Системы бесперебойного электропитания постоянного тока на DIN-рейке на базе модулей MEAN WELL

6 августа 2020

Александр Русу (г. Одесса)

Системы бесперебойного питания на базе модулей производства MEAN WELL с креплением на DIN-рейку позволяют снабжать постоянным током оборудование, для которого критично непрерывное электроснабжение без сбоев. Среди модулей для построения таких систем имеются изделия для работы как с химическими источниками тока, так и с емкостными накопителями, а также – без использования накопителей. Для повышения надежности систем бесперебойного питания выпускаются модули ограничения пусковых токов.

Среди множества вариантов практического применения радиоэлектронного оборудования существуют приложения, от которых напрямую зависит качество жизни человека, а иногда – сама жизнь. Это, например, автоматизированные системы управления объектами повышенной опасности, такими как лифты или эскалаторы, оборудование для охранной и пожарной сигнализации, медицинская техника. Сюда же относятся телекоммуникационные системы, отвечающие за передачу информации как между людьми, так и между техническими устройствами. Надежная и бесперебойная работа подобного оборудования невозможна без качественного электроснабжения, параметры которого, в идеальном случае, никогда не должны выходить за пределы диапазона устойчивой работы.

Не так давно ассортимент компании MEAN WELL пополнился новыми модулями, с помощью которых можно быстро развернуть высококачественные системы бесперебойного питания постоянного тока, обладающие не только прекрасными техническими характеристиками, но и, за счет модульного принципа построения, непревзойденной гибкостью, позволяющей максимально адаптировать силовую часть под требования конкретного приложения.

Немаловажным условием быстрого развертывания любой системы является способ монтажа и условия эксплуатации ее компонентов. Наличие специфического корпуса или потребность в особых условиях, например, охлаждения, могут свести к нулю преимущества любого устройства. Именно поэтому все рассмотренные в статье модули рассчитаны на крепление на стандартную 35-миллиметровую DIN-рейку высотой 7,5 или 15 мм и эксплуатацию при естественном охлаждении. Все это позволяет монтировать системы бесперебойного питания в стандартных электрических шкафах, используя для этого как отдельные, так и совмещенные с другими системами отсеки.

Системы бесперебойного питания на основе аккумуляторных батарей

Основным элементом любой системы бесперебойного электропитания является накопитель, содержащий запас энергии для автономной работы. В системах бесперебойного электропитания в качестве накопителей традиционно используются аккумуляторные батареи, обладающие в настоящее время наибольшей плотностью хранения электрической энергии. Поскольку требования к удельной мощности источников питания для стационарных систем не столь жестки, как для портативного оборудования, то в данном случае вместо компактных, но дорогих литий-ионных ячеек можно использовать более дешевые свинцово-кислотные аккумуляторы с гелевым электролитом, допускающие эксплуатацию внутри обычных помещений.

Напряжение и емкость аккумуляторной батареи выбирается в зависимости от конкретной задачи. Величина напряжения зависит от потребляемой мощности. Например, для питания небольших систем пожарной или охранной сигнализации обычно используется напряжение 12 В, а высокопроизводительное телекоммуникационное оборудование рассчитано на напряжение 48 В.

На сегодняшний день рынок герметизированных свинцово-кислотных аккумуляторов достаточно велик, ведь источники бесперебойного питания пользуются все возрастающим спросом. К сожалению, большинство из существующих аккумуляторных батарей рассчитано на использование в источниках бесперебойного питания, поэтому при их установке в стандартные шкафы могут возникнуть проблемы с креплением. В этом случае следует обратить внимание на специализированные решения, например, на две модели 24-вольтовых аккумуляторных батарей производства Мастер Кит, рассчитанных на крепление на DIN-рейку (рисунок 1). Аккумуляторные модули DR-24-4.5-BAT и DR-24-7.0-BAT имеют сходные технические характеристики и отличаются лишь емкостью использованных батарей, равной, соответственно, 4,5 и 7 А⋅ч.

Рис. 1. Внешний вид аккумуляторной батареи DR-24-7.0-BAT

Однако аккумуляторная батарея является лишь резервным источником энергии, а основное электроснабжение система, как правило, получает от промышленной сети переменного тока. Поскольку величины напряжений, род тока сети и питающей шины отличаются, то в системе бесперебойного питания должно присутствовать как минимум одно выпрямительное устройство (источник питания), обеспечивающее необходимое согласование параметров электрической энергии. В качестве такого модуля можно использовать практически любой из источников питания, предлагаемых компанией MEAN WELL.

