Новые DC/DC-конвертеры на DIN-рейку MEAN WELL для высоковольтных сетей постоянного тока

28 июня 2023

Игорь Елисеев (г. Химки)

Мы продолжаем цикл статей о решениях MEAN WELL для различных отраслей применения. В данном обзоре будут рассмотрены представители двух семейств DDRH и RSDH, наиболее характерные в классе источников питания на DIN-рейку и на шасси для высоковольтных сетей постоянного тока.

Сети постоянного тока не так уж редко встречаются в современном мире. Достаточно вспомнить, что весь городской электротранспорт, включающий трамваи, троллейбусы, поезда метро и монорельс, питается постоянным током. Высоковольтные сети постоянного тока широко применяются на железной дороге для питания электричек и электровозов.  Станции зарядки электромобилей и электробусов, системы хранения энергии, системы альтернативной энергетики, телекоммуникационные центры и центры обработки данных также нуждаются в питании постоянным током.

Все эти системы электропитания объединяет высокое сетевое напряжение. В таблице 1 представлены характерные значения напряжений в сетях постоянного тока в зависимости от назначения.

Таблица 1. Характерные значения напряжений в сетях постоянного тока

Высокое сетевое напряжение позволяет уменьшить ток нагрузки и, соответственно, снизить резистивные потери на проводах. Но в то же время это создает проблемы, связанные с электропитанием встроенной низковольтной электронной аппаратуры и исполнительных механизмов. Для питания этих устройств необходимо применять понижающие преобразователи постоянного тока. Но стандартные DC/DC конвертеры, как правило, не рассчитаны на столь высокие входные напряжения. В данном случае необходимо применять специализированные источники питания со сверхшироким входом. Как видно из таблицы 1, во всех случаях (за исключением электровозов и электропоездов) сетевое напряжение не превышает 1500 В. Следовательно, это и есть тот верхний предел входного напряжения, на который должен быть рассчитан DC/DC конвертер, предназначенный для работы в таких сетях. Что касается электровозов и электропоездов, то и для них не требуется источник питания с входным напряжением, превышающим 1500 В. Дело в том, что в этих транспортных средствах применяются тяговые двигатели, рассчитанные на гораздо более низкое напряжение, чем сетевое (3000 В). Эти двигатели соединяются между собой последовательно (или последовательно-параллельно), служа, таким образом, своеобразным делителем напряжения. В зависимости от типа двигателей, цепочка может состоять из двух, четырех или восьми элементов. Соответственно и сетевое напряжение будет пропорционально распределяться между элементами цепочки, позволяя получать ряд фиксированных напряжений с кратностью 375 В максимальным значением до 1500 В.

Компания MEAN WELL выпускает специализированные DC/DC-конвертеры именно для случаев, когда требуется источник питания со сверхшироким входом, способный работать при входных напряжениях до 1500 В. Такие приборы входят в состав семейств DDRH и RSDH, различающихся между собой конструктивным исполнением, а также диапазонами мощностей и выходных напряжений.

Источники питания семейства DDRH выполнены в корпусе на DIN-рейку. Семейство содержит три серии на мощности 60, 120 и 240 Вт. Внешний вид этих приборов представлен на рисунках 1, 2 и 3.

