Выбираем источники питания MEAN WELL в кожухе для промышленных устройств

29 мая 2023

Константин Кузьминов (г. Заполярный)

Компания MEAN WELL предлагает очень широкий ряд импульсных AC/DC-преобразователей промышленного назначения. Особого внимания заслуживают семейства LRS, HRP и UHP, которые выполнены в кожухе, подключаются к однофазным сетям переменного тока и подходят для обеспечения питания промышленных систем автоматизации и управления, электроприводов, различного технологического оборудования и устройств.

Всевозможные промышленные приложения требуют различного подхода к выбору источника питания (ИП), чтобы обеспечить надежность работы систем и устройств, и в то же время не переплачивать за излишнюю функциональность и последующее обслуживание, в том числе минимизировать возможные убытки, связанные с простоем оборудования и прерыванием технологических процессов при сбое питания или вынужденной профилактике.

Тайваньская компания MEAN WELL, основанная более 40 лет назад как небольшой узкоспециализированный производитель импульсных источников питания для компьютеров Apple и IBM, приобрела всемирную известность как ведущий в мире поставщик широчайшего ассортимента преобразователей электрической энергии. В настоящее время в номенклатуре MEAN WELL более 10000 моделей.

Но чтобы выбрать из них нужный источник питания, недостаточно знать только его выходную мощность. Необходимо тщательно рассмотреть все особенности эксплуатации: наличие пыли и различных агрессивных веществ в атмосфере, надежность и качество электросети, температурные условия, необходимость временной перегрузки, например, при запуске электродвигателя, возможность и периодичность обслуживания, комфорт персонала (в случае активных систем охлаждения) и прочие условия, в том числе специфичные для каких-либо нестандартных приложений.

Выбор слишком мощного источника питания может вызвать лишние расходы не только из-за его стоимости, но и габаритов, последующего обслуживания и замены. Даже в процессе эксплуатации такой ИП может оказаться менее экономичным, если большую часть времени будет нагружен всего на 15…20% от своей номинальной мощности.

Чтобы разработчик мог подобрать оптимальное решение по питанию и функционированию всего приложения, компания MEAN WELL предлагает очень широкий ряд импульсных AC/DC-преобразователей с различными параметрами и возможностями. Сегодня мы рассмотрим три из них: LRS, HRP и UHP. Преобразователи этих семейств выполнены в кожухе, подключаются к однофазным сетям переменного тока и подходят для обеспечения питания промышленных систем автоматизации и управления, различного технологического оборудования и устройств.

Популярные ИП семейства LRS с выходной мощностью 35…600 Вт

В преобразователях этого семейства производитель уменьшил количество электронных компонентов, повысив уровень автоматизации производства и добившись невысокой стоимости при высоком качестве. ИП LRS, в отличие от большинства аналогов, имеют низкий профиль с толщиной корпуса всего 30 мм, работают при температуре -30…70°С и обладают малой мощностью потребления без нагрузки, составляющей менее 0,2…0,75 Вт. Данное семейство представлено несколькими сериями с выходной мощностью 35, 50, 75, 100, 150, 200, 350, 450 и 600 Вт. Каждая серия имеет 6…8 вариантов значений выходного напряжения. Определить два базовых параметра источника питания – выходные мощность и напряжение – легко по его наименованию, пример расшифровки которого показан на рисунке 1.

Рис. 1. Расшифровка наименования ИП семейства LRS

В зависимости от мощности, источники питания могут иметь различные системы охлаждения. Семейство LRS выполнено в металлическом низкопрофильном корпусе (1U) и имеет два варианта охлаждения:

• при мощности 35…200 Вт – естественное, которое осуществляется за счет конвекции воздуха благодаря перфорированному корпусу (рисунок 2а);
• при мощности 350, 450 и 600 Вт – активное, происходящее за счет встроенного вентилятора (рисунок 2б).

