i 2 i 1 v 2 و جریان القایى E 1 عاملى است.

Transcript

1 مهندس احسان درخشان نیا الزامات برق بیمارستان- قسمت ششم ایزولاسیون ) ترانس ایزوله ( متصل مى شود سیم پیچ ثانویه نامیده مى شود. این سیم پیچ انرژى الکتریکى را i 2 به بار اعمال مى کند. v 2 و جریان تحت ولتاژ سیم پیچ ترانسفورماتور از جنس مس یا آلومینیوم انتخاب مى شود. در هر دو مورد سطح مقطع سیم ها به صورت گرد چهار گوش و یا به شکل نوار است. سیم پیچ هاى ترانسفورماتورهاى کوچک را معمولا روى قرقره مى پیچند و در آن از سیم هاى لاکى با مقطع گرد استفاده مى شود. در مورد هسته ترانسفورماتور نیز لازم به ذکر است که جنس آن از آهن نرم سیلیس دار» دیناموبلش «است. براى کاهش تلفات فوکو هسته ى ترانسفورماتور را مورق مى سازند و ورق ها را نسبت به هم عایق مى کنند. براى جلوگیرى از لرزش ورق هاى هسته و سر وصدا ورق ها باید کاملا به یکدیگر فشرده و محکم شوند (شکل 2). شکل 2 ترانسفورماتور یک مبد ل ولتاژ است و براى تبدیل ولتاژ در شبکه ها و وسایل الکتریکى و الکترونیکى از آن استفاده مى شود. ترانسفورماتور در نوع انرژى الکتریکى تغییرى ایجاد نمى کند فقط انرژى الکتریکى را تحت ولتاژ جریان و فرکانس مشخص دریافت مى کند و بدون هیچ گونه تغییرى در فرکانس آن را تحت ولتاژ و جریان دیگرى تحویل مى دهد. افزایش ولتاژ در انتقال انرژى الکتریکى جهت کم کردن تلفات در خطوط انتقال از جمله کاربردهاى ترانسفورماتور است همچنین کاهش یا افزایش ولتاژ در دستگاه هاى الکترونیکى از دیگر کاربردهاى ترانسفورماتور است. در ارتباط با ساختمان ترانسفورماتور لازم به ذکر است که ترانسفورماتور تشکیل شده است از یک هسته ى آهنى فر ومغناطیس که بر روى آن دو سیم پیچ قرار دارد. این دو سیم پیچ نسبت به یکدیگر و نسبت به هسته عایق هستند یعنى هیچ ارتباط الکتریکى بین آنها برقرار نیست. در شکل 1 شماى ساده اى از یک ترانسفورماتور اراي ه شده است. سیم پیچى که به منبع ولتاژ متصل مى شود سیم پیچ اولیه نام دارد. این سیم پیچ انرژى الکتریکى را تحت ولتاژ v وجریان 1 i 1 دریافت مى کند. سیم پیچى که به بار اساس کار ترانسفورماتور اساس کار ترانسفورماتور بر مبناى القاى متقابل بین سیم پیچ هاى اولیه و ثانویه است. هرگاه سیم پیچ اولیه ى ترانسفورماتورى را مطابق شکل 3 به i 1 در سیم پیچ v 1 وصل کنیم جریان متناوب یک منبع ولتاژ متناوب با ولتاژ اولیه جارى مى شود. این جریان توسط سیم پیچ اولیه در هسته شار (Φ) جارى مى کند با جارى شدن شار در هسته هر دو سیم پیچ اولیه و ثانویه تحت تا ثیر قرار مى گیرند و طبق قانون فاراده در سیم پیچ ثانویه نیروى محرکه ى E 1 القا مى شود. چون نیروى E 2 و در سیم پیچ اولیه نیروى محرکه ى القایى v) 1 مخالفت مى کند E 1 طبق قانون لنز با عامل بوجود آورنده اش ) محرکه القایى E 1 عاملى آن را نیروى ضد محرکه مى گویند (شکل 4). نیروى ضد محرکه i 1 در حالت بى بارى است. در صورت اتصال بار به براى کنترل جریان اولیه ى ثانویه و افزایش جریان ثانویه شار هسته به مقدارى ناچیز کاهش مى یابد. با i 1 E 1 کم مى شود و مقدار جریان کم شدن شار هسته مقدار نیروى ضد محرکه i 2 E 2 نیز عاملى جهت جار ى شدن جریان افزایش مى یابد. نیروى محرکه ى v 2 را در در داخل بار است و ولتاژ دو سر بار ایجاد مى کند (شکل 5). شکل 1 شکل 3

