Download Sistema de evaluación de sobrecarga de transformadores de

Sistema de evaluación de sobrecarga de
transformadores de alimentación para
aparatos electromédicos.
Conrado J. Rodriguez, Carlos A. Wevar Oller, Rodrigo G. Bruni, Oscar R. Vanella
Y Ricardo A.M. Taborda
L.I.A.D.E – Universidad Nacional de Córdoba - [email protected]
Resumen—El presente trabajo consiste en el diseño y
desarrollo de un prototipo de equipo para la realización
automática del ensayo de transformadores, acorde con los
procedimientos y requerimientos establecidos por la norma
IRAM4220-1:2000 – IEC60601-1-1 “Requisitos generales de
seguridad para aparatos electromédicos” [1], para satisfacer
las necesidades de certificación de seguridad del equipamiento
antes de su comercialización.
El dispositivo ha sido desarrollado teniendo en cuenta el
principio de modularidad. Esta característica permite
introducir modificaciones en el equipo en caso de que sea
necesario por la actualización de la norma o mejora en el
equipo.
El equipo posee un software propio lo que permite una
interfaz amigable y sencilla con el usuario. El cual debe cargar
los datos del transformador bajo ensayo.
Cabe mencionar que se contemplan los requisitos
constructivos y de seguridad eléctrica de la norma IEC 610101 [2] para equipos de laboratorio y medición.
Palabras clave—Norma IEC 60601-1, Seguridad eléctrica,
Ensayo, Secundario bajo ensayo (SBE), Secundario con carga
nominal (SCN).
I. INTRODUCCIÓN
E
L uso de la energía eléctrica en cualquier aparato
constituye un potencial riesgo para quien entra en
contacto con el. De allí que existen diversas normas
que establecen métodos para verificar la seguridad
eléctrica, generalmente referidas a determinado campo de
aplicación o grupo según sus características y aplicaciones.
Los equipos eléctricos de uso en medicina (diagnóstico,
supervisón y tratamiento), son los que poseen los más altos
niveles de seguridad en comparación a otros alimentados
eléctricamente de aplicaciones distintas (domésticos,
oficina, etc.) existentes en el mercado. La razón de esta
elevada exigencia es que los mismos se usan en contacto
físico o eléctrico y/o transfieren energía o sustancias al
paciente, quién no está en condiciones de responder
adecuadamente a condiciones peligrosas o dolorosas debido
a la ausencia de reacciones normales (puede estar
inconciente, anestesiado, inmovilizado, etc., o simplemente
tener sus capacidades físicas disminuidas) y en algunos
casos el equipo puede conectarse en forma directa a
órganos vitales, tal es el caso de aquellos equipos
denominados de aplicación cardiaca directa. Esta situación
hace que una simple falla en este tipo de artefacto pueda
resultar en la muerte del paciente.
Cabe destacar que la seguridad del operador también se
ve comprometida ya que, aún cuando éste no padezca
enfermedades, en algunos casos los métodos utilizados por
los dispositivos representan un riesgo potencial muy alto.
La seguridad de los aparatos electromédicos comprende:
la de los aparatos, de su instalación en los ambientes de uso
médico y de su aplicación.
La misma se exige para el uso normal y la condición
normal, y también para las condiciones de primer defecto.
La confiabilidad y calidad del funcionamiento se considera
como un aspecto de la seguridad en lo que concierne a los
aparatos de asistencia vital y donde la interrupción de un
examen o tratamiento se considera como un riesgo para la
seguridad del paciente.
La norma IEC 60601-1-1 o su equivalente argentina
IRAM 4220-1, establece los “requisitos generales de
seguridad para AE” y detalla los ensayos correspondientes
para verificar los mismos.
De lo expresado anteriormente, se infiere que estos
dispositivos deben poseer un elevado grado de
confiabilidad y calidad de funcionamiento, el cuál necesita
ser verificado antes de la comercialización a través de la
certificación de calidad.
Un equipo electromédico debe contar con al menos dos
medios de protección contra choque eléctrico tanto para el
operador como para el paciente. Siempre debe existir un
elemento que brinde un aislamiento seguro entre las partes
con tensión, los elementos accesibles o que puedan llegar a
entrar en contacto con quien opera el equipo o el paciente.