Рис. 2. Внешний вид ИП серий LRS-200-хх (а) и LRS-450-xx (б)

Несмотря на то, что LRS позиционируется как самое простое и недорогое семейство, его представители обладают гарантийным сроком 3 года, достаточным функционалом и множеством полезных функций, таких как:

• возможность в течение 5 с выдерживать скачок напряжения на входе до 300 В АС;
• защита от перегрузки (с автоматическим восстановлением), короткого замыкания, перенапряжения и перегрева (для серий от 150 Вт и более);
• подстроечный резистор для корректировки выходного напряжения;
• работоспособность в широких температурных диапазонах;
• встроенный фильтр для улучшения ЭМС;
• работа на высотах до 5000 м;
• функционирование при вибрациях в диапазоне частот 10…500 Гц с ускорением 5 g;
• КПД преобразования 79,5…92%, в зависимости от значений выходных напряжения и мощности.

На общей блок-схеме преобразователей LRS, показанной на рисунке 3, можно заметить, что, помимо активной системы охлаждения и защиты от перегрева, у серий с выходной мощностью 150 Вт и более есть переключатель диапазона входного напряжения. В таблице 1 и на графиках, представленных на рисунке 4, приведены данные при входном напряжении 230 В для всех ИП, а для вариантов с переключателем – при положении переключателя на отметке 230 В.

Рис. 3. Блок-схема ИП семейства LRS

Вентилятор охлаждения серий LRS-350/450/600 не работает постоянно. Его включение происходит при температуре 50°C, а выключение – при 40°C. Когда окружающая температура повышается, максимальная выходная мощность ИП должна быть снижена, как показано на графиках.

Рис. 4. Зависимость нагрузки ИП семейства LRS от окружающей температуры

Таблица 1. Характеристики ИП LRS

Серия LRS-150-xx – единственная в семействе, у которой минимальное выходное напряжение составляет 12 Вт. Если требуется источник питания с выходными напряжением 5 Вт и мощностью 110 В, можно воспользоваться отдельной серией LRS-150F-xx. Символ «F» в наименовании означает, что ИП этой серии адаптированы к эффективной работе во всем диапазоне входного напряжения (переключатель входного напряжения отсутствует). Различия параметров и режимов эксплуатации серий LRS-150-xx и LRS-150F-xx приведены в таблице 2 и изображены на рисунке 5.

Таблица 2. Различия в характеристиках ИП серий LSR-150-xx и LSR-150F-xx

Рис. 5. Зависимость значения выходного тока ИП серий LRS-150 и LRS-150F от окружающей температуры

Помимо LRS, в настоящий момент выпускается и хорошо зарекомендовавшее себя семейство RS. Эти источники питания были разработаны достаточно давно, рекомендуются для критически важных применений и до сих пор популярны. Однако с течением времени на рынке ИП происходят изменения в сторону модернизации. Новая продукция выпускается с техническими усовершенствованиями, и в настоящий момент параметры семейств RS и LRS схожи, но при этом стоимость первых несколько выше. Однако их преимущество заключается в наличии моделей малой мощности на 15 и 25 Вт (в семействе LRS модельный ряд начинается с 35 Вт).

В связи с этим ИП RS можно заменять аналогами из семейства LRS, за исключением моделей с мощностью 15 и 25 Вт.

HRP – высоконадежные источники питания для промышленных объектов и исполнительных механизмов 

Для ответственных промышленных приложений нужны ИП повышенной надежности, способные работать при более низких температурах (до -40°C), а также обладать перегрузочной способностью и возможностью кратковременной безопасной работы с мощностью выше номинальной. Для таких приложений MEAN WELL представляет семейство HRP. ИП этого семейства имеют гарантийный срок 5 лет делятся на три подгруппы (рисунок 6):

• серии HRP-75/100/150/200/300/450/600, которые можно рассматривать как улучшенную версию семейства LRS, вобравшую в себя дополнительный функционал и характеристики семейства UHP;
• серии HRPG-150/200/300/450/600/1000, сходные с серией HRP-xxx, но имеющие дополнительные опции, которые будут описаны далее;
• серии HRP/N/N3 с выходной мощностью 150, 300 и 600 Вт, способные выдержать пиковую нагрузку в 2,5/3,5 раза больше номинальной, обеспечивая пусковой ток для исполнительных механизмов.

