شنبه, 25 مهر 1394 ساعت 09:42

لزامات برق بیمارستان(ترانس ايزوله)

نوشته شده توسط

 

ترانسفورماتور، يك مبدّل ولتاژ است و براى تبديل ولتاژ در شبكه ها و وسايل الكتريكى و الكترونيكى از آن استفاده مى شود. ترانسفورماتور در نوع انرژى الكتريكى تغييرى ايجاد نمى كند فقط انرژى الكتريكى را تحت ولتاژ، جريان و فركانس مشخص دريافت مي کند و بدون هيچ گونه تغييرى در فركانس، آن را تحت ولتاژ و جريان ديگرى تحويل مى دهد. 
افزايش ولتاژ در انتقال انرژى الكتريكى جهت كم كردن تلفات در خطوط انتقال از جمله كاربردهاى ترانسفورماتور است همچنين كاهش يا افزايش ولتاژ در دستگاه هاى الكترونيكى از ديگر كاربردهاى ترانسفورماتور است.

در ارتباط با ساختمان ترانسفورماتور لازم به ذکر است که ترانسفورماتور تشكيل شده است از يك هسته ى آهنى فرّومغناطيس كه بر روى آن دو سيم پيچ قرار دارد. اين دو سيم پيچ نسبت به يكديگر و نسبت به هسته عايق هستند، يعنى هيچ ارتباط الكتريكى بين آنها برقرار نيست. در شكل 1 شماى ساده اى از يك ترانسفورماتور ارائه شده است. سيم پيچى كه به منبع ولتاژ متصل مي شود سيم پيچ اوليه نام دارد. اين سيم پيچ انرژى الكتريكى را تحت ولتاژ v1 وجريان i1 دريافت مى كند. سيم پيچى كه به بار متصل مي شود سيم پيچ ثانويه ناميده مي شود. اين سيم پيچ انرژى الكتريكى را تحت ولتاژ v2 و جريان i2 به بار اعمال مى كند. 
سيم پيچ ترانسفورماتور از جنس مس يا آلومينيوم انتخاب مى شود. در هر دو مورد، سطح مقطع سيم ها به صورت گرد، چهار گوش و يا به شكل نوار است. سيم پيچ هاى ترانسفورماتورهاى كوچك را معمولاً روى قرقره مي پيچند و در آن از سيم هاى لاكى با مقطع گرد استفاده مي شود. 
در مورد هسته ترانسفورماتور نيز لازم به ذکر است که جنس آن از آهن نرم سيليس دار « ديناموبلش « است. براى كاهش تلفات فوكو، هسته ى ترانسفورماتور را مورق مى سازند و ورق ها را نسبت به هم عايق مى كنند. براى جلوگيرى از لرزش ورق هاى هسته و سر وصدا، ورق ها بايد كاملاً به يكديگر فشرده و محكم شوند.



اساس كار ترانسفورماتور 
اساس كار ترانسفورماتور بر مبناى القاى متقابل بين سيم پيچ هاى اوليه و ثانويه است. هرگاه سيم پيچ اوليه ى ترانسفورماتورى را مطابق شكل 3 به يك منبع ولتاژ متناوب با ولتاژ v1 وصل كنيم، جريان متناوب i1 در سيم پيچ اوليه جارى مي شود. اين جريان توسط سيم پيچ اوليه در هسته شار (Φ) جارى مى كند، با جارى شدن شار در هسته، هر دو سيم پيچ اوليه و ثانويه تحت تأثير قرار مي گيرند و طبق قانون فاراده، در سيم پيچ ثانويه نيروى محركه ى القايى E2 و در سيم پيچ اوليه، نيروى محركه ى E1 القا مي شود. چون نيروى محركه القايي E1 طبق قانون لنز با عامل بوجود آورنده اش (v1) مخالفت مي كند آن را نيروى ضد محركه مى گويند  . نيروى ضد محركه E1 عاملى براى كنترل جريان اوليه ى i1 در حالت بى بارى است. در صورت اتصال بار به ثانويه و افزايش جريان ثانويه ، شار هسته به مقدارى ناچيز كاهش مى يابد. با كم شدن شار هسته مقدار نيروى ضد محركه E1 كم مى شود و مقدار جريان i1 افزايش مى يابد. نيروى محركه ى E2 نيز عاملى جهت جار ى شدن جريان i2 در داخل بار است و ولتاژ v2 را در دو سر بار ايجاد مي كند .



