Выбираем специализированные источники питания MEAN WELL для промышленных устройств

16 мая 2022

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

К источникам питания для промышленных систем и оборудования предъявляются особые требования. Компания MEAN WELL представляет ИП серий UHP и HRP/N, способные справиться с поставленной задачей. Широкий спектр характеристик в сочетании с длительным сроком эксплуатации позволяет добиться долгой и бесперебойной работы любых промышленных приложений.

Импульсные источники питания очень широко используются в различных промышленных приложениях. Промышленные приложения – целый спектр различных систем и устройств, некоторым из которых нужны надежные источники питания с определенными особенностями. Долговременная работа без остановки на профилактику необходима для функционирования конвейерных линий, электролиза и подобных систем, возможность выдержать значительную перегрузку нужна для запуска электродвигателя, бесшумность работы обеспечит комфорт и безопасность оператора. В таких случаях не все источники питания (ИП) являются оптимальным выбором. ИП с креплением на шасси мощностью более 200 Вт обычно содержат в своем составе вентилятор охлаждения, который является одним из самых ненадежных компонентов и требует периодической очистки от пыли и регулярных работ по замене ввиду износа. Множество ИП, переходя в защищенный режим, не может нормально функционировать при возникающей кратковременной перегрузке, а также не в состоянии обеспечить повышенный выходной ток.

Для решения подобных задач в номенклатуре компании MEAN WELL имеются ИП, специализированные для работы в указанных приложениях – серии источников питания UHP с кондуктивным охлаждением и HRP/N, способные выдерживать перегрузку в 2,5 раза. 

Импульсным AC/DC-ИП MEAN WELL серии UHP профилактика не требуется

Источники питания повышенной мощности часто используют принудительное воздушное охлаждение при помощи встроенных вентиляторов. Такое решение эффективно только в случае отсутствия запыленности на месте эксплуатации, при эпизодическом обслуживании или если дополнительным источником шума можно пренебречь. Однако промышленные установки, системы и условия работы операторов далеко не всегда отвечают этим требованиям, а необходимое профилактическое обслуживание вентиляционной системы может потребовать остановки работы оборудования, если нет системы резервного питания. Поскольку вентилятор является ненадежным компонентом, а профилактические работы с ним должен проводить специально обученный персонал, отсутствие вентилятора повышает надежность системы питания и снижает стоимость эксплуатации источников питания.

Отказаться от охлаждения вентиляторами и получить все преимущества такого решения позволяют источники питания MEAN WELL серии UHP (рисунок 1), выпускаемые с широким рядом выходной мощности: 200, 350, 500, 750, 1000, 1500 и 2500 Вт. Несмотря на высокий КПД преобразования, они тоже нуждаются в охлаждении, но в данном случае оно осуществляется кондуктивным и конвекционным пассивными способами. Их низкий U-образный корпус является частью кондуктивной системы охлаждения – через него высоконагруженные компоненты рассеивают тепло. Перфорированная крышка позволяет естественной конвекции воздуха обеспечить дополнительное охлаждение.

Рис. 1. Источники питания MEAN WELL серии UHP

При кондуктивном охлаждении тепло отводится с корпуса на внешний радиатор. Компания MEAN WELL рекомендует в качестве такого радиатора использовать алюминиевый лист толщиной 3 мм. Его размеры должны составлять 300х300 мм для ИП мощностью 200 Вт и 450х450 мм для остальных. В качестве такого радиатора может выступать даже корпус шкафа управления или какая-либо другая металлическая поверхность соответствующей площади. Кроме того, ИП мощностью 2500 Вт могут использовать радиатор HS-656 (рисунок 2) с жидкостным охлаждением, выполненным в виде металлического основания размерами 380,0х140,4х12,0 мм с медной трубкой для охлаждающей жидкости. В качестве охлаждающей жидкости может быть использована вода с температурой не выше 25°C и скоростью потока не менее 1 л/мин.

Рис. 2. Радиатор водяного охлаждения HS-656

Диапазоны вариантов выходного напряжения серии UHP достаточно широки (таблица 1). Чтобы обеспечить надежными ИП больше областей применения и предоставить клиентам более полный выбор, компания MEAN WELL выпускает модели ИП UHP-200/350/500 с выходным напряжением 55 В, чьи технические характеристики, в частности, время запуска, и температурные условия работы несколько отличаются от остальных. Помимо вариантов с низковольтным выходом, присутствуют ИП мощностью 1500 Вт с высоковольтными вариантами выходного напряжения, например, серия UHP-1500-HV с 115, 230 и 380 В DC.