En los equipos clase I, el segundo medio de protección es,
valga la redundancia, la llamada tierra de protección,
mientras que en los clase II es una segunda aislación
conocida como suplementaria.
El transformador, fuera de su función primaria de
brindar las tensiones necesarias para el funcionamiento del
equipo, concentra gran parte de las funciones de seguridad
del aparato, mediante la correcta separación de los
bobinados primario y secundario, brindando el aislamiento
entre el equipo propiamente dicho y la red.
Debido a esto es imprescindible verificar la integridad
de dicho elemento de seguridad, tarea que se realiza
mediante los ensayos de rigidez dieléctrica. No obstante
esto, una falla en el equipo puede originar una sobrecarga,
y aún un cortocircuito de la etapa de alimentación, teniendo
como consecuencia un incremento significativo de
temperatura y por consecuencia la degradación del
aislamiento.
Por ello es necesaria la determinación de las
temperaturas alcanzadas en condición de sobrecarga y
cortocircuito, a fin de determinar si los materiales
empleados en la construcción son aptos.
Como en todo proceso sistemático y repetitivo, su
automatización
permite
simplificar
el
proceso,
disminuyendo la introducción de errores y el tiempo de
ejecución.
Por estas razones y como continuación de una línea de
trabajo que el Laboratorio de Investigación Aplicada y
Desarrollo (L.I.A.D.E), ha desarrollado en forma coherente
e ininterrumpida en el área de bioingeniería y certificación
de calidad de equipos electromédicos y con la finalidad de
diseñar y construir un dispositivo que permita realizar esta
verificación en forma rápida, sistemática, económica y
segura, es que nos proponemos el diseño, desarrollo y
construcción de un “SISTEMA DE EVALUACIÓN DE
SOBRECARGA
DE
TRANSFORMADORES
DE
ALIMENTACIÓN
PARA
APARATOS
ELECTROMÉDICOS” según norma IEC 60601-1-1
/IRAM 4220-1.
II. CARACTERÍSTICAS
El sistema de evaluación tiene las siguientes
características:
• Hacer circular una corriente eficaz (RMS) constante
en un rango de 10mA – 5A +/- 5%, en transformadores
cuyo rango de tensión secundario es de 5 – 50V y potencia
límite de 150W.
• Medición de la resistencia de los bobinados cuyo
rango es de 20m  a 200  con una exactitud mejor que
el 5%
• Cálculo de la temperatura de los bobinados.
• Medición del tiempo de ensayo.
• El software de interfase usuario amigable.
• Fácil
mantenimiento,
para
permitir
futuras
modificaciones.
• Diseñado teniendo en cuenta los lineamientos de la
norma IEC61010-1.
III. DESARROLLO
En la Fig.1 puede observarse que existen cuatro
microcontroladores esclavos y cuatro etapas de potencias,
con sus respectivas mediciones de corrientes realimentadas,
uno por cada devanado secundario que tenga el
transformador, hasta un máximo de cuatro, debido al
principio de modularidad adoptado.
Cabe aclarar, que si bien principio de funcionamiento de
los cuatro es el mismo, describiremos el primero, debido a
que tiene el control del bobinado SBE(en sobrecarga) y por
el cual circulará mayor cantidad de corriente y en
consecuencia se le verifica la temperatura de bobinado. Los
demás, son encargados del control de corriente de los
bobinados SCN de funcionamiento y solo nos referiremos a
ellos para explicitar las diferencias.
A. Microcontrolador Maestro
El componente central del equipo es un microcontrolador
PIC16F877A de Microchip, que trabaja con un reloj (clock)
de 20MHz.
Este microcontrolador realiza las siguientes tareas:
• Selección de funciones: medir resistencia de los
bobinados (primario y SBE ) o cargar el transformador bajo
ensayo para la circulación de las corrientes.
• Digitalizado de la señal proveniente de la medición de
resistencia.
• Guardar las muestras de dicha señal.
• Analizar dichas muestras y realizar los cálculos
necesarios para la determinación de la temperatura de los
bobinados.
• Guardar los resultados.
• Medir el tiempo de duración del ensayo.