2 شکل 4 ترانسفورماتور یک به یک یا ایزوله براي جلوگیري از انتقال ولتاژ بالاي DC وکاهش اثرات ناشی از صاعقه و حفاظت از اتصال غیرعمد افراد با یکی از سیم ها و یا اتصال کوتاه داخلی بین یکی از سیم ها و بدنه دستگاه ها ناشی از رطوبت یا عوامل فیزیکی از ترانس ایزوله استفاده می شود. با توجه به اهمیت ایزولاسیون برق اتاق هاي عمل و همچنین بخش هاي ICU CCU و NICU در بیمارستان ها و کلینک هاي تخصصی و همچنین براي جلوگیري از برق گرفتگی بیمار و پرسنل و رعایت نکات مذکور در استانداردها ترانس هاي ایزوله کارایى دارند که در دو نوع داخل تابلو (internal) و یا خارجی به صورت دستگاه مستقل (External) قابل استفاده مى باشند (شکل 6 و 7) شکل 6) ترانس ایزوله خارجی ) به صورت دستگاه مستقل) نحوه عملکرد ترانس ایزوله ترانس ایزوله به دلیل وجود امپدانس کم انتقال توان در محدوده طراحى شده را به خوبى انجام مى دهد و نیز به دلیل عایق بندى مناسب و عدم وجود ارتباط الکتریکى بین اولیه و ثانویه از عبور ولتاژ هاى DC به طور کامل جلوگیرى مى کند. علاوه بر این طراحى این ترانس در محدوده فرکانس 50Hz عملا باعث ایجاد امپدانس بالا براى فرکانس هاى زیاد و نویز هاى ناشى از دستگاه ها به صورت دو طرفه مى شود. همچنین به اشباع رفتن هسته ترانس مانع از عبور فرکانس هاى بالا ناشى از صاعقه یا هر عامل دیگرى خواهد شد. عدم ارتباط الکتریکى بین اولیه و ثانویه عملا ارتباط بین زمین و ثانویه را از بین مى برد و در قسمت ایزوله یا ثانویه مفهومى از فاز و نول وجود ندارد و هیچکدام از سیم ها باعث برق گرفتگى نخواهد شد. به بیان دقیق تر مى توان گفت که در بیمارستان ها ترانس ایزوله با جدا کردن نول از زمین از وارد آمدن شوك الکتریکی به کارکنان و مریض ها در اثر عبور نشتی جریان جلو گیري می کند. در حقیقت این قطعه ى الکتریکی با واسطه یک میدان مغناطیسی دو شکل 5 شکل 8) نول از زمین جدا است شکل 7) ترانس ایزوله داخل تابلو شکل 9) نول با زمین ارتباط یا نشتی دارد

3 عنایت به امپدانس بدن مقاومت سیستم زمین و امپدانس زیاد حلقه خطا بسیار محدود شده و آسیب بدن انسان و تجهیزات کاهش مى یابد. ایمنى در برابر حریق کاهش جریان ناشى از امپدانس بالاى مدار (حلقه) خطا باعث کاهش ریسک آتش سوزى و فزونى حفاظت افراد و تجهیزات مى شود. ترانسفورماتورهاى ایزوله ى مورد استفاده در سیستم پزشکى IT باید برابر استاندارد IEC با عنوان زیر طراحى 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. مدارالکتریکی را از هم ایزوله می نماید بدین معنی که مابین دو مسیر انرژي هیچ اتصال اهمی وجود ندارد و در نتیجه در خروجی ترانس شرایط الکتریکی ورودي بر قرارنیست( ارتباط ن ول با زمین وجود ندارد) این عمل ترانس ایزوله موجب می شود که در خروجی دستگاه ولتاژ مورد لزوم موجود باشد ولی به علت عدم اتصال به زمین در مواقع اتصال اختلاف پتانسیل بالا با زمین صفر منظور شده وجریانی از اتصال عبور نمی کند و در نتیجه برق گرفتگی اتفاق نمی افتد. هرچقدر عایق بندى بین اولیه و ثان ویه بهتر باشد عبور جریان هاى نشتى بین سیم هاى ثانویه و زمین کمتر خواهد بود. بنابراین استفاده از ترانس هایى که سیم پیچ هاى اولیه و ثانویه آن روى دو قرقره مجزا یا روى دو بازوى مجزا پیچیده شده باشند براى این منظور مناسب تر است. توزیع نیروى برق ایزوله به منظور تداوم نیروى برق و اعمال استانداردهاى ایمنى و پیشگیرى در برابر آتش سوزى و انفجار و همچنین محافظت بیماران و افراد در