Таблица 1. Варианты значений выходного напряжения ИП серии UHP

В зависимости от мощности, исполнение источников питания серии UHP несколько различается: сигнализация состояния питания DC-OK опциональна для ИП мощностью 200, 350 и 500 Вт, для них же доступна функция резервирования. Дистанционное управление включением-выключением есть лишь у ИП мощностью 1000 Вт и более. ИП мощностью 1500 и 2500 Вт могут опционально использовать коммуникационный интерфейс PM или CAN, а также внутренний разъем для установки значений напряжения и тока. Соответственно, в их наименованиях есть некоторое различия (рисунок 3).

Рис. 3. Расшифровка наименований источников питания серии UHP

Несмотря на то, что обозначение опций изначально указано в наименовании, следует учесть, что опция DC-OK для ИП мощностью 500 Вт, а также коммуникационные интерфейсы PMBus и CAN доступны только по предварительному запросу.

Все источники питания серии UHP имеют активный корректор мощности, подстройку выходного напряжения и защитный функционал от перегрева, перенапряжения на выходе, перегрузки. Однако далее на примере функциональных схема будет показано, что сложность ИП изменяется с ростом мощности. Источники питания UHP-200/350/500/750 имеют схожую функциональную схему (рисунок 4).

Рис. 4. Функциональная схема ИП UHP-200/350/500/750

Основные требования к значению входного переменного напряжения у всех ИП серии UHP одинаковы: 90…264 В при частоте в пределах 47…63 Гц. В случае подключения к источнику постоянного тока требования у UHP-200/350/500/750 менее жесткие чем у UHP-1000/1500/2500: 127…370 В и 250…370 В, соответственно. Диапазон рабочих температур у всех вариантов ИП UHP одинаков: -30…70°C. Сравнить характеристики для ИП мощностью менее 1 кВт можно в таблице 2, а мощностью 1 кВт и более – в таблице 8.

Таблица 2. Технические характеристики UHP-200/350/500/750

Технические характеристики источников питания различаются не только по мощности, но также изменяются для каждого варианта выходного напряжения. В таблицах 4, 5, 6 и 7 приведены характеристики для источников питания UHP-200, UHP 350, UHP-500 и UHP-750, соответственно.

В серии UHP существует еще один вариант ИП с мощностью 200 Вт, в наименовании которого добавляется суффикс «А» – UHP-200А. Эта модель рекомендуется компанией MEAN WELL для питания светодиодных решений, выпускается в трех вариантах выходного напряжения (таблица 3) и имеет предустановленную функцию сигнализации состояния DC OK. Источник питания UHP-200А обладает самым малым значением изоляции «вход-выход» в серии – всего 3 кВ, а его корпус имеет самые малые размеры и вес: 194x55x26 мм и 0,42 кг.

Таблица 3. Технические характеристики ИП UHP-200А

Таблица 4. Технические характеристики UHP-200

Использование пластины в качестве радиатора не является обязательным условием для эксплуатации источников питания, однако отсутствие такого элемента кондуктивного охлаждения накладывает ограничения на значение выходного тока. На рисунке 5 представлены графики зависимости выходного тока от окружающей температуры с использованием радиаторной пластины и без нее. Здесь и далее графики ИП серии UHP справедливы для горизонтального расположения ИП при входном напряжении 230 В АС.

Рис. 5. Зависимость значения выходного тока ИП UHP-200 от окружающей температуры и наличия радиаторной пластины

Источники питания мощностью 350 Вт имеют точно такой же набор выходных напряжений, как и UHP-200, а также достаточно схожие характеристики (таблица 5).

Таблица 5. Технические характеристики UHP-350

График, изображенный на рисунке 6, показывает снижение выходного тока для варианта с выходным напряжением 55 В в сравнении с ИП мощностью 200 Вт при использовании без радиатора.

Рис. 6. Зависимость значения выходного тока ИП UHP-350 от окружающей температуры и наличия радиаторной пластины

Источники питания мощностью 500 Вт выпускаются без варианта выходного напряжения значением 3,3 В. В характеристиках (таблица 6) можно заметить некоторое увеличение КПД преобразования для выходных напряжений 12…55 В, относительно предыдущих менее мощных вариантов.

Таблица 6. Технические характеристики UHP-500

Несмотря на возросший КПД, более высокая мощность накладывает и более строгие ограничения на температурные условия (графики, представленные на рисунке 7): если при мощности 200/350 Вт в условиях низких температур варианты с выходным напряжением 12…48 В без радиатора могли выдать максимальный ток, то при мощности 500 Вт и более это уже невозможно.

