CC BY
118
УДК 621.314.5
ПРИМЕНЕНИЕ СИСТЕМ БЕСПЕРЕБОЙНОГО ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ В ЭКСТРЕННОЙ МЕДИЦИНЕ
А.Г. Гарганеев
Томский политехнический университет E-mail: garganeev@rambler.ru
Рассмотрены особенности построения систем бесперебойного электропитания экстренных медицинских отделений на базе преобразователей напряжения. Представлены функциональные схемы систем бесперебойного электропитания, а также осциллограммы переходных процессов выходного напряжения при работе системы на комплекс параллельно соединенных разнородных нагрузок.
Вопросы повышения качества электроснабжения хирургических и реанимационных отделений медучреждений актуальны в силу их высокой насыщенности современной медицинской аппаратурой и требования надежного функционирования. Исчезновение электропитания может привести к срыву работы медицинской аппаратуры, задействованной при проведении операций и реанимационных мероприятий, и нежелательным последствиям для пациентов.
Среди статических систем выделяется особый класс - системы бесперебойного электропитания (СБЭП) переменного тока с блоком аккумуляторных батарей (АБ), обеспечивающие бесперебойное электропитание задействованных потребителей.
СБЭП должна отвечать следующим основным требованиям:
1. Обладать автономностью, обеспечивая необходимое время работы в условиях отсутствия напряжения в промышленных сетях.
2. Учитывать «технологические» особенности работы экстренных медицинских отделений.
3. Соответствовать техническим характеристикам применяемой медицинской аппаратуры.
4. Не обременять медперсонал обслуживанием, отвечая основному принципу автоматических систем - «установил - включил - забыл».
5. Обладать экологической чистотой и приемлемыми массогабаритными показателями для удобства размещения вблизи потребителя.
Для выполнения этих требований важен учет аспектов: энергетического, технического качества выходных параметров, надежностного, стоимостного, экологического, эргономического. Из данных аспектов начальным в проектировании является, безусловно, энергетический.
Энергетический аспект проектирования СБЭП медицинского назначения должен исходить из тезиса: каждый вид хирургической операции или реанимационного мероприятия имеет свою энергетическую «стоимость» (табл. 1). Расчет энергий, необходимых для проведения различных реанимационных мероприятий и хирургических операций, показывает, что СБЭП переменного тока приемлемых массогабаритных показателей при использовании никель-кадмиевых либо свинцовых АБ мо-
жет обеспечивать электроэнергией стандартную операционную в течение от нескольких часов до суток. Это подтверждает и многолетняя практика применения СБЭП в медучреждениях сибирского региона [1]. При этом энергетический расчет операций и реанимационных мероприятий исходит из особенностей их проведения: учитываются возможные режимы работы и сочетания медицинской аппаратуры, которую можно классифицировать следующим образом:
• осветительная (бестеневые лампы, переносные и головные светильники);
• регистрирующая (мониторы пульса, давления, температуры и т.д.);
• «технологическая» (электронож, электроотсос, наркозный аппарат, электропила, электросверло, хирургическая эндоскопическая аппаратура);
• «жизнеподдерживающая» (аппарат искусственной вентиляции легких (ИВЛ), насосы, дефибриллятор, «искусственная почка», кардиостимулятор, барокамера);
• информационно-диагностическая (приборы экстренной диагностики в клинических лабораториях. Сюда же можно отнести центрифуги, рентгеновские аппараты, компьютеры, интеллектуальные аппараты ИВЛ с микропроцессорным управлением).
Аспект обеспечения качества выходных параметров СБЭП исходит из того, что ее нагрузкой являются разнородные параллельно подключаемые потребители, выполняющие различные задачи единого технологического процесса (табл. 2). При этом их работа в аварийном режиме происходит в условиях первичного источника электропитания ограниченной мощности (АБ), параметры которого изменяются во времени. Электрическая разнородность параллельно подключенных потребителей, их различные режимы работы (рис. 1), а также переменные во времени параметры первичного источника характеризуют функционирование медицинских СБЭП как работу в условиях неопределенности.
Для реализации СБЭП медицинского назначения из известных структур представляется целесообразным применение типов «у линии» - (offline) и «линейно-интерактивный» - (line interactive) (рис. 2) [2] с применением в качестве первичных источников энергии аккумуляторных батарей [3].