• Interfaz con el usuario mediante un teclado de 16
teclas y una pantalla LCD de 4x20.
• Envió y recepción de datos con los PIC esclavos a
través de una comunicación I2C.
Como se menciono, el sistema realiza dos funciones
principales: Medición de las Resistencias (bobinado
primario y SBE) y hacer circular por el transformador una
corriente constante por cada devanado.
La selección, de estas funciones, se realiza mediante la
conmutación de tres relés para el caso del SBE, como se
explica tabla1 y se muestra en la fig.2.
TABLA I
CONMUTACIÓN DE RELES PARA LA SELECCIÓN DE FUNCIONES.
Rele1
NC
NC
NA
Rele2
NC
NC
NA
Rele3
NC
NA
X
Funcionamiento
Mide la resistencia del bobinado primario
Mide la resistencia del bobinado SBE
Primario se conecta a 220V y SBE se
carga para que circule la corriente de
ensayo
Fig.2. Selección de las funciones principales
Mientras que en los SCN, se encarga el PIC Esclavo
mediante el control PWM y la selección del banco de
resistencias.
En la digitalización de la medición de la resistencia se
toman 50 datos del ADC y se calcula el promedio. El
conversor analógico digital funciona con 10 bits de
precisión.
El cálculo de temperatura se realiza por medio de la
variación de la resistencia. Es por este motivo que el
microcontrolador mide la resistencia de los devanados cada
5 min.
(1)
T  Ti  t
Fig.1. Diagrama en bloques del sistema de evaluación
t 
( R _ medida  Ri )
* ( 234 .5  Ti )
Ri
(2)
Todas las variables dentro de la fórmula son float (32
bits de punto flotante) en el programa por lo cual tienen una
resolución mayor a la especificada para el cálculo de la
temperatura.
La medición del tiempo de ensayo se realiza utilizando
un reloj externo de 32MHz en el Timer 1.
Para la comunicación se establecido el Módulo I2C,
como maestro, cuya velocidad de transmisión 100Khz, y
las funciones I2C forzadas por hardware.
La transferencia es sincrónica, es decir envía la señal de
reloj para sincronizar cada bit, en paquetes de bits.
Cada dispositivo esclavo conectado al bus tiene asignada
una dirección única codificada en 7 bits
B. Microcontrolador Esclavo
El componente es un microcontrolador PIC16F877A de
Microchip, que trabaja con un reloj (clock) de 16MHz
Este microcontrolador realiza las siguientes tareas:
• Reciben y transfieren los datos al maestro.
• Digitalizado de la señal proveniente de la medición de
corriente que circula por el devanado secundario.
• Guardan las muestras de dicha señal.
• Analizarlas y realizar los cálculos necesarios para
compararlos con los datos recibidos del maestro.
• Proporcionan una señal PWM mediante un control
PI[3],[4] para realizar el control de corriente de carga.
• Seleccionan la resistencia adecuada según la tensión y
corriente nominal del ensayo.
Se implemento un control PI, fig.3, debido a que nuestro
proceso de control, de corriente, no requiere un tiempo de
establecimiento rápido, ya que la duración del ensayo es de
30 min. Por esta razón no es necesaria la derivativa. Pero si
necesitamos que el error sea lo menor posible.
Fig.3. Sistema de control realimentado PI
 (t )  MV (t )  K p e(t )  K d
de
dt
(3)
Para sintonizar el controlador, se supuso Ki=0. De este
modo, la ganancia Kp se fue incrementando hasta lograr
que el sistema responda bien a cambios en el setpoint sin un
rebase demasiado grande u oscilaciones.
En nuestro caso se eligió una Kp=0.25, debido a que con
una Kp>0.3 el sistema se volvía inestable.
En esta instancia de sintonización el sistema no
convergía al setpoint, existiendo un error estacionario. Por
lo que se fue incrementando lentamente la ganancia Ki para
disminuir el error estacionario, obteniéndose el valor
óptimo de Ki=0.1.
Con esta configuración el tiempo de establecimiento se
consigue alrededor de los 10 a 15 segundos dependiendo
del setpoint, lo cual es un tiempo razonable para lo que es
la duración total del ensayo
El control PI controla una salida PWM a 1 Khz., con una
resolución de 10 bits, la cual puede variar desde el 0 a
100%.
