導(dǎo)軌式開關(guān)電源并聯(lián)和冗余技術(shù)在實(shí)踐中的應(yīng)用
發(fā)布時(shí)間:2016-09-06 責(zé)任編輯:susan
【導(dǎo)讀】隨著工業(yè)控制系統(tǒng)的不斷大型化、復(fù)雜化及綜合化,對(duì)于控制系統(tǒng)的能源的提供者—工業(yè)導(dǎo)軌式開關(guān)電源的要求也越來越高了,其集中體現(xiàn)在如何提供大功率的開關(guān)電源和如何提高導(dǎo)軌式開關(guān)電源的使用的可靠性,為了達(dá)到這個(gè)目的,導(dǎo)軌式開關(guān)電源的并聯(lián)技術(shù)和冗余功能得到了很大的發(fā)展。
市場上也出現(xiàn)了不少具有并聯(lián)和冗余功能的導(dǎo)軌式開關(guān)電源。但是在生產(chǎn)實(shí)踐中如何正確地使用和選擇導(dǎo)軌式開關(guān)電源來實(shí)現(xiàn)并聯(lián)和冗余的功能,仍存在不少問題。比如說:如何能實(shí)現(xiàn)100%的冗余功能,不同功率的電源在并聯(lián)時(shí)會(huì)產(chǎn)生什么樣的問題,電源內(nèi)部的調(diào)節(jié)性能對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的電源產(chǎn)生的影響,并聯(lián)電源安裝位置及排列對(duì)電源使用壽命的影響,以及采用不同電源啟動(dòng)時(shí)間對(duì)并聯(lián)運(yùn)行可能帶來的后果等。本文將對(duì)實(shí)踐中使用導(dǎo)軌式開關(guān)電源并聯(lián)和冗余技術(shù)的問題作些探討。
1.輸出電壓連接方法對(duì)并聯(lián)運(yùn)行電源的影響
由于在電源設(shè)計(jì)中,輸出接線端子一般都按單個(gè)電源的最大容量來計(jì)算和選定的,因此電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí),各電源的輸出端電壓不能直接地連接,這樣連接的終端會(huì)出現(xiàn)過載現(xiàn)象。PULS電源采用了二個(gè)輸出端子,如圖1所示。從電源單元到負(fù)載的連接線應(yīng)使用相同長度和橫截面的導(dǎo)線。同時(shí)輸出電壓必須連接在一個(gè)公共的接線端上。這樣保證每個(gè)電源不會(huì)在傳輸導(dǎo)線上產(chǎn)生不同的電壓降,避免輸出回路電流的產(chǎn)生。采用被動(dòng)式均流技術(shù)的并聯(lián)運(yùn)行時(shí)各個(gè)并聯(lián)電源的輸出電壓值必須完全一致,為了達(dá)到這個(gè)目的,許多可并聯(lián)的開關(guān)電源輸出電壓是可調(diào)的,如PULS電源的輸出為24~28V可調(diào)。這樣在所有并聯(lián)的電源接上負(fù)載以前,各個(gè)開關(guān)電源的輸出電壓就可調(diào)整到一致的電壓值。
2.不同的開關(guān)電源啟動(dòng)特性對(duì)并聯(lián)運(yùn)行電源的影響
不同的電源的啟動(dòng)特性對(duì)電源并聯(lián)運(yùn)行的正常與否將會(huì)產(chǎn)生很大的影響,由于開關(guān)電源在上電后大約需要0.3~1.5s的時(shí)間才能使輸出電壓穩(wěn)定。而采用啟動(dòng)時(shí)間的差別較大的開關(guān)電源時(shí),往往會(huì)給并聯(lián)運(yùn)行電路的正常啟動(dòng)帶來很大的麻煩。如果兩個(gè)開關(guān)電源并聯(lián)工作,其中一個(gè)電源啟動(dòng)時(shí)間比較短,只需0.3s,其電壓很快就穩(wěn)定下來,馬上承擔(dān)負(fù)載的電流;而在第一電源輸出電壓已穩(wěn)定的情況下另一個(gè)并聯(lián)開關(guān)電源仍處于啟動(dòng)狀態(tài),不能正常工作,這時(shí)第一個(gè)電源必須承擔(dān)全部的負(fù)載電流,從而進(jìn)入過負(fù)載狀態(tài),電源安全裝置起作用,關(guān)斷輸出電壓;恰在此時(shí),另一個(gè)開關(guān)電源進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài),輸出電壓承受負(fù)載電流,此時(shí)第一個(gè)電源因?yàn)檩敵鲭妷阂殃P(guān)斷,第二個(gè)開關(guān)電源必須承受所有的負(fù)載,則又進(jìn)入過負(fù)載狀態(tài),引起第二個(gè)開關(guān)電源關(guān)斷。