Среди источников питания, рассчитанных на крепление на DIN-рейку, в первую очередь необходимо выделить модули HDR (рисунок 2), выпускаемые в малогабаритных пластиковых корпусах. Это семейство пришло на смену DR – одному из первых семейств модулей питания, использовавших данный метод крепления (на момент написания статьи модули DR уже сняты с производства). Ключевыми особенностями линейки HDR являются наличие двойной изоляции, соответствующей классу защиты II, возможность работы в универсальном диапазоне входных напряжений 85…264 В, крайне малое собственное потребление (менее 1 Вт), наличие стандартного для подобных устройств набора защит (от короткого замыкания, от перегрузки по току и перенапряжения на выходе). Модули рассчитаны на работу при естественном воздушном охлаждении в диапазоне температур окружающей среды -30…70°С, при этом они достаточно компактны и имеют стандартную ширину 1SU…6SU в зависимости от мощности.

Рис. 2. Внешний вид выпрямителя HDR-60-5

Модули MDR (рисунок 3), как и источники питания серии HDR, имеют функцию ручной подстройки выходного напряжения, а также защиты от короткого замыкания, перегрузки по току и перенапряжения на выходе. Кроме этого, выпрямители MDR мощностью более 40 Вт имеют релейный выход DC-OK, позволяющий определить, что выходное напряжение находится в заданных пределах, а модули мощностью 100 Вт и выше имеют активный корректор коэффициента мощности и защиту от перегрева.

Рис. 3. Внешний вид выпрямителя MDR-60-5

Если разрабатываемая система питания имеет повышенную мощность с напряжением питающей шины, равным 12, 24 или 48 В, а привлекательная цена является одним их приоритетных пунктов поставленной задачи, необходимо обратить внимание на источники питания семейств EDR и NDR, выпускаемые в недорогих металлических перфорированных корпусах, обеспечивающих отличное охлаждение (рисунок 4). Несмотря на упрощенную конструкцию, выпрямители серий EDR и NDR имеют промышленный уровень устойчивости к электромагнитным помехам, соответствующий EN61000-6-2 (EN500082-2), и одобрены для использования в промышленных системах управления, отвечающих стандарту UL 508.

Рис. 4. Внешний вид выпрямителей: а) EDR-75-24; б) NDR-75-24

Технические характеристики модулей EDR и NDR практически одинаковы, а основное отличие между этими семействами заключается в диапазоне рабочих температур и уровне излучаемых электромагнитных помех. Более простые модули серии EDR имеют уровень эмиссии электромагнитных помех, соответствующий классу A (Class A), что ограничивает область их применения только промышленными системами, в то время как модули NDR с уровнем электромагнитных помех, соответствующих классу B (Class B), могут использоваться как в промышленном, так и в бытовом оборудовании. Кроме этого, модули NDR имеют более широкий диапазон рабочих температур, составляющий -20…70°С, в то время как для семейства EDR он равен -20…60°С. Для улучшения электромагнитной совместимости мощные модули семейства NDR (NDR-240/480) имеют также встроенный активный корректор коэффициента мощности.

Для круглосуточно работающего оборудования ключевыми являются вопросы экономичности. В этом случае следует обратить внимание на модули питания семейства SDR (рисунок 5), обладающие наибольшим КПД, достигающим 94%. Это семейство также наилучшим образом подходит для больших систем, ведь максимальная продолжительная мощность одного источника питания достигает 960 Вт с возможностью кратковременной перегрузки по току 130…150%. Кроме этого, модули мощностью 480 Вт (с суффиксом «P» в названии) и 960 Вт поддерживают возможность параллельной работы с функцией резервирования, что позволяет создавать на их основе системы питания с мощностью, достигающей 3840 Вт (7 + 1 модулей SDR-480P или 3 + 1 модулей SDR-960). Все источники питания семейства SDR имеют релейный выход DC-OK и могут работать в условиях естественного охлаждения в диапазоне рабочих температур -30…70⁰С. Источники питания мощностью более 75 Вт имеют также встроенный активный корректор коэффициента мощности.

Рис. 5. Внешний вид выпрямителя SDR-75-24

Таким образом, имеющихся в линейке выпрямительных устройств (таблица 1) вполне достаточно для большинства практических применений. Однако для создания полноценного источника бесперебойного питания только аккумулятора и выпрямительного устройства недостаточно, поскольку в системе должен присутствовать контроль состояния аккумуляторной батареи для предотвращения ее перезаряда или глубокого разряда. Именно эти функции и реализованы в модуле DR-UPS40 (рисунок 6), недавно выпущенном на рынок компанией MEAN WELL.

Таблица 1. Технические характеристики выпрямителей MEAN WELL

Рис. 6. Внешний вид модуля DR-UPS40

Модуль DR-UPS40 фактически является центральным звеном системы бесперебойного питания, связывающим воедино все ее компоненты (рисунок 7). При его использовании питаемое оборудование (нагрузка, Load) подключается непосредственно к выпрямительному устройству (Power Supply Unit, PSU), от которого оно и получает энергию в нормальном режиме. Кроме того, часть энергии с выхода сетевого источника питания через узел заряда поступает в аккумуляторную батарею (Battery). При аварии в питающей сети аккумуляторная батарея через внутренний ключ подключается к выходу выпрямительного устройства, обеспечивая нагрузку энергией до момента ее полного разряда и отключения.

