Источники питания для ответственных применений

Разработка и проектирование электронных систем — достаточно длительный и обстоятельный процесс, при этом выбору источника питания уделяется недостаточно внимания. При существующем разнообразии электротехнического оборудования вопрос выбора источника питания является и простым, и сложным одновременно. В каталогах и брошюрах представлена краткая техническая информация, и если все требования к источнику питания ограничиваются диапазонами входных и выходных напряжений и номинальной мощностью, то сделать выбор не составит труда. Другое дело, если решения по автоматизации требуют применения надёжного источника питания с дополнительными функциями сигнализации и защиты для обеспечения безотказной работы. Тогда потребуется более подробно изучить руководства по эксплуатации, технические описания и другую имеющуюся информацию. И вот тут задача усложняется, поскольку некоторые технические особенности и характеристики не являются очевидными.

Расширенный диапазон входного напряжения изначально был необходим для того, чтобы один и тот же источник питания мог успешно эксплуатироваться во всех уголках мира, независимо от того где применяется оборудование — в Европе, Америке или Азии. Источники питания компании Phoenix Contact отличаются широкодиапазонным входом, причём входное напряжение не нужно выставлять. Диапазон напряжений однофазных источников питания составляет 84…264 VAC и является достаточным для большинства однофазных сетей питания, а трехфазные блоки могут воспринимать входные напряжения 3×320…3×575 В в частотном диапазоне 45…65 Гц. Согласно нормативным требованиям максимальные значения колебаний питающей сети не должны превышать ± 10%, но в реальной жизни случается всякое, и уже проверено, что эти источники питания продолжают функционировать даже при экстремальных колебаниях напряжения в сети.
В отличие от широкодиапазонных источников питания источникам питания с фиксированным входным диапазоном перед включением необходимо выставить переключатель в положение 115 или 230 В. Конечно, можно спросить, а в чём собственно трудность? Ведь нужно всего один раз правильно выставить диапазон.
Ответим на этот вопрос на примере. Допустим, система была собрана и прошла испытания в США, но при этом предназначена для эксплуатации в России, следовательно, перед первым включением нужно не забыть и вручную изменить напряжение питания, поскольку в противном случае электрические компоненты окажутся поврежденными.
Рассмотрим другой пример, когда оборудование собрано в России, и нет необходимости менять диапазон. Входное напряжение пропускается через интегральную схему, которая должна определить, какое напряжение на входе — 115 или 230 В. Если же в питающей сети возникнут колебания напряжения, то возвратное напряжение часто считывается неправильно, и это может привести к повреждению источника питания а, возможно, и к остановке системы. В источниках питания с автоматическим выбором диапазона напряжение питания выставляется автоматически, и подобные проблемы возникнуть не могут.

Достаточно часто возникают ситуации, когда появляются кратковременные провалы напряжения из-за плохого качества сети, а также вызванные пуском расположенных рядом мощных устройств или возникшие в результате переключения на резервное питание и т.д. Импульсные источники питания компенсируют такие провалы за счет использования конденсаторов для буферизации энергии, присутствующих в звене 600 В постоянного тока, т.е. имеется ограниченный буфер для всех подключенных потребителей, и обеспечить длительное время шунтирования при полной нагрузке можно только за счет конденсаторов большой емкости. Конденсаторы, используемые в источниках питания Quint Power (см. рис. 1), обеспечивают время компенсации кратковременного отказа по питанию по меньшей мере 20 мс, а в некоторых моделях — до 120 мс.

Рис. 1. Источники питания серии Quint Power

В ответственных производствах, где работает достаточно чувствительное к качеству питания оборудование, использовать нестабилизированные источники питания нельзя, поскольку колебания входного напряжения проходят непосредственно на выход. Чем выше уровень автоматизации производства, тем выше производительность, и даже кратковременное колебание напряжения способно привести к утрате данных или отказу контроллера, вызвать останов или даже простой системы, и в результате привести к существенным убыткам. Источники питания Quint Power защищают чувствительное оборудование и обеспечивают непрерывность производственного процесса. В случае, если времени буферизации, которое обеспечивают источники питания недостаточно, можно подобрать отдельные буферные модули или источники бесперебойного питания, также имеющиеся в номенклатуре Phoenix Contact.

Ещё одной особенностью источников питания Quint (и некоторых других серий источников питания Phoenix Contact) является наличие функции статического резерва мощности (Power Boost). Ошибки при выборе компонентов, бесконтрольное расширение системы или неисправность отдельных компонентов перегружают электрическую систему, что со временем может привести к дорогостоящим и длительным системным отказам и остановке оборудования. В данном случае пословица «запас карман не тянет» подходит как нельзя лучше, т.к. источники питания Quint имеют запас мощности до 50% от номинального значения (см. рис. 2). Большинство аналогичных источников имеют либо существенно меньший запас, либо он доступен в очень короткий промежуток времени. Power Boost позволит длительно работать в режиме перегрузки, при этом сигнал об этом режиме работы будет передан в систему управления, и у обслуживающего персонала будет время устранить причину. Можно привести простой пример постепенного увеличения потребляемого тока, которое происходит вследствие накопления грязи на регулирующих клапанах, что приводит к увеличению потребляемой мощности. С источником питания Quint такая ситуация не приведёт к немедленному аварийному останову оборудования, а позволит устранить проблему с минимальными потерями.