ترانسفورماتور يك به يك يا ايزوله 
براي جلوگيري از انتقال ولتاژ بالاي DC وكاهش اثرات ناشي از صاعقه و حفاظت از اتصال غيرعمد افراد با يكي از سيم ها و يا اتصال كوتاه داخلي بين يكي از سيم ها و بدنه دستگاه ها ناشي از رطوبت يا عوامل فيزيكي از ترانس ايزوله استفاده مي شود. با توجه به اهميت ايزولاسيون برق اتاق هاي عمل و همچنين بخش هاي CCU ، ICU و NICU در بيمارستان ها و كلينك هاي تخصصي ، و همچنين براي جلوگيري از برق گرفتگي بيمار و پرسنل و رعايت نكات مذكور در استانداردها ، ترانس هاي ايزوله کارايي دارند كه در دو نوع داخل تابلو (internal) و يا خارجي به صورت دستگاه مستقل (External) قابل استفاده مي باشند 




نحوه عملکرد ترانس ايزوله
ترانس ايزوله به دليل وجود امپدانس کم، انتقال توان در محدوده طراحي شده را به خوبي انجام مي دهد و نيز به دليل عايق بندي مناسب و عدم وجود ارتباط الکتريکي بين اوليه و ثانويه، از عبور ولتاژ هاي DC به طور کامل جلوگيري مي کند. علاوه بر اين طراحي اين ترانس در محدوده فرکانس 50Hz عملاً باعث ايجاد امپدانس بالا براي فرکانس هاي زياد و نويز هاي ناشي از دستگاه ها به صورت دو طرفه مي شود. همچنين به اشباع رفتن هسته ترانس، مانع از عبور فرکانس هاي بالا ناشي از صاعقه يا هر عامل ديگري خواهد شد. 
عدم ارتباط الکتريکي بين اوليه و ثانويه عملا ارتباط بين زمين و ثانويه را از بين مي برد و در قسمت ايزوله يا ثانويه، مفهومي از فاز و نول وجود ندارد و هيچکدام از سيم ها باعث برق گرفتگي نخواهد شد. 
به بيان دقيق تر مي توان گفت که در بيمارستان ها، ترانس ايزوله با جدا كردن نول از زمين از وارد آمدن شوك الكتريكي به كاركنان و مريض ها در اثر عبور نشتي جريان جلو گيري مي كند.
در حقيقت اين قطعه ي الكتريكي با واسطه يک ميدان مغناطيسي، دو مدارالكتريكي را از هم ايزوله مي نمايد، بدين معني كه مابين دو مسير انرژي هيچ اتصال اهمي وجود ندارد و در نتيجه در خروجي ترانس شرايط الكتريكي ورودي بر قرارنيست( ارتباط ن ول با زمين وجود ندارد) اين عمل ترانس ايزوله موجب مي شود كه در خروجي دستگاه ، ولتاژ مورد لزوم موجود باشد ولي به علت عدم اتصال به زمين ، در مواقع اتصال، اختلاف پتانسيل بالا با زمين صفر منظور شده وجرياني از اتصال عبور نمي كند و در نتيجه برق گرفتگي اتفاق نمي افتد.
هرچقدر عايق بندي بين اوليه و ثان ويه بهتر باشد عبور جريان هاي نشتي بين سيم هاي ثانويه و زمين کمتر خواهد بود. بنابراين استفاده از ترانس هايي که سيم پيچ هاي اوليه و ثانويه آن روي دو قرقره مجزا يا روي دو بازوي مجزا پيچيده شده باشند، براي اين منظور مناسب تر است.

 توزيع نيروي برق ايزوله 
به منظور تداوم نيروي برق و اعمال استانداردهاي ايمني و پيشگيري در برابر آتش سوزي و انفجار و همچنين محافظت بيماران و افراد در برابر شوک و برق گرفتگي در مناطق معيني از بيمارستان مانند اتاق هاي عمل، زايمان، شکسته بندي و همچنين بخش هاي مراقبت هاي قلبي (CCU) و مراقبت هاي ويژه (ICU) بايد از سيستم برق ايزوله (سيستم IT) استفاده شود.