Рис. 7. Система бесперебойного питания постоянного тока на основе DR-UPS40

Таким образом, в модуле DR-UPS40 реализованы все функции, необходимые для создания полноценного источника бесперебойного питания постоянного тока. Кроме этого, в нем реализован также узел тестирования аккумулятора со схемой обнаружения его неисправности и разряда (рисунок 8). DR-UPS40 рассчитан на работу с аккумуляторной батареей с напряжением 24 В, при этом для работы схемы необходимо, чтобы питающее напряжение находилось в диапазоне 21…29 В. Максимальный ток нагрузки не должен превышать 40 А. Для внешнего контроля состояния системы предназначены три реле, контакты которых замыкаются, если напряжение питающей шины находится в норме (DC OK), если батарея повреждена (BAT FAIL) или разряжена (BAT DISCHARGE). Для визуального контроля состояния системы предназначены три светодиода, дублирующих состояния реле.

Рис. 8. Структурная схема модуля DR-UPS40

Системы бесперебойного питания на основе емкостных накопителей 

Несмотря на наличие многих преимуществ, аккумуляторная батарея – слабое звено любого источника бесперебойного питания, самый дорогой и уязвимый узел во всей системе, критичный как к глубокому разряду, так и к перезаряду. Кроме того, она имеет ограниченный срок службы, а ее емкость может ощутимо уменьшится уже через нескольку месяцев эксплуатации.

Однако химические источники тока не являются безальтернативным вариантом для хранения аварийного запаса электрической энергии. Для систем, у которых перерывы в работе основного источника питания не превышают нескольких сотен миллисекунд, вместо аккумуляторных батарей можно использовать буферные элементы с накоплением энергии в электролитических конденсаторах.

Одними из таких элементов, недавно выпущенными компанией MEAN WELL, являются буферные модули DBUF20-24 и DBUF40-24 (рисунок 9), рассчитанные на использование в системах бесперебойного питания с напряжением 24 В и максимальным выходным током, соответственно, 20 и 40 А.

Рис. 9. Внешний вид буферных модулей DBUF20-24 и DBUF40-24

Ключевым элементом модулей DBUF20-24 и DBUF40-24 является накопительный конденсатор (рисунок 10), напряжение на котором в нормальном режиме работы поддерживается повышающим преобразователем постоянного напряжения с функцией ограничения выходного тока. В аварийном режиме работы, когда напряжение питающей шины снижается, энергия из конденсатора через понижающий преобразователь поступает в нагрузку. Напряжение питания при этом может либо принудительно стабилизироваться на уровне 22 В, либо динамически поддерживаться на 1 В меньше текущего напряжения на шине.

Рис. 10. Структурная схема модулей DBUF20-24 и DBUF40-24

Длительность автономной работы зависит от тока, потребляемого нагрузкой. При номинальном токе (20/40 А) энергии, запасенной в конденсаторах, хватит для поддержания работы подключенного оборудования в течение всего 350 мс (DBUF20-24) или 250 мс (DBUF40-24). Тем не менее, при частоте сети 50 Гц это составляет, соответственно, 35 и 25 полупериодов сетевого напряжения, что вполне достаточно для питания во время кратковременных сбоев в бытовых и промышленных системах электроснабжения, вызванных, например, коммутацией мощных нагрузок, при пуске электродвигателей, работе электросварки, срабатывании автоматов ввода резерва и прочем. Если же ток нагрузки меньше номинального, то длительность автономной работы, соответственно, увеличивается. Например, модуль DBUF40-24 может обеспечить работоспособность оборудования с потребляемым током 0,1 А в течение 62 с. Однако если этого времени недостаточно, то его можно в любой момент увеличить, поскольку модули DBUF20-24 и DBUF40-24 допускают параллельное соединение без каких либо дополнительных согласующих устройств (рисунок 11).

Рис. 11. Типовая схема системы бесперебойного питания на основе модулей DBUF20-24 и DBUF40-24

Буферные модули DBUF20-24 и DBUF40-24 имеют функции защиты от неправильного подключения, перенапряжения, перегрузки по току и короткого замыкания. Контроль состояния модулей обеспечивается с помощью двух оптически развязанных цифровых выходов, показывающих готовность системы к нормальной работе и активизацию режима буферизации, которую можно отключить с помощью гальванически развязанного цифрового входа Inhibit (для этого между клеммами +Vs и Inhibit необходимо подать напряжение больше 10 В), как показано на рисунке 12. Визуально состояние буферных модулей можно проконтролировать с помощью светодиода, расположенного на передней панели.