Рис. 6. Внешний вид ИП семейства HRP

В отличие от LSR, ИП семейства HRP/G/N/N3 не имеют переключателя входного напряжения и работают во всем входном диапазоне напряжений при условии ограничения выходной мощности и напряжении ниже 100 В AC (для всех серий, кроме HRPG-1000, у которой ограничение наступает при напряжении менее 200 В AC). Так же, как и представители семействе LSR, источники питания HRP имеют естественное охлаждение через перфорацию корпуса (при выходной мощности до 200 Вт включительно) или принудительное посредством встроенного вентилятора с управлением по температуре. Расшифровка наименования аналогична семействам LRS и UHP (рисунок 7).

Рис. 7. Расшифровка наименования семейства HRP

Общие характеристики преобразователей семейства HRP:

• все серии ИП в течение 5 с выдерживают без повреждения скачок напряжения на входе до 300 В АС;
• входные напряжения в диапазонах 85…264 В AC с частотой 47…63 Гц или 120…370 В DC;
• изоляция «вход-выход» 3 кВ AC;
• защита от перегрузки (с автоматическим восстановлением), короткого замыкания, перенапряжения и перегрева;
• низкая потребляемая мощность на холостом ходу:
• ИП мощностью 600 и 1000 Вт – менее 0,75 Вт;
• остальные – менее 0,5 Вт.
• коэффициент мощности не менее 0,95 (0,94 для HRP-600N/N3);
• подстроечный резистор для корректировки выходного напряжения;
• встроенные фильтр для улучшения ЭМС и ограничитель входного тока;
• работа на высотах до 5000 м;
• функционирование при вибрациях в диапазоне частот 10…500 Гц с ускорением 5 g;
• КПД преобразования 77…94%, в зависимости от значений выходных напряжения и мощности;
• гарантийный срок 5 лет.

Остальные характеристики различны для разных серий и приведены в таблицах 3, 4 и 5.

Таблица 3. Характеристики ИП серий HRP

ИП серий HRP мощностью 75 и 100 Вт отличаются от моделей с другими значениями выходной мощности наличием дистанционного управления и отсутствием измерительного входа для компенсации падения напряжения на кабеле питания нагрузки (рисунок 8).

Рис. 8. Блок-схема ИП серий HRP

Таблица 4. Характеристики ИП серий HRPG

В отличие от серии HRP, все ИП HRPG имеют возможность дистанционного управления и измерительный вход для компенсации падения напряжения, но их главное отличие — дополнительный выход дежурного питания 5 В DC/0,3 A (рисунок 9). Значение напряжения дежурного питания поддерживается с точностью ±5%, а пульсации не превышают 50 мВ. Серии с выходной мощностью 300 Вт и более имеют выход состояния DC ОК. Преобразователи HRPH-600-24/36/48 и HRPG-1000, как и UHP-200/350/500, могут быть параллельно подключены на одну нагрузку, но, в отличие от серий UHP, имеют дополнительный сигнал CS для распределения нагрузки и подключаются по схеме «3 + 1», обеспечивая суммарную мощность до 4000 Вт.

Рис. 9. Блок-схема ИП серий HRPG

Таблица 5. Характеристики ИП серий HRP/N/N3

Серии HRP/N(N3) с большой перегрузочной способностью, как и большинство моделей семейства HRP, имеют измерительный вход и, за исключением ИП с выходной мощностью 150 Вт, сигнал состояния DC OK (рисунок 10).