Рис. 2. Контроль рабочего состояния в трёх диапазонах: нормальная работа, работа с использованием запаса мощности Power Boost и перегрузка

В больших системах управления все ключевые элементы имеют сигнализацию состояния, и по мере роста и увеличения сложности системы наличие такой сигнализации становится всё более важным. Полагаться на визуальный осмотр или узнавать о возникшем отказе по остановившемуся производственному процессу — непозволительная роскошь для отраслей, где простои либо невозможны, либо обходятся слишком дорого. Например, остановка конвейера по производству автомобилей всего лишь на 30 мин. уже приведёт к значительным убыткам, когда ежедневный выпуск составляет 2000 автомобилей. Другой пример: так называемое непрерывное производство (process industry), где последовательно протекающие на разных этапах цикла химические процессы в случае аварийного останова могут привести к катастрофическим последствиям.
Имеющиеся у источников питания Quint функции мониторинга состояния и сигнализации позволяют конструкторам спроектировать систему так, чтобы минимизировать возможное время простоя оборудования. Превентивная функция мониторинга для удаленного контроля источника питания обеспечивает непрерывный контроль состояния выходного тока и напряжения и позволяет предупредить систему управления о возможности возникновения критической ситуации до того, как авария произошла, выдав сигнал с помощью сухого контакта реле или активного транзисторного выхода (см. рис. 3).
Если блок питания обеспечивает ток выше номинального, значит он перешел в режим использования запаса мощности — Power Boost. В этом случае блок питания, к примеру, рассчитанный на 10 А, может выдавать выходной ток до 15 А. Источник питания и нагрузка функционируют в нормальном режиме, напряжение на выходе равно 24 В, но предупредительный сигнал о перегрузке, или точнее, о предаварийном режиме передаётся в систему управления.

Рис. 3. Сигнализация о состоянии источника питания возможна с помощью сухих контактов и активных выходов

При дальнейшем увеличении нагрузки происходит просадка выходного напряжения источника питания, и если оно оказывается ниже порога, то формируется сигнал аварии. Чаще всего минимальное напряжение для потребителей, таких как контроллеры, находится в диапазоне 18…20 В, так что даже если напряжение снизится ниже порога сигнала аварии, который составляет 90% от заданного выходного напряжения (например, для выходного напряжения 24 В сигнальный порог будет 21,6 В), то потребитель будет продолжать получать достаточное для работы напряжение питания.

Источники питания, изготавливаемые с применением низковольтных трансформаторов, могут в случае короткого замыкания выдать большой ток, который будет достаточен для отключения автоматических выключателей за несколько миллисекунд. Пришедшие им на смену источники питания с импульсными трансформаторами имеют множество преимуществ. Кроме уже названных стоит отметить еще и высокий КПД (до 94%), более компактный дизайн, регулируемое выходное напряжение и т.д. Но до сих пор импульсные источники питания не могли выдать ток, необходимый для отключения в случае короткого замыкания (КЗ) дешевых, не быстродействующих, автоматических выключателей.
В источниках питания Quint удалось совместить преимущества импульсных источников питания с возможностью использования стандартных автоматических выключателей для защиты от токов КЗ. С использованием технологии селективного отключения нагрузки (SFB, Selective Fuse Breaking) автоматические выключатели отключаются всего за несколько миллисекунд. Для достижения этого эффекта источник питания обеспечивает 6-кратный резерв выходной мощности в течение 12 мс.
Пример: источник питания Quint с выходными данными 24 В, 20 A, c технологией SFB, может питать систему управления и три дополнительных нагрузки (см. рис. 4). Каждая цепь защищена автоматическими выключателями на 16 А с характеристикой В. При переменном токе 16 А автоматический выключатель отключится при токе в цепи 80 А, а для постоянного тока, с учетом поправочного коэффициента 1,5, цепь гарантированно разомкнется при токе 120 А. В случае КЗ, возникшего из-за повреждения кабеля, источник питания с технологией SFB, рассчитанный на номинальный ток до 20 А, выдаст кратковременные импульсы тока, до 120 А. Автоматический выключатель в цепи с коротким замыканием надежно срабатывает в диапазоне 3… 5 мс, в то время как остальные нагрузки будут продолжать работать без перебоев, функционируя в нормальном режиме, несмотря на произошедшее КЗ.

Рис. 4. SFB-технология — технология селективного отключения автоматических выключателей

Источники питания Quint Power обеспечивают повышенную эксплуатационную надежность ещё и благодаря тому, что способны выдерживать напряжение вплоть до 300 В переменного тока. Такие всплески напряжения являются типичными для асимметричных «мягких» энергосистем, где неправильно распределённая нагрузка приводит к перекосу фаз и возможному увеличению напряжения в одной из фаз до величины, превышающей рабочий диапазон источника питания. У большинства источников питания в таких случаях на входе устройства срабатывает варистор на 275 В, и устройство оказывается дефектным. Что касается источника питания Quint Power, то такие выбросы напряжения не могут его повредить.

Мы надеемся, что в данной статье нам удалось рассказать о тех особенностях источников питания Quint Power (см. рис. 5), которые позволяют применять их в самых ответственных системах и производствах. Многие характеристики не имеют аналогов, поэтому компания Phoenix Contact может утверждать, что предлагает своим партнёрам самые современные и инновационные решения в области электропитания оборудования для автоматизации. Источники питания Quint Power являются представителями уже третьего поколения этого семейства: они сохранили преимущества моделей предыдущих поколений и приобрели новые возможности.

Рис. 5. Многообразие источников питания Quint Power