Рис. 12. Типовая схема подключения элементов управления и мониторинга к модулям DBUF20-24 и DBUF40-24

Системы бесперебойного питания без использования накопителей

Несмотря на то, что наличие аварийного запаса энергии однозначно повышает надежность любой системы бесперебойного питания, не всегда в этом есть объективная необходимость. В случае, когда в системе электроснабжения существуют два независимых источника энергии, удовлетворительным решением может стать обеспечение работы от любого из них. Именно для этой цели компания MEAN WELL и разработала модули резервирования DRDN20 и DRDN40 (рисунок 13), рассчитанные на работу в системах питания с напряжением 12, 24 или 48 В с максимальным током нагрузки, соответственно, 20 и 40 А.

Рис. 13. Внешний вид модуля резервирования DRDN40-24

Основными элементами модулей резервирования DRDN20 и DRDN40 являются два ключа на полевых транзисторах, соединяющих два входа с двумя соответствующими выходами. Кроме этого, в модулях присутствуют также узлы индикации состояния каждого из входов (рисунок 14). Принцип работы модуля прост: при появлении на входе напряжения положительной полярности и соответствующего уровня оно через диод и канал открытого полевого транзистора поступает в свой выход. В аварийном режиме транзистор закрывается, препятствуя протеканию обратных токов с выхода на вход.

Рис. 14. Структурная схема модулей DRDN20 и DRDN40

Каналы модулей DBUF20-24 и DBUF40-24 являются независимыми и могут использоваться автономно, например, для отключения от питающей шины вышедшего из строя источника питания. Однако наилучший эффект будет получен при параллельном соединении выходов (рисунок 15). В этом случае можно значительно повысить уровень надежности, например, запитав систему от разных участков промышленной сети переменного тока, когда выпрямители 1 и 2 питаются от разных электрических щитов, либо, когда выпрямительные модули работают параллельно от одной сети, обеспечить необходимый уровень резервирования по схеме N + 1.

Рис. 15. Типовая схема подключения модулей DRDN20 и DRDN40

Модули для ограничения пусковых токов 

Несмотря на то, что рассмотренных модулей вполне достаточно для построения полноценной и многофункциональной системы бесперебойного питания практически любой конфигурации, существует проблема, которая может создать серьезные трудности при практической эксплуатации. Как было рассмотрено выше, обязательным элементом всех систем бесперебойного питания является выпрямительное устройство. Однако при внимательном изучении технической документации источников питания серий SDR, NDR, EDR, HDR и MDR окажется, что их ток потребления в момент включения в десятки раз превышает номинальное значение (как и у большинства аналогичных устройств других производителей). На практике это может приводить к ложным срабатываниям защит от короткого замыкания и вынуждает использовать менее чувствительные автоматические выключатели с большим током срабатывания, что в свою очередь заставляет использовать для монтажа более дорогой кабель большего сечения. Для решения этой проблемы компания MEAN WELL разработала специализированные ограничители пусковых токов ICL-16R и ICL-28R (рисунок 16) с номинальным выходным током, соответственно, 16 и 28 А.

Рис. 16. Ограничитель пусковых токов ICL-16R

Принцип ограничения тока заключается во включении в разрыв входной цепи выпрямителей мощного резистора с последующим (после заряда их входных конденсаторов) замыканием его с помощью реле (рисунок 17).

Рис. 17. Структурная схема ограничителей пусковых токов ICL-16R и ICL-28R

Количество источников питания (и другой аппаратуры), которое можно подключить к выходу модулей ICL-16R и ICL-28R, ограничено их максимально допустимым током (соответственно, 16 и 28 А). В большинстве случаев одного модуля ICL достаточно для ограничения пускового тока всей системы (рисунок 18).

Рис. 18. Типовая схема подключения модулей ICL-16R и ICL-28R

Заключение

Модульный принцип построения позволяет гибко формировать и модифицировать систему бесперебойного питания, подбирая модули, наилучшим образом подходящие для конкретной задачи. При этом не требуется идти на компромиссы, неизбежные при использовании универсальных решений, а единственным недостатком такого подхода является чуть большее время сборки и монтажа.

Следует отметить, что компания MEAN WELL не ограничивается приведенным в статье типом корпусов. У многих из рассмотренных специализированных модулей есть аналоги, рассчитанные на иные способы крепления. Например, существуют ограничители пусковых токов ICL-16L и ICL-28L, электрически и функционально аналогичные модулям ICL-16R и ICL-28R, но выпускаемые в других корпусах. То же самое относится и к модулям резервирования ERDN20/40, являющимся практически полными аналогами DRDN20/40. Это еще раз доказывает, что компания MEAN WELL профессионально подходит к своей работе, обеспечивая клиентов возможностью выбора наилучшего решения из широкого ассортимента выпускаемой продукции.