数字化设备电环境需求的选择性研究

2024.03.30

杨　明

摘要:大型数字化设备在医院和学校被广泛应用,而电能质量对数字化设备的影响日益被重视。本文从介绍电能质量入手,阐述了电压偏差、频率、谐波对数字化设备的影响,并提出了改善供电质量的几种策略。

关键词:数字化设备;电能质量;电压偏差

如今各种复杂的、精密的、对电环境超敏感的负荷设备被医疗、教学、科研院所广泛使用,这些设备是保证工作被精准完成的物质基础和重要保障,要求设备具有安全可靠、连续运转、精度高、重复性好、抗干扰、无污染,能够不间断地进行数据传输、存贮等。数字化设备的稳定运行要依靠电网系统输送持续高质量电能,但在实际运行中,由于电网中变频驱动或晶闸管整流直流驱动设备、计算机、电弧炉等非线性负载的影响而导致电网污染,电能质量下降,电网存在的电压浪涌、电压尖峰、电压瞬变、噪声电压、过压、欠压、电源中断等污染和干扰始终威胁着设备的运行安全，造成电子设备在运行时经常出现程序运行错误,严重的造成数据丢失、硬件损坏,尤其使得对电能质量敏感的数字化设备的安全运行指数显著降低,数字化设备的故障严重影响科学的数据采集，严重的时候会产生不可挽回的损失和后果。

电能质量对数字化设备的影响

电能质量是指供电装置在正常工作情况下不中断和干扰用户使用电力的物理特性。所谓电能质量实质上是各种单一的扰动和不平衡现象的总和在电网中的集中体现。它强调的是电网与用电设备之间的相互影响。理想的电力系统应以恒定的频率(50Hz)正弦波形、按照规定的电压水平对用户供电,在三相交流电力系统中,各相的电压和电流应处于幅度大小相等、相位互差120°的对称状态。然而,由于系统各元件的参数并不是理想线性或对称的、调控手段不完善、负荷性质各异且变化的随机性、各种故障等原因,理想状态在实际中并不存在。

作为敏感负荷的数字化设备,电能质量对数字化设备具有严重的影响。电压的波动使数字化设备的电源系统发生故障,轻则烧断保险丝,重则损坏电源系统和整台设备;供电频率偏移会对一些精度较高而又需要市电频率同步或做基准的设备可靠性大打折扣;供电中断会使医疗设备MRI、CT、DSA等依靠计算机程序控制的大型数字化设备数据记录丢失,或者系统软件被损坏,严重时会损坏主机和硬盘,更严重的是直接影响CT球管的寿命和控制电路、高压箱的安全,以及MRI的磁体线圈、梯度功放、射频功放等部件的安全,甚至会立即损坏这些部件;尖峰电压、浪涌电压、噪声干扰、奇次谐波等会造成数字化设备的电路板损坏,计算机控制出现紊乱,高压系统不稳定而危及整机安全。

目前大型数字化设备基本上采用计算机控制,电压偏差对数字化设备的核心控制器的计算机硬件或软件的影响是造成数字化设备不能正常工作的关键问题之一,其中枢控制系统对电压的跌落更为敏感。电压偏差还使其它电子数字化设备的硬件运行发生故障或错误,或使设备的低电压保护或快速过流保护动作而使设备电源跳闸,导致设备断电而彻底停止运行。

电源频率对数字化设备的影响

铁磁谐振式稳压器对频率非常敏感。交流电源的频率对数字化设备的使用有重要意义。例如X射线灯丝电源一般由铁磁谐振式稳压器供电。对频率非常敏感,略有变化都会使其输出电压值产生较大波动,使灯丝电压、X射线管电流也产生波动,从而改变透照条件,影响胶片黑化效果。在实际X光机进行投照工作时,电源频率的变化与管电压、管电流的升降成正比关系,电源频率的改变会对X光机等数字化设备的正常工作会造成很大影响。