Рис. 7. Зависимость значения выходного тока ИП UHP-500 от окружающей температуры и наличия радиаторной пластины

Если источники питания серии UHP-200/350/500 изготовлены с функцией резервирования, то для обеспечения более надежного питания потребителей, например, за счет подключения источников питания к разным вводам, достаточно просто подключить ИП параллельно (рисунок 8).

Рис. 8. Резервирование питания при помощи ИП UHP-200/350/500

Каждый источник питания является резервным для другого. В такой системе их мощности не суммируются, и потребление не должно превышать максимальную мощность любого из источников.

Источники питания UHP-750 имеют максимальную мощность в группе схожих ИП по функциональности (рисунок 4) и входным параметрам (таблица 2), но значительно отличаются: количество вариантов выходного напряжения сокращено до 12, 24, 36 и 48 В (таблица 7), выход сигнализации состояния DC-OK установлен изначально, опция для резервирования питания недоступна.

Таблица 7. Технические характеристики UHP-750

Зависимость максимального выходного тока от температуры у ИП UHP-750 при работе с радиатором схожа с источниками питания меньшей мощности, однако отсутствие радиатора снижает максимальную выходную мощность почти на треть (рисунок 9).

Рис. 9. Зависимость значения выходного тока ИП UHP-750 от окружающей температуры и наличия радиаторной пластины

Источник питания UHP-750 имеет два существенных отличия от UHP-200/350/500. Первое – это более жесткие условия по значению входного напряжения для получения максимальной мощности (рисунок 10). Это может оказаться существенным при эксплуатации в крайне неблагоприятных условиях или в сетях с напряжением 110…127 В АС.

Рис. 10. Зависимость нагрузки от входного напряжения источников питания UHP-200/350/500/750

Второе отличие – это исполнение сигнала состояния DC OK. Как уже было отмечено выше, в ИП UHP-200/350/500 этот сигнал устанавливается по предварительному заказу, а в UHP-750 он встроен изначально. Однако в UHP-200/350/500 данный сигнал выполнен в виде транзисторного оптрона (рисунок 11), а в UHP-750 – в виде механической контактной группы (реле), которая способна коммутировать цепь напряжением 30 В DC и током 1 А. Это позволяет ИП UHP-750 напрямую управлять достаточно мощными исполнительными устройствами. Контакты замкнуты, когда источник питания в работе и исправен. Логика работы оптрона аналогична, однако он способен коммутировать постоянный ток не более 10 мА при напряжении не выше 15 В.

Рис. 11. Исполнение сигнала DC OK в ИП UHP-200/350/500

Функциональность источников питания, начиная с серии UHP мощностью 1 кВт, возрастает: появляется возможность удаленного управления включением/выключением, подстройкой значений выходных напряжения и тока (рисунок 12), имеется дополнительный изолированный выход постоянного тока 12 В/0,4 А (0,5 А для UHP-1000, не показано на схеме).

Рис. 12. Функциональная схема ИП UHP-1000

Схемы источников питания UHP-1500/2500 еще больше усложняются (рисунок 13): они получают опциональную возможность подключения к сетям протоколов PM (Power Management) и CAN. Включение происходит с применением ограничителя входного тока, что делает уровень выброса входного тока при холодном старте эквивалентным уровню вброса у маломощных источников питания.

Рис. 13. Функциональная схема ИП UHP-1500/2500

Некоторые технические характеристики источников питания серии UHP-1000/1500/1500-HV/2500 приведены в таблице 8. Как видно из данной таблицы, среди них выделяется высоковольтная линейка UHP-1500-HV. Данные источники питания имеют самую большую изоляцию между входом и выходом, составляющую 6 кВ АС.

Таблица 8. Технические характеристики UHP-1000/1500/1500-HV/2500

Источники питания UHP мощностью от 1 кВ и выше обладают самым высоким КПД в серии, он достигает 96% (таблица 9).

Таблица 9. Технические характеристики UHP-1000

Использование ИП UHP-1000 в конвекционном (без радиатора) варианте охлаждения требует еще большего снижения выходного тока (графики, изображенные на рисунке 14).

Рис. 14. Зависимость значения выходного тока ИП UHP-1000 от окружающей температуры и наличия радиаторной пластины

Чтобы улучшить производительность оборудования и/или уменьшить ненужные потери при преобразовании энергии, например, для процессов электролиза, зарядки накопителей энергии, УФ, лазерных и других приложений, может потребоваться применение источников питания с выходным напряжением выше 60 В. В ответ на такой рыночный спрос компания MEAN WELL успешно разработала ряд высоковольтных ИП серий UHP, HEP, PHP и CSP. В рассматриваемой серии UHP такие ИП представлены с тремя вариантами выходного напряжения: 115, 230 и 380 В DC при мощности 1,5 кВт (UHP-1500-HV). Низковольтная часть серии UHP-1500 представлена всего двумя вариантами: UHP-1500-24 и UHP-1500-48 (таблица 10).