Таблица 1. Средняя продолжительность и энергоемкость некоторых хирургических операций и реанимационных мероприятий
Профиль хирургических операций и реанимационных мероприятий Применяемая медицинская аппаратура Средняя продолж., ч Средняя энер-гоемк., кВт.ч
Костные операции в травматологии Аппарат ИВЛ; электронож-коагулятор; операц. лампа; электросверло; электропила; отсос; монитор. 1,5.2 1,2.1,8
Операции на груд. клетке: - легкие - сердце - позвоночник Аппарат ИВЛ; электронож-коагулятор; операц. лампа; электропила; отсос; монитор. Аппарат ИВЛ; электронож-коагулятор; операц. лампа; электропила; отсос; монитор; аппарат искусственного кровообращения. Аппарат ИВЛ; электронож-коагулятор; операц. лампа; электропила; отсос; монитор. 2.2,5 6 2.3 1,8.2,2 3.4 2.3
Операции на брюшной полости (без применения эндоскопич. аппаратуры) Аппарат ИВЛ; операц. лампа; отсос; монитор. 2(опухоли до 5 ч) 2.3
Нейрохирургические операции Аппарат ИВЛ; электронож-коагулятор; операц. лампа; головные светильники; монитор. До 6.8 3.4
Урологические операции Аппарат ИВЛ; коагулятор; операц. лампа; отсос; монитор. 2.2,5 1,8.2,5
Глазные операции Операц. лампа; головные светильники; микроскоп; лазер. 2 0,8.1,2
Операции с применением эндоскопической аппаратуры Аппарат ИВЛ; электронож-коагулятор; операц. лампа; монитор; отсос; инсуфлятор; морцеллятор; осветитель; видеокамера. 1.2 2,0.2,5
Реанимационные мероприятия - общие - новорожденных Аппарат ИВЛ; отсос; мониторы; центрифуга; газоанализатор; насос. Аппарат ИВЛ; мониторы; кювез-инкубатор. 24.72 24.72 4.12 4.50
Схема «у линии» предусматривает переключение потребителя П на автономный инвертор АИ только в случае пропадания напряжения в сети. В нормальном режиме П питается от сети через ключи К1 и К3. Ключи К2, К4 при этом разомкнуты, а ЗУ обеспечивает заряд АБ. При пропадании сетевого напряжения включается ключ К4 и отключается ключ К3. Такие СБЭП отличаются дешевизной. Преимущества схемы «off line» заключаются в ее простоте и экономичности, а недостатки - в отсутствии стабилизации входного напряжения при работе в «нормальном» режиме.
Логическим развитием схемы «у линии» является объединение функций СБЭП и стабилизатора напряжения. Часто длительное повышение или понижение напряжения, являющееся результатом подключения или отключения на подстанции
большого числа потребителей может длиться часами. Однако переход на АБ в этом случае может быть не оправдан, хотя выход напряжения за допустимые пределы способен привести как с сбоям работы потребителя, так и к его выходу из строя. В этом случае целесообразно, не используя энергию АБ, корректировать напряжение с помощью стабилизатора С, функционально объединенного с преобразователем и ключами. Фактически же стабилизатор с ключами является трансформатором с управляемым коэффициентом трансформации. Переход на АБ происходит лишь в случае пропадания напряжения сети или при чрезмерном его понижении. Схема «line interactive» является удачным компромиссом между дорогостоящими системами «on line», с «дельта-преобразованием» и относительно простыми «offline».
Рис. 1. Диаграмма токопотребления хирургической операционной при проведении эндопротезирования тазобедренного сустава
Таблица 2. Характеристика основных типов медицинских приборов с точки зрения электрической нагрузки
№
Тип нагрузки
Принципиальная схема
Назначение
Вид переходного процесса тока при включении в сеть
Кратность пуск. тока
Двигательная с однофазным асинхронным двигателем
ГУУЛ
Аппараты ИВЛ; гемофильтрации электроотсос, вентиляторы
До 6
Двигательная с однофазным коллекторным двигателем
Электросверло; электропила
До 5
Двигательная с трехфазным асинхронным двигателем
/УУ\
Компрессор водоподго-товки аппарата "искусствен. почка"
До 7
Выпрямительная с емкостным фильтром и вторичным источником питания (ВИП)
Ж 21
---•—
ВИП
Мониторы; компьютеры; эндоскопич. аппаратура и др.
