University of Kerbala
اسم الباحث : حسبان عبود صبر
اسم المشرف : الأستاذ المساعد الدكتور علي جعفر مهدي ; المدرس الدكتور منال حسين نوير
الكلمات المفتاحية :
الكلية : كلية الهندسة
الاختصاص : علوم الهندسة الكهربائية
سنة نشر البحث : 2022
تحميل الملف : اضغط هنا لتحميل البحث
الخلاصة
تختلف المحولات الإلكترونية عالية التردد عن المحولات الكهربائية التقليدية بعدم وجود ملفات كهربائية تسبب خسائر في القدرة إضافة الى الازاحة الطورية، علما ان مكونات المحولات الإلكترونية هي عناصر فعالة (اشباه الموصلات) ممكن التحكم في حالات تشغيلها لغرض تنظيم القدرة الخارجة. يتم استعمال المحولات الإلكترونية عالية التردد في العديد من الأجهزة الطبية، ومنها أجهزة الجراحة الالكترونية. تعتبر تقنية الجراحة الكهربائية من التقنيات الأكثر استخدامًا للعمليات السريرية، ويمكن تحقيق ذلك باستخدام مولد الجراحة الإلكتروني لقطع انسجة الجلد وتسريع تخثر الدم بعد العمليات الجراحية. ينتج المولد الإلكتروني تيارًا متناوبًا بتردد عال لغرض تقليل التحفيزات العضلية والعصبية. ان احدى مساوئ اجهزة الجراحة الإلكترونية التقليدية هي تغيير الطاقة الحرارية المسلطة على انسجة الجلد بسبب التغيير اللحظي لممانعة انسجة الجلد وبالتالي تزداد الطاقة الحرارية عن الحد المسموح به مما يؤدي الى تفحم انسجة الجلد، لذلك يخضع اغلب المرضى بعد اجراء العمليات الجراحية الى عمليات إضافية (باهظة الثمن) لتجميل الجلد. يتم تصميم وتنفيذ مولد الجراحة الإلكتروني باستخدام برنامج الماتلاب والمحاكاة الرياضية. يتكون المولد المقترح من محول الكتروني متزامن لتنظيم الجهد الكهربائي المستمر (مع الاخذ بعين الاعتبار المقاومات الداخلية للعناصر الخاملة) ومحول الكتروني قنطري للتيار المتناوب عالي التردد. يتطلب تصميم المحول المتزامن استخدام نطاق من الترددات للتحقق في تأثير تردد التبديل العالي على تصميم وأداء محولات الطاقة الإلكترونية اقتصاديًا وعمليًا. يتم استخدام نوعين من المحولات الإلكترونية القنطرية لتصميم المولد، وهو المحول الإلكتروني القنطري التقليدي الذي ينتج موجات خرج متكونة من مستويين والمحول الإلكتروني القنطري المتقدم متعدد المستويات الذي ينتج موجات خرج مكونة من خمسة مستويات، لتقليل الحرارة المشتتة العالية وتقليل محتوى التوافقيات في الفولتية الخارجة والتيار الخارج. تم اختبار وحدة الجراحة الإلكترونية على ثلاثة موديلات تحاكي انسجة الجلد والتي تتأثر بجنس المريض (طفل وانثى وذكر) وذلك للتحقق من أداء المتحكمات المقترحة تحت أقسى الظروف. تم اختبار هذه الأحمال وكذلك المولد الجراحي على ترددات مختلفة لدراسة تأثير التردد عليها وإيجاد التردد الأمثل الذي يحقق أداءً مرضيًا. لتنظيم القدرة الخارجة للمولد، من خلال تصميم نظام تحكم قويً باستخدام وحدات تحكم ذات الترتيب الصحيح ووحدات تحكم ذات الترتيب الجزئي لمقارنة أداء الوحدتين وتحديد وحدة التحكم المناسبة، وقد تم استعمال طريقة المحاولة والخطأ وطريقة تحسين سرب الجسيمات لتضبيط معلمات وحدات التحكم. وفقا الى التحليل العددي ونتائج المحاكاة للدراسة المقترحة يمكن القول إن زيادة تردد التبديل في جانب التيار المستمر يقلل من كلفة المحول المتزامن من خلال تقليل حجم مكونات المحول، في نفس الوقت تؤدي زيادة التردد إلى تقليل كفاءة المحول. من ناحية أخرى تؤدي زيادة التردد في جانب التيار المتردد إلى تقليل الفترة الزمنية للعملية الجراحية، ويمكن أن تساعد هذه النتائج بنجاح في تقليل فقد الدم، ولكن هذه الزيادة في التردد تؤدي إلى زيادة التجاوز للقدرة. من ناحية الأحمال، يقلل التردد العالي من زاوية طور ممانعة الانسجة، ويساعد هذا التقليل الزاوي على منع التنشيط العصبي العضلي للخلايا. اثبتت عملية التنفيذ ان طبقات الجلد للأحمال الثلاثة تكون اقل عرضة للحروق حيث سجلت اقل قيمة تجاوز لخرج قدرة المولد من بين جميع الطبقات الاخرى في حين تعد الطبقات الدهنية أكثر الطبقات عرضة للحروق كونها سجلت اعلى نسبة تجاوز لخرج القدرة. تم تقديم مقارنة تحليلية مفصلة لأداء كل من وحدات التحكم بالإضافة الى أداء المحولات الإلكترونية القنطرية لتحديد النوع المناسب الذي يساعد على تصميم مولد ذات اداء