Рис. 1. Внешний вид DC/DC-конвертера семейства DDRH на 60 Вт

Рис. 2. Внешний вид DC/DC-конвертера семейства DDRH на 120 Вт

Рис. 3. Внешний вид DC/DC-конвертера семейства DDRH на 240 Вт

Входное напряжение подается на клеммы, расположенные в нижней части корпуса, а выходное поступает на контакты верхнего разъема. Там же (на верхнем разъеме) расположены выводы контактов реле, служащие для дистанционного контроля за состоянием выхода источника питания (сигнал “DC OK”). Замкнутое состояние этих контактов свидетельствует о том, что источник питания находится в рабочем состоянии и напряжение на выходе в пределах нормы. Соответственно, разомкнутое состояние контактов реле сигнализирует об аварии. Также о состоянии сигнала “DC OK” можно судить по светодиодному индикатору, расположенному под верхним разъемом, рядом с выведенным на поверхность корпуса шлицем подстроечного резистора, обозначенного меткой “+V ADJ”. Этот резистор служит для регулировки выходного напряжения в небольших пределах. У источников питания серии DDRH-240 помимо этого имеется дополнительная пара контактов (“P+” и “P-“), выведенных на верхний разъем. Эти контакты предназначены для использования в схеме параллельного включения нескольких источников питания серии DDRH-240 при работе на общую нагрузку. В схеме на рисунке 4 показано, как при этом соединяются между собой выходы отдельных приборов. Вспомогательные выводы  “P+” и “P-“ (контакты 1 и 2 на разъеме TB3) объединенные в параллель, так же, как и выходные шины, служат для взаимосвязи между отдельными источниками питания с целью выравнивания токов (то есть, приведения их к одним и тем же значениям) в их выходных цепях.

Рис. 4. Схема параллельного включения источников питания серии DDRH-240

Допускается объединять для параллельной работы на общую нагрузку до четырех источников питания серии DDRH-240. Естественно, все они должны быть на одно и то же выходное напряжение (с точностью до 0,2 В). Выходные токи конвертеров при параллельном включении должны быть не менее 3% и не более 90% от номинального значения.

Наименования приборов включают название семейства, максимальную выходную мощность и номинал выходного напряжения. Структура наименования DC/DC-конвертеров семейства DDRH на примере источника питания DDRH-60-24 представлена на рисунке 5.

Рис. 5. Структура наименования DC/DC-конвертеров семейства DDRH

В состав семейства DDRH входят источники питания на пять выходных напряжений 5, 12, 24, 32 и 48 В. Но в состав отдельных серий включены только по четыре номинала из этого списка. Пределы регулировки выходного напряжения по каждому из номиналов могут различаться в зависимости от серии. Что касается остальных характеристик источников питания семейства DDRH (электрических, технических и эксплуатационных), то они могут различаться для отдельных приборов не только в зависимости от серии и номинала выходного напряжения, но также и от величины входного напряжения, учитывая сверхширокий диапазон его изменений. Основные характеристики DC/DC конвертеров семейства DDRH представлены в таблицах 2, 3 и 4.

Таблица 2. Технические характеристики источников питания серии DDRH-60

Таблица 3. Технические характеристики источников питания серии DDRH-120

Таблица 4. Технические характеристики источников питания серии DDRH-240

Источники питания всех серий семейства DDRH имеют встроенные схемы защиты от коротких замыканий, перегрузок и перенапряжений по выходу, от перегрева, а также от недонапряжения и переполюсовки по входу. Тем не менее, для дополнительной защиты приборов требуется использовать внешний предохранитель. Такой предохранитель должен быть рассчитан на ток до 4 А при входном напряжении до 1500 В. Этот компонент вместе с типовым держателем производит компания MEAN WELL под названием DDRH-WJ30-4-H. Схема подключения внешнего предохранителя на примере источника питания серии DDRH-240 представлена на рисунке 6.

Рис. 6. Схема подключения внешнего предохранителя

Все приборы семейства DDRH рассчитаны на охлаждение естественной конвекцией воздуха. Гарантия производителя на все источники питания данного семейства составляет 3 года.

Источники питания семейства RSDH отличаются в первую очередь конструктивным исполнением. Приборы данного семейства выпускаются в оболочке из тонкого листового перфорированного металла, защищающей элементы схемы от внешних механических воздействий и служащей экраном от электромагнитных излучений. Такой вариант конструктивного исполнения носит название «в кожухе». Его главное достоинство заключается в том, что благодаря перфорации оболочки достигается улучшенный теплообмен между элементами схемы прибора и внешней средой за счет естественной конвекции воздуха.

Семейство RSDH насчитывает всего две серии по мощности – на 150 и 300 Вт. Внешний вид приборов этих серий показан на рисунках 7 и 8.