До 10
Трансформаторновыпрямительная с емкостным фильтром и активной нагрузкой
21 21 _1_
21 21
0
Коагуляторы; мониторы; неонатальный стол и др.
До 10
Трансформаторная с активной нагрузкой
Операционные лампы; микроскоп и др.
До 6
2
3
4
5
6
Рис. 2. Функциональные схемы построения СБЭП медицинского назначения: а) «у линии»; б) «линейно-интерактивная»
Отмеченная выше «непредсказуемость», электрическая разнородность и нелинейность нагрузки определяет особенности построения системы автоматического регулирования выходного напряжения СБЭП как с целью сохранения его синусоидальной формы, так и для обеспечения устойчивости и робастности системы. При использовании автономных инверторов с широтно-импульсной модуляцией появляется возможность строить системы с обратной связью по мгновенному значению выходного напряжения. В этом случае инвертор, работающий в режиме широтно-импульсной модуляции с несущей частотой в несколько кГц, можно рассматривать как безынерционный исполнительный элемент, формирующий с выходным фильтром напряжение промышленной частоты, а система становится инвариантной к нагрузке. На рис. 3 представлены осциллограммы напряжения на нагрузке и в цепи обратной связи (ОС). На рис. 4 для примера приведена функциональная схема СБЭП, реализующая эти алгоритмы.
Технические характеристики
СБЭП ПОС-10000 АЛТ3.211.211 (ГНУ НИИ АЭМ)
1. Входное напряжение
и частота пром. сети..........187...242 В, 50 Гц
2. Выходное напряжение, В . . . .220±5 %, 50 Гц±1 %
3. Коэффициент нелинейных искажений выходного
напряжения, %,........................не более 5
4. Максимальная длительная
выходная мощность, кВт, .............не более 10
5. Тип применяемых АБ..........А500 Dryfit 12RG55,
12RG85 Sonnenschein
6. Время непрерывной работы системы до полного разряда АБ при выходной мощности:
- 10 кВт,........................для 12RG55 ~35 мин
для 12RG85 ~50 мин
- 2 кВт,........................для 12RG55 ~170 мин
для 12RG85 ~250 мин
7. Номинальное напряжение
набора АБ ................................180 В
8. Время полного автоматического заряда АБ
от сети 220 В, 50 Гц.........~24 ч (80 % - ~6 ч)
9. Время переключения потребителя с промышленной сети на систему, включая время
обнаружения исчезновения
сетевого напряжения с,............не более 0,004
10. Время переключения потребителя с системы
на сеть, с, .................................. 0
11. Вес преобразователя, кг.....................150
12. Вес аккумуляторного блока, кг
- с АБ 12RG55 ................................365
- с АБ 12RG85 ................................490
13. Габаритные размеры преобразователя (то же для аккумуляторного блока):
высотахширинахдлина, мм ..........1500x600x420
Опыт применения СБЭП в экстренной медицине показывает их полезность и высокую эффективность при «нештатных» ситуациях внезапного исчезновения электроэнергии. Следует отметить, что при разработке и эксплуатации систем подобного класса необходим учет не рассмотренных в данной статье вопросов, касающихся взаимодействия СБЭП с дизель-генераторной станцией, электромагнитной совместимости и надежности.
Рис. 3. Выходное напряжение и сигнал обратной связи в СБЭП при: а), б) переходе нагрузки с сети на инвертор в различные моменты времени; в), г) сбросе и набросе нагрузки в диапазоне «холостой ход - номинальный режим»
Сеть
Байпас
Схема заряда АБ
Кл
АБ
I
Схема контроля АБ
Фильтр
АИН
Схема управления
Индикатор
БАЙПАС-
СЕТЬ
п
ПЭВМ —► *— Я8-232 Микроконтроллер
1 *
ин, Информационное табло и индикаторы режимов 1н, Идб, !аб, Рн, Тост (1аб) Вкл. Инвертор. Сеть. Заряд АБ. Перегрузка Защита АБ. Защита I. Критический разряд АБ.