在電路設(shè)計(jì)時(shí)如果沒有充分考慮到保險(xiǎn)措施的話,往往會(huì)將電源燒壞或者常常要啟動(dòng)多次才會(huì)進(jìn)行正常工作的狀態(tài)。因此電源在并聯(lián)工作時(shí)必須考慮到開關(guān)電源的啟動(dòng)時(shí)間。一般的經(jīng)驗(yàn)是開關(guān)電源的啟動(dòng)時(shí)間必須小于20%的電源過負(fù)載的時(shí)間,這樣才能保證在并聯(lián)運(yùn)行時(shí)可靠啟動(dòng),同時(shí)建議可并聯(lián)的開關(guān)電源不要采用Hiccup輸出負(fù)載特性,這樣會(huì)給電源的診斷帶來困難。德國PULS電源集團(tuán)公司(以下簡稱PULS公司)的新一代產(chǎn)品DIMENSION充分考慮了電源并聯(lián)工作時(shí)特點(diǎn),加大了電源的過負(fù)載能力,其POWER OVERLOAD具有可維持4秒鐘的150%過負(fù)載能力。這樣,PULS電源并聯(lián)工作是就不必考慮電源的啟動(dòng)時(shí)間的影響,大大方便了使用者和設(shè)計(jì)者。
3.突變輸出負(fù)載對(duì)并聯(lián)運(yùn)行的導(dǎo)軌式開關(guān)電源的影響
在并聯(lián)運(yùn)行時(shí),電源中為了給它的控制電路供電,須提供一個(gè)輔助電壓,這在啟動(dòng)時(shí)通過采用一個(gè)電容來實(shí)現(xiàn)(這也就是為什么電源啟動(dòng)時(shí)有延遲時(shí)間的原因)。當(dāng)電源的功率部分正常工作后,其控制電路由本身的電源供電,當(dāng)兩個(gè)電源并聯(lián)運(yùn)行時(shí),如果一開始帶的負(fù)載很少,那么其中一個(gè)電源的功率部分基本關(guān)斷(這不僅對(duì)被動(dòng)式或主動(dòng)式均流方法都是一樣的)。這時(shí)這個(gè)電源的內(nèi)部的輔助電源也關(guān)斷了,當(dāng)負(fù)載突變時(shí),這個(gè)電源必須像啟動(dòng)狀態(tài)一樣,慢慢地重新建立起來,這要經(jīng)過一個(gè)延遲(大約0.5s)才能使電源功率部分正常工作,在這延遲時(shí)間內(nèi),只有一個(gè)電源進(jìn)行工作,而且處于負(fù)載電流的極限狀態(tài),這時(shí)往往會(huì)引起過載保護(hù)動(dòng)作,切斷輸出的電壓。因此并聯(lián)運(yùn)行的電源必須保證在電源空載的情況下,內(nèi)部輔助電源照常工作,這樣,當(dāng)出現(xiàn)突變負(fù)載時(shí)所有電源能及時(shí)地分擔(dān)負(fù)載。在并聯(lián)運(yùn)行時(shí),并聯(lián)運(yùn)行的電源應(yīng)該具有承受較高外來電壓的能力,不然的話,一個(gè)較高的外來電壓將會(huì)損壞并聯(lián)電源。為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生,須考慮串接一個(gè)隔離二極管。PULS公司的DIMENSION充分考慮了突變輸出負(fù)載的特點(diǎn),通過加大了電源的過負(fù)載能力,來解決由于負(fù)載突變而可能發(fā)生電源瞬間過負(fù)載的問題。這樣,PULS電源并聯(lián)工作方法比一般的開關(guān)電源的并聯(lián)來的更加可靠、安全和方便。
4.導(dǎo)軌式開關(guān)電源的簡單的并聯(lián)運(yùn)行模式
在使用導(dǎo)軌式開關(guān)電源時(shí),為了提供超過單個(gè)電源所能達(dá)到的輸出最大功率,可以通過電源并聯(lián)的方法來增加輸出的電流量。簡單的并聯(lián)運(yùn)行模式是要求二個(gè)或多個(gè)電源直接并聯(lián),而不產(chǎn)生任何損壞的現(xiàn)象,其重要的一點(diǎn)就是電源對(duì)輸出功率的承受力,所謂的簡單并聯(lián)并不考慮電流的均流問題,而是考慮在啟動(dòng)時(shí)或負(fù)載變化時(shí)的并聯(lián)電源可能產(chǎn)生的問題。