El control realizado en este caso tiene una salida entre el
20% al 90% del PWM.
La digitalización de la medición de corriente (RMS) se
calculó mediante la fórmula de valores discretos.
I RMS 
1
N
N
 xi2 
i 1
x12  x22    x N2
N
(4)
El conversor adquiere 1000 muestras en total de la
señal. Eleva al cuadrado cada una de ella y las suma. La
configuración del PIC permite tomar una muestra cada
170.4 us.
Todo esto da una tiempo total entre muestra y muestra de
171.4 us. Es decir una frecuencia de muestreo de 5.8KHz.
Por lo cual el tiempo necesario para tomar las 1000
muestras es de 171.4 ms. Esto quiere decir que en un
periodo de la onda (10 ms) pulsada a 1 Khz se toman 58
muestras, cumpliendo con el teorema de muestreo.
La selección de la resistencia se realiza con los datos de
tensión (V) y corriente (mA) que recibe del maestro. El
programa calcula la tensión pico que circula por el
devanado:
Vpico  V (dato ) * 2
(5)
Luego
se determina la resistencia que debería
seleccionar para que circule la corriente a controlar
mediante ley de Ohm. Una vez determinada se busca la más
próxima implementada en el circuito, pero menor a la
calculada, de otro modo el control nunca alcanzaría el valor
de corriente seteado
C. Medición de resistencia
Está compuesto por una fuente de corriente continua de
25mA. La cual circula por el devanado primario y el SBE
generando una caída de tensión a sus bornes. Dicha caída
es medida y acondicionada en amplitud mediante un
amplificador diferencial de instrumentación de ganancia
unitaria, y luego amplificada mediante un amplificador de 4
ganancias programadas seleccionadas automáticamente por
el PIC maestro (dependiendo de la amplitud de la señal).
Cabe destacar que si se aplicara una corriente alterna se
mediría la impedancia del bobinado, debido a la
componente reactiva que posee el bobinado, y no la parte
resistiva pura necesaria para el cálculo de temperatura.
D. Etapa potencia
El en circula la corriente del transformador bajo ensayo.
El mismo se divide en tres para hacer más claro su
entendimiento; circuito rectificador del transformador,
banco de resistencia de carga y conmutador de potencia.
El circuito rectificador esta compuesto por un puente
diodo, el cual convierte la señal senoidal alterna,
proveniente del secundario del transformador, en una onda
rectificada completa para su posterior utilización.
El banco de resistencias de cargas es un arreglo de 16
resistencias para el SBE y de 8 resistencias para los SCN,
conectadas entre sí en configuración paralelo, y que por
medio de la selección de relés permite circular la corriente
de ensayo, según la tensión nominal del transformador.
El conmutador de potencia[5] esta formado por un
transistor MOSFET[6] y la red snubber de protección[7],
permite fijar un valor de corriente por medio del PWM que
se le inyecta en su compuerta. Dicha corriente es la que
será medida y acondicionada por el módulo siguiente.
6
5
4
3
2
1
11
17
9,
56
8,
26
6
,4
0
80
,9
7
21
,6
3
17
1
8
1
29
55
42
,8
1
11
4,
62
2,
20
67
1,
35
97
86
0,
89
0,
37
0,
11
0,
07
83
71
0
-1
0,
03
Error Porcentual [%]
E. Medición de corriente
Comprende las etapas del sensado de la corriente y el
acondicionamiento de señal. [8]
El sensado se realiza mediante la medición de la tensión
en una resistencia Shunt conectada en serie con el surtidor
del MOSFET. En el caso del SBE existen dos resistencia
Shunt que son seleccionadas mediante un relé, mientras que
en los de SCN es una sola.
La tensión de sensado es acondicionada en amplitud
mediante un amplificador diferencial de bajo ruido que
puede ser configurado con una de 5 ganancias. El mismo
esta en configuración inversora y la ganancia de
realimentación se selecciona automáticamente por el PIC
esclavo, dependiendo de la amplitud de la señal, a través de
un multiplexor.
Esta señal es entregada al conversor A/D del PIC esclavo
para el cálculo de Verdadero Valor Eficaz (True RMS).