Рис. 4. Функциональная схема СБЭП (на примере ПОС-10000 АЛТ3.211.211 ГНУ НИИ АЭМ)
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Азаров А.Г., Гарганеев А.Г., Полонский В.В., Целебров-ский И.В., Шурыгин Ю.А. Опыт применения систем аварийного электроснабжения при проведении хирургических операций и реанимационных мероприятий в лечебных учреждениях г. Томска и Томской области // Вестник «Здравоохранение Сибири». - 1999. - № 4. - С. 77-78.
2. Азаров А.Г., Гарганеев А.Г., Житков О.М. Интерактивные системы бесперебойного электропитания // Наука производству. - 1999. - № 7(20). - С. 40-41.
3. Азаров А.Г, Гарганеев А.Г., Полонский В.В. Аккумуляторные батареи в системах бесперебойного электропитания // Аппаратнопрограммные средства автоматизации технологических процессов: Сб. трудов НИИ АЭМ, посвящ. 30-летию института / Под ред. ЮА. Шурыгина. - Томск: Изд-во Том. ун-та, 1998. - С. 197-207.
УДК 621.313.048
ИССЛЕДОВАНИЕ ВНУТРЕННИХ МЕХАНИЧЕСКИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ПРОПИТОЧНЫХ И ЗАЛИВОЧНЫХ ЛАКАХ
А.Н. Дудкин, В.С. Ким, С.С. Марьин
Томский политехнический университет E-mail: mariyn@elti.tpu.ru
Проведен анализ влияния различных факторов (условий запекания и старения) на уровень внутренних механических напряжений в пропиточных (ФЛ-98 и БТ 987) и заливочных (УР-231) составах. Получено, что при запекании лаковых покрытий в соответствии с техническими условиями величина внутренних механических напряжений невелика и слабо меняется при температурном старении.
Введение
При проектировании изоляции электрических машин необходимо учитывать взаимное влияние компонентов изоляции друг на друга, в том числе и влияние пропитывающего состава на изоляцию эмаль-провода. В работе [1] отмечается, что взаимодействие между пропиточным материалом и эмалированным проводом в системе может быть обусловлено либо физико-химическим, либо физикомеханическим, либо тем и другим процессами.
Одним из видов взаимного влияния компонентов системы изоляции являются внутренние механические напряжения (стВН). Пропиточный материал в отвержденном состоянии, эмальпленка и проводник образуют сопряженную систему. Эти элементы конструкции связаны друг с другом силами адгезии. При изменениях температуры или воздействии внешних нагрузок они вынуждены деформироваться вместе. В то же время, деформации в сопряженной системе затруднены именно вследствие разности теплофизических и физико-механических параметров, таких как температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), модуль упругости и других свойств компонентов системы изоляции. Вследствие различия физико-механических параметров материалов, составляющих систему изоляции, в них неизбежно возникают внутренние механические напряжения, которые могут привести к разрушению межвитковой изоляции. Под действием внутренних напряжений в межвит-ковой изоляции образуются различного рода дефекты (трещины, расслоения), которые снижают пробивное напряжение в процессе испытания и эксплуатации.
Внутренние механические напряжения не являются физическим параметром полимерных материалов в отличие от таких характеристик, как модуль упругости или ТКЛР. Они определяются не только физико-механическими свойствами полимерного материала, но также зависят от соотношения геометрических параметров компонентов системы (диаметра провода, величины изоляционного промежутка), режима отверждения и других факторов. При этом с точки зрения развития внутренних напряжений особый интерес представляют внутренние механические напряжения в пропитывающем составе, т.к. образование трещины в межвитковой системе изоляции, происходит именно в нем.
Целью данной работы является измерение величины стВН в пропиточных (ФЛ-98 и БТ 987) и заливочных (УР-231) составах, а также исследование влияния на стВН условий запекания и старения лакового покрытия. Работа выполнена в ЭЛТИ Томского политехнического университета совместно с ФГУП НПЦ «Полюс» (г. Томск).
Материалы и методика эксперимента
Покровные и пропиточные составы УР-231, ФЛ-98 и БТ 987, технологические режимы их запекания, используемые на производстве, а также режимы старения для исследования внутренних механических напряжений были предоставлены ФГУП НПЦ «Полюс».
Лак ФЛ-98 (ГОСТ 12294-66) представляет собой смесь растворов смол алкидной и бутоксикрезоло-формальдегидной в смеси ксилола и уайт-спирита в соотношении 1:1. В лаке содержится 10...15 вес. %
