Управляемые источники питания

Введение

Стремительное развитие современной электроники ведёт к расширению диапазона направлений промышленной, инженерной и исследовательской деятельности, в которых требуется электропитание с регулируемыми параметрами электрической энергии. Зачастую необходимо управление не только током и напряжением, но и решение более сложных задач, например, таких, как стабилизация мощности, дозирование электроэнергии или формирование напряжения заданной формы. Для решения этих, а также целого ряда других задач используются управляемые источники питания (УИП).

УИП находят применение в обширном ряду приборов и оборудования для промышленной автоматизации. Это приборы для контроля и управления различными объектами и процессами, комплексы метрологической, контрольно-испытательной аппаратуры. Аппаратура подобного класса предъявляет весьма высокие требования к параметрам электрической энергии, гибкости в применении источников питания, наличию цифровых интерфейсов для удалённого управления.

Сферы применения

Одно из направлений для применения источников питания – построение зарядных устройств для аккумуляторных батарей. При заряде аккумуляторной батареи требуется формирование стабильного тока заряда. Этот параметр зависит от типа и ёмкости батареи, а также от выбранного метода заряда. Например, ток при ускоренном заряде батареи может в два и более раз отличаться от тока заряда в нормальном режиме. 

Ввиду того, что номенклатура типов и ёмкостей аккумуляторных батарей, а также режимов их эксплуатации крайне широка, не всегда удастся к каждой подобрать требуемый источник с фиксированными параметрами. Лучшее решение в данной ситуации – это применение управляемых источников питания.

Еще одно направление, где используются УИП, – приборы для промышленного производства. Гальванические ванны, двигатели постоянного тока, соленоиды, лазеры, газоразрядные и светодиодные лампы – это далеко не полный список оборудования, где требуется регулируемое электропитание.

Зарубежные производители УИП

На мировом рынке управляемые источники питания предлагаются большим количеством фирм-производителей. Остановимся на тех из них, продукция которых активно продвигается на российский рынок.

Довольно широкую номенклатуру УИП предлагает немецкая компания 

Первыми в линейке продукции этой фирмы стоят приборы серии PS800R, обладающие базовым набором характеристик. В эту серию входят преобразователи с выходной мощностью от 320 Вт до 5 кВт. Входное переменное напряжение 90-264 В, имеется активный корректор коэффициента мощности. Выходное напряжение регулируется в пределах нескольких диапазонов (в зависимости от типа ИП) от низковольтного 0…16 В, до 0…500 В. Управление напряжением осуществляется только внешним аналоговым сигналом, регулировка тока отсутствует. PSI 800 R – более продвинутая версия этих ИП, снабженная дисплеем и несколькими клавишами, с помощью которых осуществляется управление током и напряжением. Конструктивно ИП выполнены в форм факторе «wall-mounted», то есть для монтажа на поверхность.

Более интересные серии EA-PS 9000 и EA-PSI 9000, которые включает в себя УИП с выходной                                                                                                                                                                                                                                         

мощностью 1000, 1500, 3000, 6000, 9000Вт и выходным напряжением из ряда диапазонов от 0…32 до 0…720 В. Регулировка выходного напряжения, тока и мощности может осуществляться как аналоговым сигналом, так и с использованием встроенных органов управления. Имеется ряд опций, позволяющих управлять параметрами ИП с помощью компьютера по интерфейсам RS232, USB, CAN, Ethernet, GPIB, Profibus. ИП выполнены в стандартном конструктиве для установки в 19” стойку.

EA-PS 8000 2U (640-3000 Вт)

Также среди приборов производства Elektro-Automatic имеются лабораторные источники серий PS2000, PS3000, зарядные устройства серий BC500 (только для кислотных аккумуляторов), BC800R и BCI800R (несколько типов батарей).

Deutronic — еще одна немецкая компания, получившая признание и ставшая стандартом в мировой автомобильной промышленности благодаря своим зарядным устройствам, так же предлагает ряд высоко-ителектуальных УИП.