电源频率的变化能导致交流电动机转速的改变。这是因为交流电动机的转速与其电源频率成正比。另外,有的数字化设备是按60Hz设计的,将这种设备用于50Hz电源,有时就得采取相应措施。电源频率的变化能使有的定时电路工作异常。这是因为为了简化电路和与电源信号相位同步,有的数字化设备中使用的定时电路是利用对交流电源信号整形后计数实现的,电源频率的改变必然会影响此类定时器的定时。电源频率的降低能使电源变压器偏热并使电源保险管容易烧断。因为有很多数字化设备是按国外60Hz电源设计制造的,将其用于国内50Hz电源时有些变压器就会偏热,这是由于变压器线圈的每伏匝数与其所工作的电源频率成反比。所以,设计在60Hz下工作的变压器若用于50Hz中,就会出现初级线圈匝数偏少、感抗不足而使电流偏大的现象。电源频率的变化会使电源信号对数字化设备的干扰发生改变。遥控诊断X线机等数字化设备具有闭路电视系统,电源信号通过地线或空间耦合等途径不可避免地会串入电视系统的亮度通道中而对其亮度产生干扰。电源频率的变化会使磁饱和稳压器工作失灵。磁饱和式稳压器中有对频率十分敏感的LC谐振电路,电源频率的改变会令其失谐,最终导致稳压器工作失灵。

谐波对数字化设备的影响数字化设备的主控制电路普遍采用硅整流电路,一方面,这些设备的电路按一定规律开闭不同电路,因而将产生特性和非特性谐波电流注入系统,所以它是一种谐波源;另一方面,外部电源谐波可影响换流器和换流器负荷的运行,从而引起数字化设备故障。由谐波引起系统误差而造成触发角位移和由于电流和电压的变化引起的可控硅故障都会给换流装置带来影响。某些受控制的整流器的控制逻辑往往因畸变电压而导致运行误差,造成由其控制的数字化设备出现停机,严重的将被损坏。随着各种计算机系统在数字化设备中的普遍使用,尤其是数字式可编程的数字化设备对供电系统电能质量提出了新的要求。若是供电电压存在高次谐波,则会对计算机数据的传输、处理带来严重的影响,特别是运算速度快的计算机会产生误动作,使正常的工作程序被破坏,造成数字化设备数据丢失、软硬件损坏。

有效遏制不良电环境对数字化设备的不良影响，可以采用以下几种措施。接地法，对需要安装的数字化设备必须满足其接地条件。大型设备要求有独立供电线路,并且单独接地,接地电阻值一般小于1Ω。良好的接地可以有效地消除某些高频干扰。对已经安装了的设备,尤其是安装在旧建筑中的数字化设备,进行彻底普查,确认供电电路是否满足设备要求的条件,是否有良好的接地,否则要进行改造。电源滤波器法，通过加装电源滤波器的方法,使高频电磁干扰被抑制,得到恒定的供电。选择滤波器时,应注意工作电压、工作电流和抑制频率等参数。在安装时,滤波器应安装在靠近数字化设备的地方,其外壳应良好接地。净化交流稳压电源法，采用高精度净化交流稳压电源为数字化设备供电,它不仅能抑制来自公共电源的各种干扰,而且还能有效地抑制公共电源的瞬间高压、瞬间下跌、尖峰和脉冲。在选用时要注意其技术参数,使其达到稳压精度高、范围宽、动态响应速度快、抑制能力强、波形失真小,整机效率高的要求。UPS法，大型数字化设备需要具有稳压、稳频、滤波、抗电磁干扰、防电压突然中断等功能的供电系统。UPS不间断电源正是这种合适的供电系统。一般采用在线式UPS作为供电电源,UPS在有市电时,提供机内逆变器输出的稳定的正弦波电源,当市电供电出故障或完全中断时,由UPS内置或外置的蓄电池组继续向逆变器提供直流电源,从而保证UPS输出无时间中断的稳定的正弦波电压给数字化设备正常供电。

参考文献