS原理2直流逆变过程分析将直流电变化成交流电的过程称为直流逆变。直流逆变的方法通常有桥式逆变、半桥式逆变和单端逆变。桥式逆变的应用最为普遍，原理图如图32所示。图中K1K4为电子开关，Z为负载阻抗。本电路的基本特点是适当控制四只电子开关的动作来实现直流到交流的变换。若电路上能确保四只电子开关按以下顺序开关闭，则在负载Z上的电压波形就为正负交替的矩形波。图32直流逆变的原理时间T1K1、K2闭合，K3、K4断开，电流为I1，Z上电压为E时间T2K1、K2断开，K3、K4断开，电流为0，Z上电压为0时间T3K3、K4闭合，K1、K2断开，电流为I1，Z上电压为E时间T4K3、K4断开，K1、K2断开，电流为0，Z上电压为0T1T4为一个周期T，然后周而复始。产生周期震荡的矩形方波。（高频机采用RLC震荡的桥式逆变）5。3UPS电源“11”并联冗余系统运行过程分析因为大型医疗设备还有很多单电源设备以及专用设备，所以UPS电源的配电方案大多采用“11”并联冗余运行模式。如图33图33传统11并联冗余连接电路图11直接冗余并机系统的运行过程6（1）两台UPS的输入端接在同一路市电上，如果有两路市电输入，就必须把两路市电通过ATS开关变成一路，同时，在UPS的支撑下，可使两路市电本身构成冗余配置。（2）两台UPS同频、同相、同输出电压幅值运行，将输出直接并接在一起，并通过配电柜向负载供电。在系统运行正常时，两台UPS各承担50的负载均流运行。在按冗余方式运行扯11并机供电系统中，可能出现的最大稳态负载功率应该等于或小于一台UPS单机的额定输出功率。因此，每台UPS的最大负载量仅为其额定输出功率的50。（3）市电正常时，如果一台UPS出现故障，在并机程序命令的控制下自动将该UPS关机，继续把位于UPS的交流旁路供电通道上的静态开关置于断开状态。（这一点与UPS单机工作方式是完全不同的。当UPS以单机形式工作时，一且它的逆变器输出断路器开关被关断，即UPS处于自动关机状态时，交流旁路静态开关就自动置于导通状态。）这就是所谓的“选择性自动脱机“操作。市电正常时，在一台UPS己因故障而脱机的情况下，如果发生负载电流过载或剩下的一台UPS也发生故障时，则此台UPS转旁路运行，由静态旁路开关通路继续向负载供电，此过程与单机运行情况相同。（4）在市电和两台UPS正常运行时，负载发生过载或短路现象。当负载电流过载量大于一台的输出功率，但小于两台UPS的输出功率的总和时，并机系统继续向负载供电，但此时的并机系统将从具有容错功能的冗余工作状态进入没有任何容错功能的非冗余工作状态。这时，并机系统会向用户发出无冗余功能的提示性报警。当实际负载量超过两台UPS的总输出功率时，或者负载发生短路，在并机程序命令的控制下，它会在关断两台UPS的逆变器输出开关的同时，立即将位于两台UPS的交流旁路供电通道上的两个“静态开关“同时置于导通状态。（5）在系统正常运行的情况下，市电故障掉电或市电电压超过范围，两台UPS同时无间断转电池逆变运行，并保持均分负载供电。此时UPS的逆变器进入本机振荡频率工作状态，但两台之间仍存在频率同步和锁相的问题。在因市电停电而使两台UPS都转电池逆变的情况下，其中一台UPS发生故障，则此台UPS脱机，由另一台继续运行并承担100负载，同时给出相应的无冗余功能的故障提示。（6）如果市电故障发生在并机系统中的一路UPSUPS输入环节故障，另一路UPS将继续在市电提供的交流电源的支持下向负载供电，并且其工作频率继续同步跟踪市电电源频率。此时，负载电流将全部由输入市电正常的UPS提供，输入市电故障的UPS并不输出功率，只是处于电池浮充状态，它从市电正常的一路UPS获得所需的浮充电流，从而确保它一直处于满充状态，以便在万一另一台UPS的市电输入电源也出现故障时，位于这种N1型并机系统中的两套电池组均能以满充的原始状态向WS的逆变器提供能源，同时可保证在两路UPS输入市电先后故障掉电后，系统处于电池逆变状态下仍然具有冗余功能。4UPS电源“11”并联冗余系统优缺点分析与改进方案41这种运行方式的优点两台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电源输出的电压、电流、频率相等，两台UPS电源各自承受一般负载，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电源能承担起全部负载。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8。图34双机并联可靠性简图双机11冗余并联供电的可靠性强，假如每台UPS的可靠性R099，为了简单起见，暂认为两台UPS的可靠性相等，做出双机11冗余并联供电的可靠性模型图，如图34所示7。现在这个供电系统的可靠性R2就是R21（1R）211099209999故障率为10999900001，由原来的百分之一到现在的万分之一。可靠性提高了两个数量级42不可避免的缺点从图5中可以看出来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录开关都是固定安装，安装后会存在几个问题（1）两台UPS电源并联输出到配电柜只有一个路线，当这根电缆或开关出故障时负载全部停电。（2）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段，影响两台UPS电源输出母线，所有负载全部断电。（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。43对传统连接方式的探讨改进为了克服以上问题，对图33稍加改进如图35。图35改进后的“11”双机并联电路图（1）将两台UPS电源输出端电缆都引到配电机柜上（使用抽屉式开关）。总开关使用电子脱扣器，带有短路短延时功能；分路开关与总开关之间都有选择性，因为脱扣的延时，使得负载故障后分路开关在极短时间跳闸，不会影响到总开关，也就不会影响到UPS输出母线。如果两台UPS电源其中一台损坏需完全隔离，只需将对应机柜抽屉拉开即可。不用全部停电，隔离损坏的UPS方便快捷9。（2）我们将UPS输入部分两路电源经ATS切换只供给UPS整流逆变部分，旁路给备用电源提供，防止主电源停电在ATS切换的瞬间电池组发生故障（UPS电池组由几十节电池串联组成，一个坏全部失效，故障率高）10。此时UPS自动切换到静态旁路由备用电源直接供电给负载；当ATS切换到备用电源后，UPS恢复正常工作状态，供电可靠性提高。图36抽屉式机柜与电子脱扣器实例5PHILIPSBRILLIANCETM40CTUPS连接举例图37BRILLIANCETM40UPS连接端口该UPS用于充电的电池是外装的，这点不同于大众UPS，同样是在线式。输出负载有三个主机HOST、诊断辅助CIRS机以及机架。市电断电情况下，将正常状态下电池充的电逆变成为交流电供负载使用。连接如图38。图38BRILLIANCETM40UPS连接简图第四章总结1总结本文结合大型医疗设备实际应用情况，从UPS的基本原理开始介绍起，通过对常用词汇及基本功能的讲解，使读者有基本的认识。接下来基本原理和类型的介绍使读者了解其工作本质。然后开始探讨UPS电源的合理使用方案，包括电池负载等等。UPS的电池是易坏件，需经常维护，做好温度与充电等检测，定期（半年）检查电池组中每只电池的端电压跟容量。未雨绸缪最后步入对UPS电源“11”并联冗余系统优缺点分析与改进方案的探讨。在线式UPS比较适用于计算机、交通、银行、证券、通信、医疗、工业控制等行业，在满足不停电的前提下