人們將兩個(gè)電源簡單地并聯(lián)起來,并將它的輸出電源調(diào)整到盡可能一致,這樣在工作實(shí)踐中往往會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象:電源1首先承擔(dān)全部負(fù)載,一直到它的電流極限,然后電源2承受余下的電流,如果這樣并聯(lián)運(yùn)行作為冗余功能使用,同時(shí)采用不同的輸入源的工作的話,那么這種方式是受歡迎的,因?yàn)樗梢詫?duì)輸入源壽命起延長保護(hù)作用(如電池等)。如果這樣并聯(lián)運(yùn)行作為提高輸出總功率,即加大電流量的情況下,這種不均流的工作方式將帶來不良的后果,因?yàn)檫@樣一個(gè)電源一直工作在滿負(fù)載的狀態(tài)下,其電源的壽命大大減少,并聯(lián)電源的可靠性大大降低,這個(gè)電源往往也會(huì)過早地?fù)p壞。所以一般并聯(lián)電源必須合理地分配電流,這里有兩種實(shí)現(xiàn)的方法。
4.1 采用被動(dòng)式均衡電流的并聯(lián)運(yùn)行模式
被動(dòng)式均衡電流的并聯(lián)運(yùn)行模式特點(diǎn)是:當(dāng)輸出電流增大時(shí),其輸出電壓會(huì)微量的減少,其輸出電壓是所謂的軟特性:輸出電壓隨著輸出電流的增加而稍微下降。其電源在空載到滿負(fù)載之間的輸出電壓的波動(dòng)大約為4%~5%額定電壓即1V左右。這樣當(dāng)二個(gè)電源并聯(lián)時(shí),由于不同的電流負(fù)載產(chǎn)生了不同的輸出電壓,一個(gè)是有稍高輸出的電壓的電源首先承受負(fù)載電流,隨著電流量的增加,這個(gè)電源輸出電壓略降,低于另一個(gè)電源的輸出電壓,這樣另一電源承受負(fù)載電流,通過這樣階梯式交替的方法達(dá)到均衡電流的作用。均衡電流的平衡程度如何,取決于所有并聯(lián)電源的輸出電壓的初始調(diào)節(jié)和設(shè)置值。必需指出,這個(gè)方法的實(shí)現(xiàn)其輸出電源必須采用一個(gè)共同的接線端。
一般來講,在大多數(shù)應(yīng)用場合中,具有輸出電壓的軟特性下降曲線的開關(guān)電源基本上能滿足并聯(lián)運(yùn)行的均流的要求。PULS電源SL強(qiáng)力型系列采用了這種被動(dòng)式的并聯(lián)工作方式,為了方便用戶的使用,PULS電源上面具有輸出電壓特征的選擇開關(guān),即單個(gè)運(yùn)行或并聯(lián)運(yùn)行的選擇開關(guān)。開關(guān)打開“S”狀態(tài)時(shí),這時(shí)輸出電壓特征是硬特性,輸出電壓的大小與輸出的電流無關(guān)。當(dāng)打開“P”狀態(tài)時(shí),即為并聯(lián)運(yùn)行方法,電源輸出電壓特征軟特性。開關(guān)電源的輸出電壓值隨輸出電流增加而減少,以達(dá)到均衡電流的目的。這樣PULS電源給并聯(lián)運(yùn)行或單個(gè)運(yùn)行提供了一個(gè)經(jīng)濟(jì)而又可靠的性價(jià)比高的導(dǎo)軌式開關(guān)式電源。
4.2 采用主動(dòng)式均衡電流的并聯(lián)運(yùn)行模式
主動(dòng)式均衡電流的并聯(lián)模式必須采用一根附加的均流線,這根均流線作為反饋信號(hào)傳送到電源的控制器來調(diào)節(jié)每個(gè)電源在所有的條件下提供相同的輸出電流,這時(shí),電源電壓輸出的軟特征是不需要的,輸出電壓在任何場合下不受電流大小的影響,所以與被動(dòng)式均衡電流相比,其輸出電壓精度高,同時(shí)與輸出電路的類型無關(guān);但是對(duì)于開發(fā)和安裝來說,費(fèi)用較高,因?yàn)樵陔娫磧?nèi)部需要一個(gè)精確度較高的電流測試線路和一個(gè)附加的電流調(diào)節(jié)器,同時(shí)也多一個(gè)接線端口。PULS電源的SL40.301三相24/40A的電源采用這種技術(shù),所有的電源經(jīng)過均流線和地線相連接,如圖4所示。
5.導(dǎo)軌式開關(guān)電源的冗余運(yùn)行模式