عملي محسن. تتطلب عملية تصميم مولد الجراحة الإلكتروني مراعاة اختيار التردد المناسب لتأثيره الكبير على الأداء العملي للمولد. ومع ذلك، فقد تم بالفعل تصميم مولد بمواصفات محسّنة وتجهيزه بنظام تحكم ينظم القدرة الخارجة تلقائيًا بكمية أقل من الطاقة الحرارية. أثبتت نتائج المحاكاة أن وحدات التحكم ذات الترتيب الجزئي أكثر كفاءة وأفضل أداء من وحدات التحكم ذات الترتيب الصحيح في تحسين الخصائص العملية للمولد، وأظهرت النتائج أيضًا أن استخدام المحول الإلكتروني القنطري المتقدم متعدد المستويات يساعد على تقليل التوافقيات عند مقارنتها مع المحول الإلكتروني القنطري التقليدي مما يساعد ذلك على تقليل كمية الطاقة الحرارية للمولد. وفقًا لذلك، يمكن القول إن استخدام وحدات التحكم الجزئية مع المحول الإلكتروني المتقدم لتصميم المولد الجراحي الإلكتروني يعد المقترح الأكثر كفاءة لتقليل او القضاء على مساوئ المولد عند اجراء العملية الجراحية. مع ذلك يجب مراعاة طبيعة الطبقات البيولوجية عند عملية التصميم لكونه هناك طبقات يكون تأثير تغير خرج قدرة المولد عليها قليل كما في طبقات الجلد لكن هناك طبقات تتأثر بشكل كبير كما في الطبقات الدهنية.
Design and Control of High-Frequency Power Electronic Converters for Electrosurgical Generators
Abstract
The high-frequency electrosurgical generator (ESG) is an efficient medical device that is used in surgery for the cutting and coagulation of tissues. The main disadvantage of ESG is the irregular power output caused by the variable tissue impedance. Additionally, the heat dissipation caused by the high amount of thermal energy generated creates medical complications for both the patient and the surgeon.
The ESG is designed and implemented in MATLAB/Simulink. The proposed ESG consists of a synchronous buck converter, an H-bridge inverter, and a high-frequency linear transformer. This circuit was designed to examine the influence of high switching frequencies on power electronic converter design and performance, economically and practically. The ESG was designed using a conventional 2-level H-bridge inverter and an advanced five-level multilevel inverter, to reduce heat dissipation during the surgery and THD. Three models (Child, Male, and Female) were also developed to test the proposed ESG behavior improvement. To regulate the output power of the ESG, a robust control system is designed using integer-order PID (IO-PID) and fractional-order PID (OF-PID) controllers. To compare the performance of the two controllers and select the most appropriate control, the trial-and-error method and particle swarm optimization (PSO) are used to tune the controller parameters.
The numerical analysis and simulation results revealed that: on the DC side, increasing switching frequency reduces cost by reducing circuit component size, but decreases efficiency of the DC-DC buck converter circuit. Increasing the switching frequency reduces the surgical operation time but increases the output ESG overshoot in AC side. High-switching frequency reduces the phase angle of the impedance. This reduction helps to prevent neuromuscular activation of cells. The performance of the H-bridge is compared to that of the advanced multilevel inverter circuit in ESG. A detailed analytical comparison of the performance of each of the control units IO-PID and FO-P ID has been presented.
The simulation findings indicate that FO-PID control units are more efficient and perform better than IO-P ID control units in terms of improving ESG output. Using the advanced multilevel inverter circuit helps to reduce the THD for the output voltage and current, thus reduce the amount of thermal energy of the generator.