Серия D-IPS включает источники мощностью от 250 Вт до 1000 Вт и диапазоном регулировки напряжения от 0…16 до 0…125 В. Блоки этой серии отличает очень низкое энергопотребление в режиме ожидания, активный корректор мощности и ряд защит (короткое замыкание, перенапряжение, обрыв цепи, перегрев). 

Все преобразователи в серии снабжены графическим дисплеем для вывода рабочей информации. Управление источниками возможно с помощью встроенных органов управления, а так же аналоговым или цифровым сигналом по интерфейсу RS232, опционально доступно управление по LAN или USB.

Конструктивно блоки питания сери D-IPS выполнены в виде модулей для монтажа на DIN-рейку.

Серии DXC3000/3 и DXC6000/3, включают изделия мощностью 3 кВт и 6кВт соответственно. Диапазоны регулировок выходного напряжения от 0…15 до 0…120 В. Блоки так же оборудованы продвинутыми системами защит (перенапряжения, перегрева), присутствует возможность управления с помощью встроенных органов управления или по аналоговому / цифровому сигналу.                                                                                                                                                                                                       Блоки данной серии подходят для использования в 19” распределительных шкафах.

DXC6000/3 (6 кВт)

Для лабораторного применения имеется источник DMAC4Q мощностью 1000 Вт. Диапазон регулировки выходного напряжения от 0 до 270 В переменного напряжения и от 0 до 380 В для постоянного напряжения. 

DMAC4Q (1000 Вт)

Зарядные устройства серии DBL, мощностью от 800 Вт до 5,5 кВт, так же могут использоваться в качестве управляемых источников питания, что позволяет подобрать изделие с необходимым диапазоном регулировок напряжения на практически любую выходную мощность.

Powernet — финская компания, специализирующаяся на разработке и производстве источников питания. В номенклатуре изделий этой фирмы источники серий ADC4370, ADC7520, ADC7480. Эти модели ориентированы на использование в качестве зарядных устройств для аккумуляторных батарей и в зависимости от опций могут реализовывать стандартные алгоритмы заряда различных типов аккумуляторов. Максимальная выходная мощность этих ИП составляет 800, 1600 и 3000 Вт соответственно. Диапазон входных напряжений 55-264 В переменного или 78-340 В постоянного

напряжения. Выходное напряжение регулируется в пределах довольно широкого ряда диапазонов от 0…18 до 0…320 В. Регулировка значений выходного напряжения и тока осуществляется внешними аналоговыми сигналами или встроенными подстрочными резисторами. Возможность управлять выходными параметрами по цифровому интерфейсу отсутствует, что накладывает некоторые ограничения на области применения данных ИП. Конструктивно источники выполнены в виде модулей для монтажа на поверхность.

ADC7480 (3000 Вт)

Одним из признанных мировых лидеров в разработке и производстве источников питания является компания TDK-Lambda. Производитель предлагает большой выбор управляемых источников питания с огромным набором возможностей и параметров. Однако, впечатление от этого многообразия несколько омрачается ценой на данную продукцию. Тем не менее, в модельный ряд УИП TDK-Lambda входят источники серий Genesys и ZUP. Эти серии отличает внушительный набор мощностей от 200 Вт до 15 кВт и диапазонов выходных напряжений от 0…6 В до 0…600 В. Имеется возможность регулировать выходные параметры с использованием встроенных органов управления, внешних аналоговых сигналов и цифровых интерфейсов RS232, RS485. ИП выполнены в стандартном корпусе для установки в 19” стойку. К недостаткам этих ИП, пожалуй, можно отнести лишь сравнительно узкий диапазон входных напряжений 170-265 В, а так же обилие не всегда необходимых функций, за которые приходится платить.

Российский производитель УИП

В России, экспертом в разработке и производстве источников питания является компания ЭЛИМ. В сферу деятельности компании входит разработка и производство широкого класса преобразователей и источников питания. Существенную долю в общей номенклатуре производимой продукции занимают управляемые источники питания. Это приборы таких серий, как EL-SA, EL-SS, EL-F, EL-FA. Все перечисленные УИП разработаны и изготовлены в соответствии со стандартами безопасности UL 60950-1 st, CSA C22.2 No.60950-1 st, TUV EN 60950-1 st, IEC 60950-1 st , EMKO-TSE (74-SEC)207/94. Электромагнитная совместимость соответствует EN 55024 : EN 61000-4-2, 3, 4, 5, 6, 8, 11. Уровень радиопомех УИП удовлетворяет требованиям норм EN 55022 CLASS B : EN 61000-3-2.3 FCC CFR 47 PART 15 CLASS B, CNS 13438 CLASS B.