برابر شوك و برق گرفتگى در مناطق معینى از بیمارستان مانند اتاق هاى عمل زایمان شکسته بندى و همچنین بخش هاى مراقبت هاى قلبى (CCU) و مراقبت هاى ویژه (ICU) باید از سیستم برق ایزوله (سیستم (IT استفاده شود. مزایاى سیستم IT استفاده از سیستم IT در مکان هاى درمانى متضمن مزایاى زیر خواهد بود : فزونى ایمنى بهره بردارى در این نوع سیستم در صورت بروز عیب و نقص در عایق بندى فقط جریان خازنى کمى به وجود آمده و در نتیجه فیوز عمل نمى کند و در مورد خطاى زمین تک قطبى منبع تغذیه قطع نشده و ضمن اعلام خطا کار ادامه مى یابد. کاهش جریان هاى نشتى باتوجه به شبکه کوچک محلى جریان خازنى کمى به وجود آمده و جریان خطا با این گونه ترانسفورماتورها باید داراى مشخصات فنى زیر باشد: Un 250 در طرف ثانویه ترانسفورماتورVAC (Un) ولتاژ اسمى جریان نشتى سیم پیچ خروجى به زمین و همچنین جریان نشتى به محفظه پوششى در شرایط بدون بار و با ولتاژ و فرکانس نامى برابر یا کمتر از 0,5 میلى آمپر خروجى نامى ترانسفورماتورها از 0,5 کیلوولت آمپر تا 10 کیلوولت آمپر ولتاژ اتصال کوتاه باید برابر یا کمتر از 3 باشد. جریان ورودى در شرایط بدون بار باید برابر یا کمتر 3 باشد. جریان هجومى ورودى current) Inrush )باید برابر یا کمتر از 12 برابر جریان ورودى اسمى باشد. ترانسفورماتور باید در مجاورت (داخل یا خارج) مکان درمانى نصب شود و براى حفاظت در برابر تماس غیرعمدى با قسمت هاى برقدار باید در داخل قفسه محفظه یا پوشش قرار داشته باشد. استفاده ترانس ایزوله در یو پى اس سرى Double Conversion با توجه به این که یکى از کاربرد هاى ترانس ایزوله کاهش نویزاست ابتدا مفاهیمى در مورد نویز اراي ه خواهد شد و سپس به مقوله استفاده از ترانس ایزوله در یو پى اس مى پردازیم. (در قسمت پنجم از سرى مقالات الزمات برق بیمارستانى و سایر مراکز درمانى به یو پى اس و انواع آن از جمله سرى Doubleپرداخته Conversion شد). نویز مبحث نویز بسیار وسیع است و امکان توضیح آن در چند سطر وجود ندارد لذا توضیح بسیار مختصرى در این زمینه در ادامه بیان مى شود. نویزها به طور کلى به دو دسته کلى نویز مود مشترك و تفاضلى یا همان دیفرانسیلى تقسیم مى شوند. یکى از مهم ترین تفاوت هاى این دو در مسیر حرکت نویز از منبع تولید کننده به مصرف کننده است. همان طور که در شکل 10 دیده مى شود جریان نویز مود دیفرانسیلى از طریق سیم هاى ارتباطى بین منبع و مصرف کننده به صورت رفت و برگشتى عبور مى کند. در حالى که در نویز مود مشترك سیم هاى ارتباطى تنها مسیر رفت نویز را فراهم مى کنند 75 شمار 174

4 و این زمین است که مسیر برگشت را تشکیل مى دهد (شکل 11). اکثر مواقع این خازن هاى پراکندگى( Capacitor (Distribution هستند که بین کابل ارتباطى و زمین و یا بدنه دستگاه مصرف کننده و زمین مسیر برگشت نویز را تکمیل مى کنند. شکل 13 ) نویز مود مشترك شکل 10) نویز مود دیفرانسیلى کاهش نویز مود دیفرانسیلى راحت تر از مود مشترك انجام مى پذیرد چرا که با استفاده از فیلترهاى معمول مى توان به راحتى آن را کاهش داد. اما جهت حذف نویز مود مشترك حتما نیاز به ارت بوده و فیلترهاى پیچیده ترى نیاز دارد. شکل 11) نویز مود مشترك یکى دیگر از مهم ترین تفاوت هاى این دو نویز آن است که نویز دیفرانسیلى بین دو هادى اصلى (مثلا فاز و نول) وجود دارد اما در مود مشترك هادى هاى اصلى به طور مشترك با هم نسبت به