為了提高供電電源的可靠性,在許多工業(yè)應(yīng)用場合都采用冗余電源的方案,這就是說在并聯(lián)的電源中至少有一個(gè)電源處于后備狀態(tài)。這樣當(dāng)并聯(lián)電源中任一電源發(fā)生損壞時(shí),這個(gè)后備電源自動(dòng)切換到工作狀態(tài),已保證并聯(lián)電源繼續(xù)提供設(shè)計(jì)的總功率,這種冗余方案稱為N+1冗余,為了進(jìn)行更高地提高可靠性,也可采用N+M的冗余方案,所有M個(gè)電源都處于后備狀態(tài),即使M個(gè)電源發(fā)生故障時(shí),并聯(lián)電源仍能正常工作,提供給負(fù)載所需的功率。為了保證冗余電源運(yùn)行模式的高可靠性,其電路的設(shè)計(jì)要考慮的問題比一般并聯(lián)電源的方案多得多。比如說,必須考慮任何一個(gè)電源不應(yīng)長期在功率極限或電流極限狀態(tài)下工作。這樣產(chǎn)生的熱量會(huì)影響壽命和提高損壞的概率,在最壞的狀況下,冗余決不允許輸出回路的電壓短路的現(xiàn)象出現(xiàn),這會(huì)引起負(fù)載回路的短路,完全不能實(shí)現(xiàn)冗余功能。因此為了100%地實(shí)現(xiàn)冗余功能,各個(gè)電源之間必須互相隔離,這一般可采用串接一個(gè)隔離二極管來實(shí)現(xiàn),如采用PULS公司生產(chǎn)的SLR01、SLR02隔離二極管模塊。同時(shí)PULS公司還生產(chǎn)將隔離二極管集成在開關(guān)電源的冗余電源,如PULS公司的SLR2、SLR5和SLR10的冗余電源。在實(shí)現(xiàn)冗余工作方案是,必須考慮設(shè)備的檢測能力,以提高系統(tǒng)工程的安全性。當(dāng)冗余電源中任何一個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí),必須要有一個(gè)顯示信號(hào),及時(shí)地觀察到哪個(gè)電源壞了,以便盡快地進(jìn)行現(xiàn)場處理。因此冗余電源中,任一電源的工作狀態(tài)需有一個(gè)檢測裝置。PULS公司的隔離二極管模塊上都有各個(gè)電源的狀態(tài)顯示燈,并有一個(gè)與控制器相連接的斷電器觸點(diǎn)。能將電源的工作狀態(tài)及時(shí)地送入控制系統(tǒng)中,實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。在制定冗余電路方案時(shí),電源的輸入電壓與電網(wǎng)連接時(shí),冗余電源的輸入電源應(yīng)連接在不同的相線上,這樣當(dāng)一個(gè)相線出現(xiàn)問題時(shí),連接在其他相線上的電源仍能繼續(xù)工作,這樣大大提高了冗余電源系統(tǒng)的可靠性。對(duì)于三相電源來講,開關(guān)電源必須具有缺相工作功能,即三相電源能在兩相狀態(tài)下工作,以提供冗余電源的可靠性。
圖5表示了一個(gè)采用PULS電源實(shí)現(xiàn)的5+1的冗余電源的方案。其輸出功率為3 600W/24V/150A的并聯(lián)式冗余電源。這個(gè)方案采用了6個(gè)SL30.100和3個(gè)SLR02的冗余模塊。3個(gè)SLR02的冗余模塊將所有的電源工作狀態(tài)串接起來,成為一個(gè)綜合信號(hào)送入控制系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)控。每個(gè)SLR02的冗余模塊都能顯示所連接的電源工作狀態(tài),隔離二極管也防止了輸出回路的短路現(xiàn)象的出現(xiàn)。
6.結(jié)語
本文對(duì)如何正確采用導(dǎo)軌式開關(guān)電源并聯(lián)和冗余技術(shù),對(duì)各種可能在實(shí)際應(yīng)用發(fā)生問題作了探討。值得一提的是,最近德國PULS普世電源公司推入市場的DIMENSION概念性電源,不僅其效率高》 95%,體積小,比一般同類導(dǎo)軌式開關(guān)電源小60%以上,引起了市場巨大的反響,同時(shí)它獨(dú)創(chuàng)的超強(qiáng)的過載能力不僅解決了瞬時(shí)過載問題,而且在實(shí)現(xiàn)并聯(lián)和冗余功能中遇到的不同啟動(dòng)時(shí)間問題,突變輸出負(fù)載的問題,被動(dòng)式均衡并聯(lián)輸出電壓變動(dòng)問題,主動(dòng)式均衡并聯(lián)電路設(shè)計(jì)復(fù)雜問題,乃至冗余電路可能發(fā)生的短路問題都成功地得到了解決。該產(chǎn)品無疑大大的方便了用戶的使用,又大大提高了系統(tǒng)的可靠性,在導(dǎo)軌式開關(guān)電源技術(shù)的新開發(fā)的道路上又領(lǐng)先了一大步。
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