Таблица 10. Технические характеристики UHP-1500 и UHP-1500-HV

Несмотря на столь значительную разницу выходного напряжения, мощность и потери ИП серий UHP-1500 и UHP-1500-HV практически одинаковы, требования к эксплуатации в различных температурных условиях и с разными методами охлаждения также идентичны для всех вариантов выходного напряжения (графики, представленные на рисунке 15).

Рис. 15. Зависимость значения выходного тока ИП UHP-1500/HV от окружающей температуры и наличия радиаторной пластины

На графике, изображенном на рисунке 15, синим цветом показан режим работы с дополнительным обдувом корпуса посредством внешнего вентилятора. Компания MEAN WELL рекомендует установку вентилятора на расстоянии 200 мм от ИП с направлением воздушного потока вдоль плоскости корпуса (рисунок 16). Для UHP-1500 такое решение увеличивает максимальную температуру при 100% уровне выходного тока всего лишь на 5°C: с 45 до 50°C. Однако для серии UHP-2500 необходимость дополнительного обдува или установка системы водяного охлаждения HS-656 (рисунок 2) становится необходим условием для получения 100% мощности (графики, изображенные на рисунке 17).

Рис. 16. Установка внешнего вентилятора

Рис. 17. Зависимость значения выходного тока ИП UHP-2500 от окружающей температуры и варианта охлаждения

Самая мощная (2,5 кВт) линейка источников питания серии UHP-2500 представлена тремя вариантами значений выходного напряжения: 24, 36 и 48 В DC (таблица 11).

Таблица 11. Технические характеристики UHP-2500

В торце корпусов источников питания UHP-1000/1500/2500 имеются разъемы для управления режимами, получения информации о состоянии и использования дополнительного питания 12 В DC/0,4 А (рисунок 18).

Рис. 18. Разъемы управления и мониторинга CN80/CN71

Тип разъемов CN80 (ИП UHP-1000) и CN71 (UHP-1500/2500), назначение контактов и характеристики различаются (таблицы 12 и 13), поэтому замена источника питания UHP-1000 на более мощный требует внесения изменений в систему мониторинга и управления. Например, помимо других уровней напряжения управления, логика дистанционного включения/выключения между этими ИП инвертируется.

Таблица 12. Назначение контактов разъёма CN80 источника питания UHP-1000

Таблица 13. Назначение контактов разъема CN71 источника питания UHP-1500/2500

У источников питания серии UHP-1500-HV, в зависимости от варианта исполнения, для управления и мониторинга используются один (UHP-1500-xxx-E) или два (UHP-1500-xxx-PM/CAN) разъема (рисунок 19). Во втором случае назначение контактов идентично низковольтным вариантам UHP-1500/2500, с той лишь разницей, что последние 8 контактов перенесены в нижний разъем. Назначения контактов для UHP-1500-xxx-E приведены в таблице 14.

Рис. 19. Разъемы управления и мониторинга ИП UHP-1500-HV

Таблица 14. Назначение контактов разъема CN82 источника питания UHP-1500-HV

Сигналы управления значениями выходных напряжения и тока имеют три мертвых зоны и нелинейный участок регулировки. На графиках, представленных на рисунке 20, показаны форма и диапазон регулировки значений выходного напряжения и тока для ИП UHP-1500/2500. У UHP-1000/1500-HV имеются небольшие отличия. Следует учесть, что изменение значения выходного напряжения влияет на значение выходного тока.

Рис. 20. Форма управляющего напряжения и зависимость выходного тока ИП UHP-1500/2500 от выходного напряжения

Вся серия UHP соответствует основным стандартам безопасности UL/EN62368-1 и другим международным стандартам (кроме того, соответствие некоторым стандартам может быть реализовано по запросу), сертифицированы по уровням ЭМИ. Компания MEAN WELL, помимо спецификации, предоставляет на своем веб-сайте довольно внушительную и наглядную отчетность по тестированию ИП. Гарантийный срок источников питания составляет 5 лет. При изготовлении применяется частичная заливка компаундом, что дополнительно повышает устойчивость к вибрациям. 