-2
-3
-4
-5
-6
Resistencia [Ohm] (Valor Patrón)
Fig. 5: Error porcentual en la medición de resistencia para el circuito
secundario del transformador.
6
5
4
3
2
1
53
00
40
94
28
89
16
85
14
60
56
0
10
01
33
0
29
2
22
0
25
7
18
6
13
4
81
50
36
-1
23
0
10
Error Porcentual [%]
F. Interfaz usuario
Está formada por un teclado matricial 4x4, por el cual se
ingresan los parámetros nominales, y una pantalla LCD de
4x20, donde se visualizan los parámetros del ensayo y los
valores reales que se miden durante el ensayo y en su
finalización.
-2
-3
-4
IV. RESULTADOS
-5
A continuación se presentan los resultados de los
ensayos realizados en cuanto a la performance del equipo y
su habilidad para realizar las mediciones para las cuales
está diseñado.
Para realizarlos se seleccionaron 7 valores por cada
rango de amplificación del instrumento, los cuales fueron
medidos con un instrumento patrón, Hewlett Packard
modelo 3478A para resistencia y Fluke189 para corriente,
considerándolos el 100%.
Estos valores fueron medidos en tres oportunidades,
orden
descendente,
ascendente
y
descendente,
respectivamente, a fin de comparar el valor promedio con
el patrón y obtener el error porcentual, tal como muestran
las Fig.4 a 6.
Cabe destacar que las resistencias comprendidas entre
150mohm a 20mohm fueron implementadas con alambre
de nicrom cuya resistencia es de 1,3ohm por metro,
mientras que los demás valores con dispositivos
comerciales. Como elemento de prueba para la medición de
corriente se utilizó un transformador 24V/6A para excitar la
entrada.
-6
Corriente [mA] (Valor Patrón)
Fig. 6: Error porcentual en la medición de corriente.
Teniendo en cuenta las verificaciones realizadas por el
equipo ensayado vemos que el error medio cometido en las
mediciones es menor a un 5 % exigido por la norma.
V. CONCLUSIONES
Se logró la realización de un prototipo que permite
realizar los ensayos sobre transformadores detallados en la
norma IEC 60601-1 y diseñado teniendo en cuenta los
lineamientos de la norma de seguridad eléctrica para
aparatos de laboratorio IEC 61010-1.
Debido al principio de modularidad planteado, el equipo
puede implementarse parcialmente según necesidades
particulares de los transformadores, ya que en las pruebas
preliminares
fueron
implementadas
y
probadas
individualmente.
REFERENCIAS
[1]
6
5
4
[2]
2
1
[3]
9,
56
17
6
8,
26
11
,4
0
80
21
,9
7
1
8
1
,6
3
17
29
55
42
67
86
,8
1
11
4,
62
2,
20
1,
35
0,
89
0,
37
83
97
0,
11
0,
07
71
0
-1
0,
03
Error Porcentual [%]
3
-2
[4]
-3
[5]
-4
-5
-6
Resistencia [Ohm] (Valor Patrón)
Fig. 4: Error porcentual en la medición de resistencia para el circuito
primario del transformador.
[6]
[7]
[8]
IEC 60601-1:1996, 3ra Ed, Medical electrical equipment. Parte 1:
General requirements for basic safety and essencial performance.
IRAM 4220-1, 2da Ed, Aparatos electrómedicos. Parte 1: Requisitos
generales de seguridad
UNE-EN 61010-1:2002 requisitos de seguridad de equipos
eléctricos de medida control y uso en laboratorio. Parte 1: Requisitos
generales.
Benjamín Kuo- Ed Prince-Hall, “Sistemas de Control Automático” 7ª Ed., 1996
Katsuhiko Ogatta- Ed Prince Hall, “9. Ingeniería
de
Control
Moderna- 3ª Ed., 1998
M. H. RASHID, “Power Electronics: Circuits, Devices and
Applications” – Ed Prentice-Hall, INC.- 1988.
Motorola Power MOSFET Transistor Data.
Keith H. Billings, C. Eng., M.I.E.E. “Switchmode Power Supply
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J.G.Webster “Measurement, Instrumentation And Sensors
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