電能質(zhì)量實例分析：出故障的醫(yī)療儀器

測量工具： Fluke 43B 電能質(zhì)量分析儀

Fluke 87 真有效值數(shù)字萬用表，F(xiàn)luke 27數(shù)字萬用表

操作者：電氣承包商

所使用的功能：True-RMS 電壓、平均電壓、電壓波形

問題描述

這是系統(tǒng)的解決問題的重要性的一個典型例子。它涉及一個與數(shù)家高技術(shù)制造廠合作的電氣承包商。

該案例首先以拜訪一個大廈經(jīng)理開始，這個經(jīng)理正受其電氣系統(tǒng)的困擾。按這個經(jīng)理的說法，在他的建筑內(nèi)，沒有什么電氣設(shè)備可以正常工作，并且沒有人能夠確定是什么原因或提出一個解決方案。這個經(jīng)理還說，他的三個電工已經(jīng)辭職了，現(xiàn)在他陷入了真正的麻煩之中。

承包商問了很多問題――試圖得到更加詳細的問題描述。這種努力毫無結(jié)果，于是，承包商被帶到了情況最糟糕的大廈部位。他遵循一種原則：“當(dāng)拿不準(zhǔn)時，從最糟糕的負載開始”。

在遠處的一個角落，一臺大的醫(yī)療儀器正在經(jīng)受嚴(yán)格的測試程序。儀器裝備有一個大的顯示屏、一個鍵盤和一個有幾根電纜和軟管連接至其它設(shè)備的控制面板。操作者的顯示屏顯示測試程序正在運行。

和醫(yī)療儀器相鄰的是一個用于修理電路板的工作臺。工作臺上有一個烙鐵、一個放大鏡，和一個風(fēng)扇。工作臺的電源板和醫(yī)療儀器使用同一個電源插座。當(dāng)承包商正在觀察時，工作臺邊的人打開了風(fēng)扇。就在此時，操作顯示屏成了空白，然后又出現(xiàn)了大字體顯示的“Program Reset”（程序復(fù)位）字樣。

測量方法

承包商測量了為兩臺設(shè)備供電的插座的電壓。他的Fluke 87真有效值數(shù)字萬用表測量的值為115V。大廈經(jīng)理利用他的Fluke 27平均響應(yīng)數(shù)字萬用表重復(fù)了測量，顯示電壓為118V。為什么真有效值萬用表的讀數(shù)會較低呢？

真有效值設(shè)備在測量時將進行校正，但是在測量方波或類似方波的波形時，讀數(shù)較平均響應(yīng)設(shè)備低。承包商連接了Fluke 43B來顯示電壓波形。讀數(shù)顯示，波形（如圖１所示）在頂部被嚴(yán)重斬波了――使波形比正弦波更象一個方波。所測量的峰值只有135V，遠遠低于所期望的162V。

于是，承包商畫了一個系統(tǒng)的單線示意圖。示意圖顯示，為測試區(qū)域供電的變壓器在大廈內(nèi)相對的另一端――大約有500英尺的距離（如圖２）。該變壓器的多數(shù)負載是非線性的，在電壓的峰值處，他們都吸收高峰值電流。高峰值電流和最后的高阻抗相結(jié)合，在電路的末端產(chǎn)生了嚴(yán)重的電壓斬波――正好是測試區(qū)域所在位置。

推理和分析

由于醫(yī)療儀器的內(nèi)部電路工作在低電壓直流電源，內(nèi)部的電源將有一個二級管/電容輸入電路，該電路需要一個維持正常操作的最小峰值電壓。醫(yī)療儀器的銘牌上顯示儀器所需的電源電壓在交流100到135V有效值之間。設(shè)計儀器和固定銘牌的工程師假設(shè)供電電壓為一個正弦波，那么，最小峰值電壓應(yīng)該為141V(100×1.41)。而測量的輸入電壓的峰值僅為135V，則儀器的工作電壓比其所需的最小絕對值電壓低6V。當(dāng)風(fēng)扇打開時，風(fēng)扇所引起的浪涌電流降低了儀器電源處的電壓不規(guī)則。這正是導(dǎo)致儀器復(fù)位的原因。

解決方案

在高技術(shù)大廈內(nèi)，電壓峰值斬波（平頂）的問題是很普遍的。許多現(xiàn)在在用的大廈在設(shè)計時并沒有考慮當(dāng)今非常典型的計算機和非線性負載。

在該例中，為了避免變壓器和負載之間的電壓損耗，大規(guī)模的重新布線是必要的。另一個解決方法就是將大多數(shù)的感應(yīng)負載移到接近變壓器的一端。