زمین تغییراتى دارند. فرض کنید که ولتاژ نول ثابت باشد و نویزى باعث زیاد و یا کم شدن لحظه اى ولتاژ فاز شود این نوع نویز را دیفرانسیلى مى نامیم. در حقیقت مقدار نویز در تفاضل دو سیگنال از هم قابل رویت است (شکل 12). شکل 12. نویز مود دیفرانسیلى اما اگر این تغییر ولتاژ توامان روى هر دو هادى اصلى بیاید آنگاه دیگر نویز دیفرانسیلى نیست. چون تغییر سطح سیگنال در هر دو هادى به صورت مشترك اتفاق مى افتد آن را نویز مود مشترك مى گویند (شکل ). 13 واضح است که دیگر این نویز را در تفاضل دو سیگنال از همدیگر نمى توانیم مشاهده کنیم. عوامل تولید نویز هاى مود مشترك اغلب مدارات سوي یچینگ است. ترانس ایزوله و کاهش نویز هاى مود مشترك همان طور که در شکل 14 مشاهده مى شود مشکل اصلى زمانى به وجود مى آید که نویز مود مشترك پس از گذشتن از کابل ها وارد دستگاه مصرف کننده شده و مسیر خود را از خازن هاى پراکندگى درون دستگاه و بدنه آن با زمین مى بندد. حال اگر دستگاه مصرف کننده به عبور این جریان نویز حساس باشد عملکرد آن مختل مى شود. ترجیحا ترانس ایزوله ترانسى است که یک سر ثانویه آن زمین شده باشد. در حقیقت این سر زمین شده است که عملکرد ترانس را معنى مى دهد زیرا همان طور که در شکل 15 مشخص است مسیر جریان نویز مود مشترك بر اثر این کار به زمین اتصال کوتاه مى شود و دیگر به سمت مصرف کننده جریان نمى یابد. نکته قابل توجه در این رابطه این است که بر اثر استفاده از ترانس ایزوله هیچ اختلالى در عملکرد معمول و یا مسیر 76 شماره 174

5 شکل 14) مسیر نویز مود مششترك بدون ترانس ایزوله مى کند. امکان تغذیه بارهاى گذراى DC توسط یو پى اس تنها راه مناسب صفر کردن ولتاژ ارت-نول ایجاد ایزولاسیون گالوانیک در بعضى از کاربردها به ویژه کاربردهاى بیمارستانى از الزامات قطعى است. مرتفع کردن مشکل نول ضعیف در شبکه برق در دستگاه هایى که نول ورودى و خروجى آن ها مشترك است باید نسبت به تغییرات ولتاژ نول دستگاه حساس بود. وجود ترانس ایزوله در خروجى دستگاه باعث مى شود که تغییرات احتمالى نول ورودى از مصرف کننده ایزوله شود. معایب : وزن بالا افزایش حجم دستگاه و اشغال فضاى اضافى هزینه بالا کاهش راندمان دستگاه به این ترتیب که بسته به طراحى ترانس راندمان یو پى اس را 4 تا 9 درصد کاهش مى دهد. افزایش THD و کاهش کیفیت شکل موج ولتاژ خروجى با عبور جریان بار از امپدانس ترانس شاهد اعوجاجاتى در خروجى ترانس به ویژه در بارهاى غیرخطى خواهیم بود که باعث افزایش THD ولتاژ یو پى اس مى شود. افزایش رگولاسیون و افت ولتاژ خروجى کاهش توان اکتیو و راکتیو خروجى شکل 15. مسیر نویز مود مشترك و تاثیر ترانس ایزوله توان دهى به دستگاه مصرف کننده ایجاد نشده و تنها مسیر نویز هاى مود مشترك را زمین قرار داده ایم. برخى مزایا و معایب ترانس ایزوله در ups مزایا : کاهش قابل ملاحظه نویز مود مشترك در خروجى یو پى اس که امکان استفاده یو پى اس در اماکن حساس نویز را فراهم مى کند. علاوه بر این امپدانس سلفى ترانس نقش یک فیلتر مود تفاضلى را در حذف نویزهاى مود دیفرانسیلى نیز ایفا منابع 1- کتاب ماشین هاى الکتریکى مولف : استفن چاپمن ترجمه صدوقى 2- کتاب ماشین هاى الکتریکى (جلد 4) مولف : بى ال تراژا ترجمه سعید شعارى نژاد 3- کتاب موتورهاى الکتریکى مولف : هارى میلیف ترجمه فریدون قیطرانى 4- Url: 5- کتاب برق صنعتى نوشته فریدون علومى 77 شمار 174