مزاياي سيستم IT
استفاده از سيستم IT در مکان هاي درماني متضمن مزاياي زير خواهد بود : 
 فزوني ايمني بهره برداري
در اين نوع سيستم در صورت بروز عيب و نقص در عايق بندي ، فقط جريان خازني کمي به وجود آمده و در نتيجه فيوز عمل نمي کند و در مورد خطاي زمين تک قطبي، منبع تغذيه قطع نشده و ضمن اعلام خطا، کار ادامه مي يابد.
کاهش جريان هاي نشتي 
باتوجه به شبکه کوچک محلي، جريان خازني کمي به وجود آمده و جريان خطا با عنايت به امپدانس بدن، مقاومت سيستم زمين و امپدانس زياد حلقه خطا، بسيار محدود شده و آسيب بدن انسان و تجهيزات کاهش مي يابد. 
ايمني در برابر حريق
کاهش جريان ناشي از امپدانس بالاي مدار (حلقه) خطا باعث کاهش ريسک آتش سوزي و فزوني حفاظت افراد و تجهيزات مي شود. 
ترانسفورماتورهاي ايزوله ي مورد استفاده در سيستم پزشکي IT بايد برابر استاندارد IEC 61558-2-15 با عنوان زير طراحي و ساخته شده باشد: 

Safety of power transpormers, power supply units and similars – part 2-15 :
particular requirements for isolating transformers for the supply of medical locations.

اين گونه ترانسفورماتورها بايد داراي مشخصات فني زير باشد: 
 ولتاژ اسمي (Un) در طرف ثانويه ترانسفورماتور Un  250 VAC 
جريان نشتي سيم پيچ خروجي به زمين و همچنين جريان نشتي به محفظه پوششي، در شرايط بدون بار و با ولتاژ و فرکانس نامي برابر يا کمتر از 0.5 ميلي آمپر 
خروجي نامي ترانسفورماتورها از 0.5 کيلوولت – آمپر تا 10 کيلوولت – آمپر 
ولتاژ اتصال کوتاه بايد برابر يا کمتر از 3% باشد.
جريان ورودي در شرايط بدون بار بايد برابر يا کمتر 3% باشد. 
جريان هجومي ورودي (Inrush current) بايد برابر يا کمتر از 12 برابر جريان ورودي اسمي باشد. 
ترانسفورماتور بايد در مجاورت (داخل يا خارج) مکان درماني نصب شود و براي حفاظت در برابر تماس غيرعمدي با قسمت هاي برقدار بايد در داخل قفسه، محفظه يا پوشش قرار داشته باشد. 

استفاده ترانس ايزوله در يو پي اس سري Double Conversion

با توجه به اين که يکي از کاربرد هاي ترانس ايزوله کاهش نويزاست ابتدا مفاهيمي در مورد نويز ارائه خواهد شد و سپس به مقوله استفاده از ترانس ايزوله در يو پي اس مي پردازيم. (در قسمت پنجم از سري مقالات الزمات برق بيمارستاني و ساير مراکز درماني به يو پي اس و انواع آن از جمله سري Double Conversion پرداخته شد).

نويز 
مبحث نويز بسيار وسيع است و امکان توضيح آن در چند سطر وجود ندارد، لذا توضيح بسيار مختصري در اين زمينه در ادامه بيان مي شود. 
نويزها به طور کلي به دو دسته کلي نويز مود مشترک و تفاضلي يا همان ديفرانسيلي تقسيم مي شوند. يکي از مهم ترين تفاوت هاي اين دو، در مسير حرکت نويز از منبع توليد کننده به مصرف کننده است. همان طور که در شکل 10 ديده مي شود جريان نويز مود ديفرانسيلي از طريق سيم هاي ارتباطي بين منبع و مصرف کننده به صورت رفت و برگشتي عبور مي کند. در حالي که در نويز مود مشترک، سيم هاي ارتباطي تنها مسير رفت نويز را فراهم مي کنند و اين زمين است که مسير برگشت را تشکيل مي دهد . اکثر مواقع اين خازن هاي پراکندگي (Distribution Capacitor) هستند که بين کابل ارتباطي و زمين و يا بدنه دستگاه مصرف کننده و زمين، مسير برگشت نويز را تکميل مي کنند.

يکي ديگر از مهم ترين تفاوت هاي اين دو نويز آن است که نويز ديفرانسيلي بين دو هادي اصلي (مثلاً فاز و نول) وجود دارد اما در مود مشترک، هادي هاي اصلي به طور مشترک با هم نسبت به زمين تغييراتي دارند. فرض کنيد که ولتاژ نول ثابت باشد و نويزي باعث زياد و يا کم شدن لحظه اي ولتاژ فاز شود، اين نوع نويز را ديفرانسيلي مي ناميم. در حقيقت، مقدار نويز در تفاضل دو سيگنال از هم قابل رويت است (شکل 12).

