Проблемы и тенденции развития мощных вторичных источников питания.

А.В. Зиновьев
инженер
ноябрь 2012


Развитие современного производства вызвало значительное увеличение количества технологических процессов, их усложнение и разнообразие. С этим связано появление большого количества разнообразных электроприемников во всех областях производства. Следует отметить, что развитие электроприемников промышленных объектов, с точки зрения их энергопотребления, происходит в двух противоположных направлениях: развитие сферы производства, направленного на уменьшение энергопотребления, например, производство светодиодных ламп, и, наоборот, появление мощных энергоемких процессов, например, технологических процессов с применением мощных лазеров и плазмотронов.

Развитие вторичных источников питания, обеспечивающих работу промышленных электроприемников, также подчиняется общей тенденции развития. Во-первых, это развитие базы маломощных вторичных источников питания, во-вторых, развитие вторичных источников питания, обслуживающих энергоемкие производственные процессы и оборудование.

В области маломощных источников питания, мощностью менее 500 Вт, можно выделить следующие актуальные направления развития:

  • увеличение кпд;
  • уменьшение габаритов;
  • стандартизация источников по конструкции и по выходным параметрам.

Для мощных источников питания, мощностью более 1000 Вт, следует отметить:

  • увеличение кпд;
  • уменьшение габаритов;
  • увеличение надежности работы;
  • совершенствование конструкции источников для работы в условиях производства;
  • развитие модульного построения источников питания с выходной мощностью более 10 кВт;
  • сохранение качества электроэнергии первичной электросети;
  • развитие управляемых источников питания, являющихся частью сложных энергоемких технологических процессов и оборудования;
  • увеличение в источниках питания количества схемотехнических решений, оптимизированных для определенных производственных процессов и оборудования.

Остановимся более подробно на перечисленных выше пунктах, касающихся источников питания большой мощности.

Увеличение КПД источников питания.

Задача наиболее актуальная именно для мощных источников, так как этот вопрос тесно связан с отводом тепла, выделяемого в самом источнике питания. Здесь увеличение КПД даже на 1% дает существенное облегчение температурному режиму работы силовых элементов источника. Увеличение КПД питателей в настоящее время происходит за счет перехода от несовершенной схемотехники, основанной на использовании в качестве силовых элементов тиристоров, к схемотехнике, основанной на высокочастотном импульсном преобразовании электроэнергии с ЧИМ-ШИМ управлением, а также за счет совершенствования элементной базы. Наилучшие показатели здесь могут достигать 99%. Однако на практике мощные импульсные источники питания имеют сейчас КПД существенно меньший. Связано это с тем, что максимальные КПД можно реализовать только для конкретного значения нагрузки, внешних условий, параметров первичной сети. На практике, нагрузка источника может меняться в широком диапазоне. Это относится и к внешним условиям, в частности, к температуре и параметрам промышленной электросети.

Уменьшение габаритов источников питания.

Революционное уменьшение габаритов вторичных источников питания в последние 20 лет связано с переходом на импульсную схемотехнику и развитием элементной базы источников, позволившей эффективно применять в изделиях частоты преобразования от 10 кГц до 200 кГц. Это позволило не только существенно уменьшить габариты источников, но и уменьшить их вес. Достаточно сравнить тиристорные выпрямители и, равные им по мощности, импульсные источники питания. . Сейчас некоторые современные источники достигли следующих параметров:

  • конструкционный объем источника питания на единицу вырабатываемой мощности – 4кВт/дм3 без учета теплоотвода;
  • вес конструкции источника питания на единицу вырабатываемой мощности – 4кВт/кг без учета теплоотвода;

Однако, дальнейшее уменьшение габаритов источников представляется проблематичным, так как их КПД, как упоминалось выше, не может быть близким к 100%, а тепло, выделяющееся на силовых элементах необходимо отводить. Понятно, что чем меньше габариты источника питания, тем труднее это сделать. Совершенствование известных методов отвода тепла, с помощью радиаторов или водяного охлаждения, к сожалению, не могут в настоящее время существенно уменьшить габариты источника. Кроме того, для источников преобразования AC/DC, работающих от сети 380 В 50Гц, внутри входных блоков первичной цепи необходимо выдержать межэлектродные расстояния, чтобы исключить пробой.

Увеличение надежности работы мощных источников питания.

Это одна из основных задач развития производства силовых источников питания. Совершенно ясно, что последствия выхода из строя источника питания домашнего телевизора и промышленного электролизера будут разные. Выход из строя промышленного источника может привести к нарушениям технологического процесса, выходу из строя оборудования и, в конечном счете, к большим убыткам. Как указывалось выше, такой параметр работы источника, как надежность его работы, тесно связан с другими параметрами источника и зачастую с обратным знаком.

Известно, что увеличению надежности работы источника питания способствует работа его элементов в слабонагруженном режиме. На практике считается, что наиболее оптимальным является выбор значения коэффициента нагрузки схемного элемента в интервале 0,5-0,8. Это конечно сказывается на схемотехнике источника и, соответственно, на его габариты.

Кроме того, разработчик промышленного источника питания должен предусмотреть его защиту от воздействия нештатных ситуаций, например, резкие выбросы и кратковременные пропадания напряжения в первичной сети, обрывы и короткие замыкания в нагрузке, электромагнитные помехи и т.п. Кстати, обрыв в нагрузке для мощных источников более опасен, чем короткое замыкание. Согласитесь, если ваш источник вырабатывает 10000 Ампер, и неожиданно происходит обрыв в нагрузке, то этот очень большой ток в первый момент времени источник должен куда-то деть, а затем плавно прекратить работу, иначе этот обрыв вызовет сбои в работе самого источника, промышленной сети и даже выходу из строя других электроприемников.

Если источник питания обслуживает очень ответственные технологические процессы, разработчики вынуждены применять его дублирование по схеме «N+1», которая предполагает подключение запасного источника для замены вышедшего из строя, вплоть до «горячего» резервирования, предусматривающее автоматическое включение дублера-источника при выходе из строя основного. Все это в целом негативно сказывается на массо-габаритные параметры и КПД блока вторичного питания.

Все чаще на производстве применяют так называемые «интеллектуальные» источники, встроенные в автоматизированные системы и управляемые через контроллер или непосредственно компьютером. Такое использование источника накладывает дополнительные требования к надежности его системы управления: это – хорошая помехозащищенность линии связи и устойчивая работа программного обеспечения в условиях повышенных электрических помех, выбросов напряжения сети и его прерывания. Для обеспечения надежной передачи сигнала управления используют интерфейс RS-485 с соответствующим промышленным кабелем, обладающий хорошими свойствами помехоподавления. Программное обеспечение системы управления источника должно быть адаптивным к уровню помех и устойчивым к сбоям питания. Наилучшие результаты показывают программы, разработанные на языке низкого, машинного уровня программирования. Они быстро реагируют на происходящие внешние воздействия, не склонны к зависанию, чем «грешат» программы, написанные на языках высокого уровня.

Кроме различных электрических схем защиты от перегрузок источник питания должен иметь конструктивную защиту от внешних климатических и атмосферных воздействий, особенно если он работает в условиях вредного производства, например, гальванического. Но эту тему мы рассмотрим несколько позже.

( Продолжение следует )


Copyright © 2003-2017 Л-С-И
Лаборатория Силовых Источников
Вверх
Рейтинг@Mail.ru