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典型医疗设备电气谐波抑制方法宝典,赶紧收藏了!

  2019-09-23

谐波对医疗设备的影响是巨大的,高次谐波会使医疗设备在使用时产生故障,如发生数据差错、传送图像模糊、信息丢失等。更严重时会产生设备故障,造成医疗设备无法正常工作。特别是在检测人体各种生物电信号时,如心电图机、脑电图机、心电监护仪、超声诊断仪等,由于所测量的信号微弱,更容易受到干扰,导致波形发生畸变而造成误诊。通用大型医疗仪器设备,如核磁共振、CT、数字X光机、数字减影血管造影等,既能产生谐波,又容易受谐波影响而造成电路系统损坏,影响正常检查工作。下面我们就对这些典型的医疗设备谐波进行详细的分析,同时对谐波的抑制方法进行探讨。



典型医疗设备谐波分析


1.核磁共振


核磁共振检查已经成为一种常见的影像检查方式,作为大型非线性设备,工作时会产生大量谐波,注入电网。通过对核磁共振供电电源进行测量及对电流、电压信号进行分析,我们发现核磁系统在工作时电流波形极其不稳定,经过大量数据分析,核磁共振供电线路上的电流在波峰处畸变严重,但高次谐波含量较低,其中开关电源是产生谐波的主要部件。


经研究发现,核磁共振在不同工作状态下,对应的各次谐波含量也不相同,其中高次谐波为5次谐波,并且系统的功率因数也会因谐波的影响而降低,所以在进行系统设计时应选取比实际工作时高的功率因数。


2.CT


CT,即电子计算机断层扫描,通过对CT设备供电线路的电流电压信号进行连续测量,对电流、电压和谐波信号进行分析,会发现设备在工作时会造成电流突变,主要产生3次和5次谐波,对周围医疗设备和系统本身产生的影响较大。


3.数字X光机


数字X光机是数字化的摄像系统,通过X摄影技术获取图像而后通过计算机对数字图像进行处理。在对X光机电源输入侧进行电压、电流信号测量时,发现线路中的5次谐波含量多,其次是7次、13次谐波,系统在工作中7次、13次谐波变化较大并且含量也多,对周围其他医疗设备产生影响较大。另外,分析检测获知开关电源是数字X光机产生谐波的主要部件。


4.数字减影血管造影


数字减影血管造影技术普遍用于临床各种疾病的诊断与治疗当中,通过对设备供电电流有效值及基波电流分析,系统所产生的谐波主要是3次谐波,对其他设备产生影响较大。同时也有其他奇次谐波出现,但是高次谐波含量较低,影响较小。


通过对典型医疗设备产生的谐波进行分析,我们可以看出,典型医疗设备所产生的谐波电流频谱很宽,并且主要是奇次谐波,其中3次、5次谐波含量最高,对其他系统影响较大。谐波还会造成系统的功率因数降低,影响设备工作,谐波还会对供电系统产生影响,降低供电电源质量,出现供电不平衡状态。典型医疗设备由于功率较高,运行时电流较大,因此,在使用时能对供电系统产生很大影响,所产生的谐波电流对供电线路造成谐波污染,会影响其他用电设备,特别是对医院自身的设备仪器产生影响,因此,必须对通用医疗设备自身产生的谐波进行治理。



典型医疗设备谐波抑制方法


常用谐波抑制方法


1.增加整流的相数


整流可以有效抑制谐波,对于低频率的谐波,可通过增加整流相数或增加整流脉动数来进行抑制。根据经验可知,整流相数增加一倍,就可以将谐波电流下降4~5倍,这样就可以有效降低谐波数量。


2.安装交流滤波器


交流滤波器的主要作用是滤除电路中的谐波和补偿无功功率。通过在产生谐波的系统上安装交流滤波器,可以滤除大多数谐波电流,很好地降低设备的谐波电压,抑制谐波的产生。


3.安装动态有源电力滤波器


有源电力滤波器能够动态有效地抑制谐波,对无功功率进行补偿。其主要优点是能够进行动态跟踪,也就是根据谐波的变化情况进行变化补偿,可以有效抑制不同大小和频率的谐波。有源电力滤波器在工作时通过对负载进行电流采样,确定谐波电流,控制产生与谐波电流相反的补偿电流,抵消负载中的谐波电流,实现动态调整。介于医疗设备的特殊性要求,我们采用有源电力滤波器进行滤波。


有源电力滤波器系统构成



典型医疗设备谐波的抑制


无源滤波器结构简单,通过电容与电抗构成回路,让谐波电流流入滤波装置中,并且只对固定频率的谐波进行抑制。而有源滤波器通过晶闸管控制电路进行控制,使谐波产生时会生成一个方向与谐波相反、大小与谐波相等的电流来抵消谐波电流。有源滤波器对于变化莫测的谐波能够快速跟踪并进行快速补偿,而无源滤波器无法实现动态响应,滤波效果不如有源滤波器。


医疗设备因其特殊性要求,要求其具有一定的精度,保证设备的正常运行。针对典型医疗设备工作时产生谐波的情况,考虑到对其它设备和自身的影响,根据有源滤波闭环控制策略的不同,选择针对特定次数谐波的比例谐振控制,即PR控制方式。


1.有源电力滤波器(APF)选择


有源电力滤波器并联在低压配电系统中,通过系统控制,产生与谐波电流幅值相等、方向相反的补偿电流,并注入电力系统中,从而将电源侧电流补偿为正弦基波电流,抵消非线性负载所产生的谐波电流,具体并联型有源滤波器应用如下图所示。


APF有源滤波器应用示意图


2.有源电力滤波器谐波检测方法


p-q法、ip-iq法和D-P法是有源电力滤波器谐波检测主要采用的三种方法,而对于典型的医疗设备所采用的有源谐波滤波器,我们采用谐波进行检测。D-P谐波检测具有前两种检测法的优点,并且还能使系统电流计算变得相对简单,而p-q检测法对电源系统要求较高,对于那些非三相电网有畸变的供电系统不能使用这种方法,因此具有局限性,而ip-iq检测法虽然突破了p-q检测法的局限性,应用范围也相对广一些,但效果还是不如D-P检测法。


3.有源电力滤波器补偿电流控制


对于有源滤波器PWM的生成方法有多种,我们这里采用的是SVPWM 方式(Space Vector Pulse Width Modulation),也就是空间矢量脉宽调制方式。这种控制方式简单容易,应用较为广泛,能够有效减小谐波含量,降低设备和电机的损耗。

APF闭环控制的方法很多,我们采用PR控制法。PR调节器,即比例谐振控制,在基波频率处的环路增益可以很高,可以跟踪电力系统特定次数的谐波并进行无静差控制,实现电网电流的无差控制,滤波效果好。经过测量,PR控制方法对于低压配电系统负载侧的电流总谐波畸变率由17.89%降为1.49%,可以对通用医疗设备的谐波进行有效治理,并且PR控制策略的算法也较为简单。



随着科技的进步,越来越多的新型医疗设备将会应用到医疗领域,致使医院供电系统谐波含量不断增加,造成医疗仪器设备的损坏及运行故障。目前有些医院在医院总配电室安装谐波滤波器,而针对具体的典型医疗设备没有安装滤波器,会造成这些设备周围的供电质量受到污染,影响周围其他设备的使用,所以可以在大量产生谐波的医疗设备处加装谐波滤波器,将谐波及早进行抑制,保证医院内部供电质量。



节选自本刊2019年7期

作者:王燕妮/威海市立医院

图来源:威海市立医院与文无关


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