Рис. 10. Блок-схема ИП серий HRP/N(N3)

Зависимость выходной мощности от температуры у ИП семейства HRP(G)/N/N3 показана на рисунке 11. Выделенные области отрицательных температур в диапазонах -40…-20°C и -40…-10°C означают следующие ограничения эксплуатации:

• HRP-75 – запуск возможен только при входном напряжении 230 В AC;
• HRPG – дежурный выход питания 5 В должен быть нагружен током не менее 30 мА;
• HRP/N(N3) – только номинальная нагрузка.

Рис. 11. Зависимость выходной мощности ИП семейства HRP от температуры среды

Семейство UHP – мощность, надежность и бесшумность

Большой выходной мощности сопутствует проблема охлаждения, которую можно достаточно просто решить с помощью принудительного обдува встроенным вентилятором, как это сделано в сериях LRS-350/450/600. Однако такое решение менее надежно из-за механического компонента (вентилятора) и необходимости периодического обслуживания, а также уменьшает комфорт персонала из-за дополнительного шума. Однако существуют иные решения, в которых эти недостатки полностью или частично отсутствуют. Одни из них – кондуктивное охлаждение через металлический корпус и специальный конструктив ИП, в котором компоненты частично залиты компаундом, что не только улучшает теплопроводность, но и увеличивает стойкость к вибрациям. Именно это решение применено в преобразователях семейства UHP, внешний вид которых показан на рисунке 12.

Рис. 12. Внешний вид ИП MEAN WELL семейства UHP

Охлаждение может передаваться на корпус монтажного шкафа или на металлическую пластину, как изображено на рисунке 13. Отсутствие вентилятора позволяет эксплуатацию в запыленной среде и обеспечивает бесшумность, что важно при нахождении вблизи оператора. В спецификациях на источники питания семейства UHP рекомендуется наличие алюминиевой пластины толщиной 3 мм и размерами 300×300…450×450 мм, в зависимости от выходной мощности.

Рис. 13. Установка ИП семейства UHP на пластину охлаждения

В отличие от более простых LRS, преобразователи UHP построены с активным корректором коэффициента мощности и обладают следующими особенностями:

• выходом состояния DC-OK (UHP-200/350/500, рисунок 14);
• функцией резервирования (UHP-200/350/500);
• дистанционным включением и выключением, дополнительными выходами сервисных напряжений 5 и/или 12 В, разъемом для установки значений выходных тока и напряжения внешним сигналом с постоянным напряжением в диапазоне 0,4…4,8 В для UHP-1000 (рисунок 15) и UHP-1500/2500 (рисунок 16);
• интерфейсами PMBus или CAN (UHP-1500/2500);
• высоковольтными (115, 230 и 380 В) выходами.

Рис. 14. Блок-схема ИП серий UHP-200/350/500/750

Рис. 15. Блок-схема ИП серии UHP-1000

Рис. 16. Блок-схема ИП серий UHP-1500/2500

Разнообразие опциональных возможностей несколько усложняет расшифровку наименований преобразователя, но основные характеристики, такие как мощность и выходное напряжение, можно определить сразу (рисунок 17).

Рис. 17. Расшифровки наименований ИП семейства UHP

Общие характеристики преобразователей семейства UHP (таблица 6):

• ИП с выходной мощностью до 1000 Вт включительно в течение 5 с выдерживают без повреждения скачок напряжения на входе до 300 В АС;
• ток утечки не более 0,75 мА;
• изоляция «вход-выход» 3,75 кВ AC;
• защита от перегрузки (с автоматическим восстановлением), короткого замыкания, перенапряжения и перегрева;
• коэффициент мощности не менее 0,95 (0,94 для UHP-200/350);
• подстроечный резистор для корректировки выходного напряжения;
• работоспособность в диапазоне температур -30…70°C;
• встроенные фильтр для улучшения ЭМС и ограничитель входного тока;
• работа на высотах до 5000 м;
• функционирование при вибрациях в диапазоне частот 10…500 Гц с ускорением 5 g;
• КПД преобразования 88…96%, в зависимости от значений выходных напряжения и мощности;
• гарантийный срок 5 лет.