Источники питания HRP/N держат перегрузку до 250% 

В момент пуска оборудования может потребоваться обеспечение значительного уровня тока, превышающего номинальные характеристики источника питания. Для решения такой задачи обычно выбирается ИП с избыточной мощностью и, соответственно, с более высокими размерами и стоимостью, что не является оптимальным решением. Оптимальное решение – это выбор ИП с требуемой перегрузочной способностью.

Источники питания серии HRP/N являются развитием серии HRP и способны держать перегрузку до 250% длительностью до 5 с, что вполне достаточно, например, для запуска электродвигателя. Причем если сравнить стоимость, например, ИП HRP-300N мощностью 300 Вт (средний на рисунке 21) и обычного ИП мощностью 750 Вт, то ценовые и массогабаритные показатели будут в пользу HRP-300N. 

Рис. 21. Источники питания MEAN WELL серии HRP-N

Источники питания серии HRP/N выпускаются в трех группах мощности: 150, 300 и 600 Вт. В каждой из них имеются четыре варианта значения выходного напряжения: 12, 24, 36 и 48 В DC. Значительных функциональных различий внутри серии нет, поэтому в наименованиях ИП HRP/N очень просто сориентироваться (рисунок 22). 

Рис. 22. Расшифровка наименования ИП серии HRP/N

Общая функциональная схема ИП серии HRP/N изображена на рисунке 23. У ИП мощностью 150 Вт имеется отличие: у них нет сигнала состояния DC-OK. Несмотря на относительно небольшую мощность, у ИП HRP-150N/300N/600N присутствует ограничение выброса входного тока, позволяющее уменьшить его до 70…75 А.

Рис. 23. Функциональная схема ИП серии HRP/N

Наличие измерительных цепей (контакты +S и -S) позволяет поддерживать напряжение на заданном уровне с учетом потерь на кабеле. На рисунке 24 показано такое подключение для ИП HRP-300N. Для HRP-600N подключение схоже, за исключением иного месторасположения и типа разъема CN100, а у HRP-150N в разъеме отсутствует пара DC-OK – GND. Проводники измерительной цепи обязаны быть в виде витой пары.

Рис. 24. Подключение измерительной цепи

Охлаждение ИП серии HRP/N мощностью 150 Вт происходит за счет естественной конвекции воздуха. В ИП мощностью 300 и 600 Вт встроен вентилятор принудительного охлаждения с режимом эпизодического включения. Основные технические характеристики ИП серии HRP/N приведены в таблице 15. Вся серия HRP/N соответствует основным стандартам безопасности UL/EN62368-1 и сертифицирована по уровням ЭМИ. Высокое качество ИП HRP/N дает возможность официально гарантировать их работу в течение 5 лет. 

Таблица 15. Технические характеристики серии HRP/N

Отличительной чертой этой серии является расширенный диапазон отрицательных температур эксплуатации: до -40°C при условии нормальной нагрузки (синяя область на рисунке 25). 

Рис. 25. Зависимость нагрузки HRP-N от окружающей температуры

Технические характеристики для каждой группы мощности, в зависимости от значения выходного напряжения, приведены в таблицах 16, 17 и 18. 

Таблица 16. Технические характеристики серии HRP-150N

Таблица 17. Технические характеристики серии HRP-300N

Таблица 18. Технические характеристики серии HRP-600N

На рисунке 26 показано отношение времени работы при перегрузке к общему времени работы. Время работы при перегрузке (обозначено «t») должно быть не более 5 с, при этом оно не должно быть более 35% заполнения периода (T). В этом случае можно получить двукратную мощность на выходе ИП.

Рис. 26. Рабочий цикл перегрузки

На графике, представленном на рисунке 27, отображена зависимость пиковой мощности от коэффициента заполнения периода для ИП HRP-300N (для ИП мощностью 150 и 600 Вт графики пропорциональны данному). Из графика мы видим, что уменьшение заполнения периода T до 15% позволяет увеличить нагрузку до 2,5 раз от номинальной.

Рис. 27. Зависимость пиковой мощности ИП HRP-300N от заполнения периода

Снижение шумовой нагрузки на персонал и эксплуатационных расходов на обслуживание, обеспечение бесперебойной работы и надежного старта оборудования обеспечивается благодаря использованию источников питания производства компании MEAN WELL. Серии UHP и HRP/N позволяют получить наиболее оптимальный и выгодный результат. Наличие подробной документации, которая включает в себя отчетность по тестированию, существенно облегчает разработку и прогнозирование дальнейшей эксплуатации. Благодаря многолетней специализации в области производства источников питания компания MEAN WELL заслужила репутацию высококлассного разработчика и производителя надежных решений для питания оборудования и систем промышленных устройств.