Источники имеют универсальный вход, то есть их можно питать как от постоянного напряжения в диапазоне 127-375В (EL-SA, EL-SS), 70-380В (EL-F), 80-369В (EL-FA), так и от переменного 90-264В(EL-SA, EL-SS), 55-264В (EL-F), 70-264В (EL-FA) . Схема плавного старта ограничивает броски тока (пусковой ток) по входу при включении. Для увеличения коэффициента мощности потребляемой из сети энергии УИП оборудованы активным корректором мощности.

Для обеспечения безопасности при эксплуатации и предотвращения аварийных ситуаций при возможных отказах оборудования, питающегося от УИП, источники снабжены несколькими видами защит. Защита от превышения напряжения отключает ИП при несанкционированном увеличении напряжения на выходе свыше 105…125 % от номинального значения. Защита по току обеспечивает ограничение тока нагрузки, тем самым предотвращая протекание сверхтоков при возникновении КЗ. Защита от перегрева отключает ИП при повышении его температуры свыше 95°С.

При применении УИП для питания оборудования, расположенного в удалении от источника питания, напряжение на нагрузке может оказаться ниже требуемого значения. Причиной этого является падение напряжения на проводах, существенно увеличивающееся при возрастании тока потребления и расстояния от источника до нагрузки. Для предотвращения влияния этих факторов на стабильность напряжения, источники питания, разработанные компанией ЭЛИМ, оборудованы схемой компенсации. Для использования схемы компенсации падения напряжения на проводах достаточно кроме двух силовых шин, дополнительно провести непосредственно от нагрузки еще пару сигнальных проводников и подключить их к специальным входам УИП.

Источники серии EL-SA имеют выходную мощность 1000 Вт. Модельный ряд представлен источниками четырех типов: EL-SA1000-12, EL-SA1000-24, EL-SA1000-36, EL-SA1000-48 с диапазонами регулирования выходного напряжения 0…14, 0…28, 0…42, 0…56 В соответственно. 

Управление выходным напряжением и током может осуществляться с помощью встроенных органов управления, внешним потенциометром, внешним аналоговым сигналом. Выбрать режим внутреннего/внешнего управления можно с помощью встроенных переключателей.

Дополнительные возможности при построении систем электропитания могут быть получены с помощью параллельного или последовательного соединения нескольких УИП. Эти варианты включения могут использоваться для решения таких задач, как сокращение номенклатуры применяемых ИП, унификация, построение резервированных систем, модульное наращивание мощности или напряжения. Одним из преимуществ источников серии EL-SA является возможность их последовательного и параллельного соединения. УИП допускают параллельное включение до 4-х модулей с выравниванием токов, при этом общая выходная мощность будет равна суммарной мощности соединённых ИП, умноженной на 0,9. При      последовательном соединении общий максимальный уровень выходного напряжения не должен превышать 250 В.                                              

Источники имеют дополнительные выходы +5В/0,5А и +12В/0,5А для питания вспомогательных схем или внешних вентиляторов. Также ИП оснащены схемой контроля выходного напряжения, формирующей сигнал «Power Good» при достижении им заданного уровня. Дополнительным плюсом является наличие «спящего режима» (standby), позволяющего экономить электроэнергию.

Конструктивно источники серии EL-SA выполнены в виде модулей размерами 127х295х40,6 мм, в зависимости от опций допускающих крепление на DIN-рейку или монтаж на поверхность.

