Классическим примером важности системного подхода к поиску и устранению нарушений с качества электроэнергии, является неисправная работа медицинского аппарата. Эту историю рассказал Майк, независимый подрядчик, работающий на нескольких высокотехнологичных производственных предприятиях.
Суть проблемы
Майк встретился на объекте с управляющим зданием, который был крайне обеспокоен работой энергосистемы. По словам управляющего, у него создалось впечатление, что ни одна из электроустановок в здании не работает правильно, и никто не может понять, почему. Управляющий также рассказал Майку, что трое его электриков уволились, и сейчас он просто в отчаянии.
Майк задал управляющему вопросы, чтобы составить полную картину, но ответы не прояснили ситуацию. Поскольку Майк привык следовать принципу «Если сомневаешься, начинай с чувствительной нагрузки в проблемной установке», он попросил показать ему самый проблемный участок здания.
Результаты осмотра
В углу стоял большой медицинский аппарат, выполнявший критически важные процедуры испытаний. Аппарат был оснащен большим экраном, клавиатурой и панелью управления с несколькими кабелями и шлангами, подключенными к другим блокам оборудования. Надпись на экране оператора свидетельствовала о том, что процедура испытаний находится в процессе выполнения.
Рядом с аппаратом находился рабочий стол с оборудованием для ремонта печатных плат. На столе находился паяльник, лупа с подсветкой и вентилятор. Блока розеток стола запитывался от той же розетки, что и медицинский аппарат. Майк увидел, как сидящий за столом работник дотянулся до вентилятора и включил его. В тот же момент изображение на экране медицинского аппарата исчезло, а затем восстановилось, и появилась надпись: «Сброс программы».
Измерения и оценка результатов
Майк измерил напряжение на розетке, запитывающей обе нагрузки. Его промышленный мультиметр Fluke 87V выдал результат 115 В. Управляющий зданием повторил измерение своим защищенным цифровым мультиметром Fluke 27 II и получил результат 118 В. В чем причина разницы?
При измерении сигналов прямоугольной формы или формы, близкой к прямоугольной, показания прибора Fluke 87V, измеряющего истинные среднеквадратичные значения, являются точными, но будут отличаться в меньшую сторону от показаний усредняющих приборов, типа Fluke 27 II. Майк вывел на экран своего промышленного осциллографа Fluke 120B сигнал напряжения. На экране было видно, что вершина парабол срезана настолько, что синусоидальный сигнал больше напоминал прямоугольный. Измеренное пиковое значение составляло всего 135 В, в отличие от ожидаемых 162 В.
Майк начертил однолинейную схему системы. На однолинейной схеме было видно, что трансформатор, от которого запитан испытательный участок, находится в противоположном углу здания, на расстоянии почти 150 м (500 фут). Большинство нагрузок трансформатора были нелинейными и потребляли большие пиковые токи на пике напряжения. Сочетание больших пиковых токов и высокого импеданса из-за длинного пути сигнала привело к значительному срезанию сигнала напряжения в конце цепи, а именно перед началом испытательного участка.
Теория и анализ
Поскольку внутренние цепи медицинского аппарата запитываются низким напряжением постоянного тока, внутренний источник питания должен иметь диодную/емкостную входную цепь, для надлежащей работы которой требуется определенное минимальное пиковое напряжение. На заводской табличке медицинского аппарата было указано требуемое напряжение питания: от 100 до 135 В ср.кв. переменного тока. Инженеры, которые разрабатывали аппарат и заполняли заводскую табличку, полагали, что сигнал напряжения питания будет синусоидальным и минимальное пиковое напряжение составит 141 Впик (100 × 1,41). Но поскольку измеренное значение пикового входного напряжения было всего 135 В, аппарат работал при пиковом напряжении, которое уже было на 6 В меньше необходимого абсолютного минимума. Когда включали вентилятор, бросок тока, создаваемый двигателем вентилятора, еще больше снижал напряжение — до уровня, неприемлемого для источника питания аппарата. Из-за этого происходил сброс аппарата.
Решение
Проблема срезания пиков сигналов напряжения (англ. flat topping) довольно распространена в высокотехнологичных зданиях. Многие здания, которые сейчас находятся в эксплуатации, не были рассчитаны на такое обилие компьютеров и разнообразие нелинейных нагрузок, характерных для нынешнего времени.
В данном случае для снижения падения напряжения между трансформатором и нагрузкой понадобится перекладывать линию. В качестве альтернативы, можно переместить самые чувствительные нагрузки ближе к трансформатору.