Таблица 6. Характеристики ИП семейства UHP

В семействе UHP есть две серии, которые отличаются по выходному напряжению:

• UHP-200А имеет ряд только малых напряжений;
• UHP-1500-HV предназначена для высоковольтных приложений.

Выходные параметры ИП этих серий приведены в таблицах 7 и 8.

Таблица 7. Характеристики ИП серии UHP-200A

Таблица 8. Характеристики ИП серии UHP-1500HV

Эксплуатация преобразователей семейства UHP возможна и без пластины охлаждения. В этом случае температурный порог снижения выходной мощности будет ниже, как показано на рисунках 18…24, где слева изображены графики с использованием кондуктивного или принудительного охлаждения, а справа – без.

Рис. 18. Зависимость нагрузки от температуры среды и охлаждения для ИП UHP-200

Рис. 19. Зависимость нагрузки от температуры среды и охлаждения для ИП UHP-350

Рис. 20. Зависимость нагрузки от температуры среды и охлаждения для ИП UHP-500

Рис. 21. Зависимость нагрузки от температуры среды и охлаждения для ИП UHP-750

Рис. 22. Зависимость нагрузки от температуры среды и охлаждения для ИП UHP-1000

Рис. 23. Зависимость нагрузки от температуры среды и охлаждения для ИП UHP-1500

Рис. 24. Зависимость нагрузки от температуры среды и охлаждения для ИП UHP-2500

Для мощных серий даже алюминиевой пластины может оказаться недостаточно. Их максимальная выходная мощность достигается лишь с дополнительным охлаждением, например, с помощью отдельно приобретаемого радиатора HS-656 с жидкостным кондиционированием (рисунок 25) или внешнего вентилятора, установленного согласно рекомендациям компании MEAN WELL (рисунок 26).

Рис. 25. Радиатор жидкостного охлаждения HS-656

Рис. 26. Установка внешнего вентилятора

Как было сказано ранее, источники питания UHP с выходной мощностью 200, 350 и 500 Вт имеют возможность резервирования, то есть параллельного подключения на одну нагрузку, как показано на рисунке 27. Подключение ИП к разным вводам может быть полезно для обеспечения большей надежности питания оборудования.

Рис. 27. Параллельное включение источников питания UHP-200/350/500

Наличие в семействе UHP моделей с большой выходной мощностью позволяет подключать значительную нагрузку, такую, как, например, электродвигатели и электромагнитные исполнительные механизмы. Однако при выборе ИП для таких устройств нужно исходить из значения пускового тока, существенно превышающего рабочий, в противном случае сработает защита. После запуска электропривода у такого ИП образуется избыточная мощность, которая была обеспечена необходимым пространством в монтажном шкафу. Оптимальным решением будет применение источников питания, способных кратковременно выдать мощность больше номинальной.

Семейство UHP подходит для использования в промышленной автоматизации, тестовом оборудовании, мощных зарядных станциях, лазерных устройствах обработки материалов и в тех приложениях, рядом с которыми постоянно находится обслуживающий персонал.

В статье рассмотрена только небольшая часть источников питания с выходной мощностью до 1000 Вт, специально отобранная для различных сфер применения. Существующий спектр продукции MEAN WELL промышленного назначения значительно шире (есть модели до 15 кВт), что позволяет подобрать оптимальный ИП для большинства приложений. Требования к источникам питания в процессе развития промышленных приложений меняются, и компания MEAN WELL реагирует на это новыми разработками и расширением существующих семейств. Чтобы сориентироваться среди существующих или планируемых предложений компании, можно обратиться к менеджерам КОМПЭЛ, которые помогут выбрать оптимальное решение для конкретного приложения.