EL-SS

Источники серии EL-SS выпускаются с выходной мощностью 2, 3, 4 кВт. Модельный ряд источников представлен весьма внушительным количеством типов с возможностью регулирования выходного напряжения в диапазонах от нуля до 14, 28, 42, 56, 84, 112, 168, 224 В. УИП серии EL-SS предоставляют большой выбор способов управления выходными параметрами (током и напряжением) в зависимости от вариантов исполнения (опций). Ток и напряжение можно регулировать с помощью внешнего аналового сигнала (опция Ai), встроенного цифрового энкодера, энкодера и цифровых интерфейсов RS232, RS485 (опции D2, D4). Для управления устройством с помощью компьютера из среды Windows, в комплект поставки входит программное обеспечение “EL-Control”. Также на передней панели ИП присутствует цифровая индикация тока и напряжения. ИП выполнены в стандартном конструктиве, предназначенном для монтажа в 19” стойку, высота 2U. 

Источники серии EL-SS выпускаются с выходной мощностью 2, 3, 4 кВт. Модельный ряд источников представлен весьма внушительным количеством типов с возможностью регулирования выходного напряжения в диапазонах от нуля до 14, 28, 42, 56, 84, 112, 168, 224 В. УИП серии EL-SS предоставляют большой выбор способов управления выходными параметрами (током и напряжением) в зависимости от вариантов исполнения (опций). Ток и напряжение можно регулировать с помощью внешнего аналового сигнала (опция Ai), встроенного цифрового энкодера, энкодера и цифровых интерфейсов RS232, RS485 (опции D2, D4). Для управления устройством с помощью компьютера из среды Windows, в комплект поставки входит программное обеспечение “EL-Control”. Также на передней панели ИП присутвует цифровая индикация тока и напряжения. ИП выполнены в стандартном конструктиве, предназначенном для монтажа в 19” стойку, высота 2U.

Вид окна программы «EL-Control»

Источники серии EL-F выпускаются с выходной мощностью 800, 1600, 2400 Вт. Благодаря широкому диапазону регулировки выходного напряжения устройства данной серии, как правило, применяются в качестве лабораторных источников питания. 

Модельный ряд включают устройства с диапазоном регулировки выходного напряжения от нуля до 80, 106, 160, 212, 240, 318В. Способы управления и дополнительные опции аналогичны серии EL-SS. ИП выполнены в стандартном конструктиве, предназначенном для установки на горизонтальную поверхность или в 19” стойку, высота 2U.

Для применения ИП в жестких условиях эксплуатации инженерами компании ЭЛИМ была разработана серия ЕL-FA. Это приборы, изготовленные с защитой от неблагоприятных внешних воздействий – усиленными элементами конструкции, пассивным охлаждением и многослойным лаковым покрытием, класс защищенности IP57. Источники серии имеют выходную мощность 3200 Вт. Модельный ряд источников представлен возможностью    регулирования выходного напряжения в диапазонах от нуля до 18, 36, 54, 72, 108, 156, 230, 320 В.                                             

Варианты управления выходным напряжением\током, а также дополнительные опции аналогичны серии EL-SS. Установка блока возможна на горизонтальную поверхность или в 19" стойку, высота 3U

Стоит отметить, что перечень и характеристики выпускаемой продукции ничем не уступают зарубежным аналогам, а наличие большого количества опций является существенным преимуществом для потребителя. Такой подход позволяет выбрать требуемую конфигурацию оборудования, не переплачивая за ненужные функции.

Инженерно-производственная база компании позволяет оперативно реагировать на потребности рынка управляемых источников питания, предлагая продукцию отвечающую мировым стандартам качества по гораздо более привлекательным ценам.

Благодаря наличию собственного сервисного центра на территории Российской Федерации, сервисное обслуживание, гарантийный/послегарантийный ремонт продукции ЭЛИМ проводится в кратчайшие сроки.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    

Заключение 

Вне зависимости от выбранного производителя, управляемые источники питания предлагают широкие возможности при проектировании систем электропитания во множестве сфер применения. С развитием цифровых систем управления, интеграция подобных устройств в конечный продукт стала очень простой и беззатратной.  

Благодаря многолетнему опыту и тесному сотрудничеству с зарубежными производителями силовой электроники, компания ЭЛИМ может предложить решение практически любой задачи электропитания для российского потребителя.