Przypadek nieprawidłowo działającego urządzenia medycznego jest klasycznym przykładem znaczenia systematycznego podejścia do rozwiązywania problemów z jakością energii elektrycznej. Tę historię opisał Mike — niezależny wykonawca współpracujący z kilkoma zaawansowanymi technologicznie zakładami produkcyjnymi.
Problem
Mike spotkał się na miejscu z zarządcą budynku, który był sfrustrowany działaniem instalacji elektrycznej. Według informacji przekazanych przez zarządcę cała elektryka w budynku działała nieprawidłowo i nikt nie był w stanie ustalić przyczyny ani zaproponować rozwiązania. Zarządca powiedział Mike’owi także, że trzech jego elektryków odeszło z pracy i jest teraz w poważnych tarapatach.
Mike zadał pytania, aby uzyskać bardziej szczegółowy obraz problemu, ale uzyskane odpowiedzi nie dostarczyły żadnych przydatnych informacji. Ponieważ zawsze starał się kierować zasadą: „W razie wątpliwości zacznij od obciążenia sprawiającego problem”, Mike zaproponował, aby przejść do tej części budynku, w której występowały największe problemy.
Inspekcja wzrokowa
W jednym rogu stało duże urządzenie medyczne, na którym była przeprowadzana newralgiczna procedura testowa. Urządzenie było wyposażone w duży wyświetlacz, klawiaturę i panel sterowania z kilkoma kablami i przewodami giętkimi prowadzącymi do innych elementów wyposażenia. Na wyświetlaczu operatora widoczna była informacja, że procedura testowa jest w toku.
Obok urządzenia znajdował się stół warsztatowy przeznaczony do naprawy obwodów drukowanych. Na stole warsztatowym znajdowało się kilka elementów: lutownica, podświetlana lupa i wentylator. Listwa zasilająca elementy na stole warsztatowym była podłączona do tego samego gniazdka, co duże urządzenie medyczne. Mike obserwował osobę przy stole warsztatowym, która sięgnęła po wentylator i włączyła go. W tym momencie wyświetlacz operatora na urządzeniu medycznym na chwilę zgasł, a następnie włączył się ponownie z napisem „Reset programu” wyświetlonym dużymi literami.
Pomiary i ocena
Mike zmierzył napięcie w gniazdku zasilającym oba obciążenia. Jego multimetr przemysłowy Fluke 87 V wskazał napięcie 115 V. Zarządca budynku powtórzył pomiar swoim wytrzymałym multimetrem cyfrowym Fluke 27 II, który wskazał napięcie 118 V. Skąd ta różnica?
Model Fluke 87 V wykonuje pomiary prawdziwej wartości RMS. Zapewnia on prawidłowe odczyty, ale w przypadku przebiegów prostokątnych lub przebiegów przypominających prostokątne są one niższe niż podawane przez przyrządy do pomiaru wartości średnich, takie jak Fluke 27 II. Mike podłączył swój skopometr przemysłowy Fluke 120B i wyświetlił przebieg napięcia. Okazało się, że przebieg był mocno obcięty w górnej części, przez co bardziej przypominał przebieg prostokątny niż sinusoidę. Zmierzona wartość szczytowa wynosiła tylko 135 V, a nie spodziewane 162 V.
Mike narysował jednokreskowy schemat instalacji. Na schemacie było widać, że transformator zasilający badany obszar znajdował się w przeciwległym rogu budynku — blisko 150 metrów dalej. Większość obciążeń na tym transformatorze nie była liniowa i pobierała duże prądy szczytowe przy szczytowych wartościach napięcia. Kombinacja dużych prądów szczytowych i wysokiej impedancji na długim odcinku spowodowała poważne obniżenie napięcia na końcu obwodu — dokładnie tam, gdzie znajdował się badany obszar.
Teoria i analiza
Ponieważ obwody wewnętrzne urządzenia medycznego działały na niskim napięciu DC, wewnętrzny zasilacz powinien mieć obwód wejściowy z diodami/kondensatorami, który wymaga pewnego minimalnego napięcia szczytowego do prawidłowego działania. Tabliczka znamionowa na urządzeniu medycznym wskazywała, że potrzebuje ono napięcia zasilania w zakresie 100–135 V AC (RMS). Inżynierowie, którzy zaprojektowali urządzenie i podali dane do tabliczki znamionowej, założyli, że napięcie zasilające będzie miało przebieg sinusoidalny, więc minimalna wartość szczytowa wyniesie 141 V (100 x 1,41). Ponieważ zmierzona wartość szczytowa napięcia wejściowego wynosiła tylko 135 V, urządzenie pracowało przy napięciu szczytowym, które było już o 6 V niższe od wymaganego absolutnego minimum. Po włączeniu wentylatora prąd udarowy pobierany przez silnik wentylatora dodatkowo obniżał napięcie do wartości, przy której zasilacz urządzenia medycznego przestał działać prawidłowo. To właśnie było przyczyną resetowania urządzenia.
Rozwiązanie
Problem obcinania górnych części przebiegu napięcia przy wartościach szczytowych występuje powszechnie w zaawansowanych technologicznie budynkach. Wiele z obecnie użytkowanych budynków nie zostało zaprojektowanych do obsługi szerokiej gamy komputerów i obciążeń nieliniowych, które są tak często spotykane w dzisiejszych czasach.
W tym przypadku konieczna byłaby szeroko zakrojona zmiana okablowania w celu zmniejszenia spadku napięcia między transformatorem a obciążeniem. Alternatywą byłoby przeniesienie najbardziej czułych obciążeń bliżej transformatora.