اما اگر اين تغيير ولتاژ توامان روي هر دو هادي اصلي بيايد آنگاه ديگر نويز ديفرانسيلي نيست. چون تغيير سطح سيگنال در هر دو هادي به صورت مشترک اتفاق مي افتد، آن را نويز مود مشترک مي گويند (شکل 13 ). واضح است که ديگر اين نويز را در تفاضل دو سيگنال از همديگر نمي توانيم مشاهده کنيم. عوامل توليد نويز هاي مود مشترک اغلب مدارات سوئيچينگ است.

کاهش نويز مود ديفرانسيلي راحت تر از مود مشترک انجام مي پذيرد چرا که با استفاده از فيلترهاي معمول مي توان به راحتي آن را کاهش داد. اما جهت حذف نويز مود مشترک حتماً نياز به ارت بوده و فيلترهاي پيچيده تري نياز دارد. 

ترانس ايزوله و کاهش نويز هاي مود مشترک

همان طور که در شکل 14 مشاهده مي شود، مشکل اصلي زماني به وجود مي آيد که نويز مود مشترک پس از گذشتن از کابل ها وارد دستگاه مصرف کننده شده و مسير خود را از خازن هاي پراکندگي درون دستگاه و بدنه آن با زمين مي بندد. حال اگر دستگاه مصرف کننده به عبور اين جريان نويز حساس باشد، عملکرد آن مختل مي شود. ترجيحاً ترانس ايزوله، ترانسي است که يک سر ثانويه آن زمين شده باشد. در حقيقت اين سرِ زمين شده است که عملکرد ترانس را معني مي دهد زيرا همان طور که در شکل 15 مشخص است مسير جريان نويز مود مشترک بر اثر اين کار به زمين اتصال کوتاه مي شود و ديگر به سمت مصرف کننده، جريان نمي يابد. 
نکته قابل توجه در اين رابطه اين است که بر اثر استفاده از ترانس ايزوله هيچ اختلالي در عملکرد معمول و يا مسير توان دهي به دستگاه مصرف کننده ايجاد نشده و تنها مسير نويز هاي مود مشترک را زمين قرار داده ايم. 

برخي مزايا و معايب ترانس ايزوله در ups
مزايا :
 کاهش قابل ملاحظه نويز مود مشترک در خروجي يو پي اس ، که امکان استفاده يو پي اس در اماکن حساس نويز را فراهم مي کند . علاوه بر اين امپدانس سلفي ترانس نقش يک فيلتر مود تفاضلي را در حذف نويزهاي مود ديفرانسيلي نيز ايفا مي کند.
 امکان تغذيه بارهاي گذراي DC توسط يو پي اس
 تنها راه مناسب صفر کردن ولتاژ ارت-نول
 ايجاد ايزولاسيون گالوانيک، در بعضي از کاربردها به ويژه کاربردهاي بيمارستاني از الزامات قطعي است. 
 مرتفع کردن مشکل نول ضعيف در شبکه برق، در دستگاه هايي که نول ورودي و خروجي آن ها مشترک است بايد نسبت به تغييرات ولتاژ نول دستگاه حساس بود. وجود ترانس ايزوله در خروجي دستگاه باعث مي شود که تغييرات احتمالي نول ورودي از مصرف کننده ايزوله شود.

 معايب :
 وزن بالا
 افزايش حجم دستگاه و اشغال فضاي اضافي
 هزينه بالا
 کاهش راندمان دستگاه به اين ترتيب که بسته به طراحي، ترانس راندمان يو پي اس را 4 تا 9 درصد کاهش مي دهد.
 افزايش THD و کاهش کيفيت شکل موج ولتاژ خروجي 
 با عبور جريان بار از امپدانس ترانس شاهد اعوجاجاتي در خروجي ترانس به ويژه در بارهاي غيرخطي خواهيم بود که باعث افزايش THD ولتاژ يو پي اس مي شود.
 افزايش رگولاسيون و افت ولتاژ خروجي 
 کاهش توان اکتيو و راکتيو خروجي

منبع : ماهنامه مهندسی پزشکی