Рис. 7. Внешний вид источников питания RSDH мощностью 150 Вт

Рис. 8. Внешний вид источников питания RSDH мощностью 300 Вт

Внешние подключения (сетевое питание и нагрузка) осуществляются посредством клеммных панелей на торцах приборов. Так же, как и в случае с семейством DDRH, у источников питания RSDH  предусмотрена возможность частичной регулировки выходного напряжения. Для этой цели используется встроенный подстроечный резистор, доступ к которому осуществляется через отверстие в верхней части кожуха. Но, в отличие от DDRH, здесь имеется только LED-индикация состояния выхода (DC-OK)

Каждая серия источников питания семейства RSDH содержит приборы на четыре номинала выходного напряжения – 12, 24, 32 и 48 В. Названия приборов включают значение максимальной мощности и величину номинального выходного напряжения. Структура наименования источников питания семейства RSDH на примере изделия RSDH-150-24 представлена на рисунке 9.

Рис. 9. Структура наименования источников питания семейства RSDH

Основные технические характеристики источников питания семейства RSDH представлены в таблицах 5 и 6.

Таблица 5. Технические характеристики источников питания серии RSDH-150

Таблица 6. Технические характеристики источников питания серии RSDH-300

Источники питания семейства RSDH снабжены всеми необходимыми схемами защиты как по выходу (от короткого замыкания, перегрузки и перенапряжения), так и по входу (от переполюсовки и падения входного напряжения ниже заданного уровня), а также от перегрева. Но, помимо этого, как и в случае с приборами семейства DDRH, при эксплуатации источников питания RSDH необходимо включать в первичную цепь питания внешний предохранитель. Рекомендуемый тип предохранителя тот же – DDRH-WJ30-4-H, а схема включения аналогична представленной на рисунке 6.

Все приборы семейства RSDH рассчитаны на охлаждение естественной конвекцией воздуха. Гарантия производителя на все источники питания данного семейства составляет 3 года.

Что касается встроенных систем защиты, то их устройство и механизмы функционирования – одни и те же для обоих семейств. Работа защитных устройств практически всегда осуществляется по следующей схеме: при возникновении аварийной ситуации срабатывает соответствующий механизм защиты и прибор переходит в один из защитных режимов, а после устранения проблемы, вызвавшей эту ситуацию – автоматически возвращается в нормальный рабочий режим. Защитных режимов всего три, это:

1. “Shut down” – полное отключение устройства, перевод его в нерабочее состояние;
2. “Constant current limiting” – ограничение выходного тока, фиксация его на максимально допустимом уровне;
3. “Hiccup mode” – дословно «режим икания» (слово hiccup переводится с английского как «икать», «икота»), когда защитный механизм периодически, через определенные промежутки времени, запускает проверку (как бы «икает») с целью установить, не устранена ли проблема, вызвавшая аварийную ситуацию и, в зависимости от результатов проверки, включает тот или иной режим (возврат в режим отключения “Shut down”, переход в режим ограничения выходного тока “Constant current limiting” или переход в нормальный рабочий режим).

Применение того или иного защитного механизма зависит от типа нештатной ситуации:

• Переполюсовка по входу (Reverse Polarity)
  Возникает при попытке подключить входные шины в обратной полярности. В этой ситуации, благодаря защитному диоду на входе, источник питания просто не включается, то есть остается в режиме “Shut down”;
• Падение входного напряжения ниже заданного уровня (Under Voltage Lockout)
  Если входное напряжение опускается ниже определенного порогового уровня, источник отключается, то есть переходит в режим “Shut down”, но после, когда напряжение на входе превысит заданный порог – снова включается и переходит в нормальный режим работы. Пороги отключения и включения не задаются точными величинами, они всегда имеют некоторый разброс в определенных диапазонах значений. Причем эти пороговые значения часто специфичны для каждой серии приборов, иногда даже внутри одного и того же семейства. В таблице 7 представлены пороги включения и отключения для серий источников питания семейств DDRH и RSDH.

Таблица 7. Пороговые уровни входного напряжения для источников питания семейств DDRH и RSDH

• Перенапряжение (Over Voltage)
  Срабатывание защиты от перенапряжения вызывается превышением выходным напряжением некой заданной верхней границы. Верхний порог срабатывания, как и в предыдущем случае, определяется диапазоном значений, зависящим в общем случае от серии источника питания и его номинального выходного напряжения. В таблице 8 представлены пороговые уровни срабатывания защиты от перенапряжения для источников питания семейств DDRH и RSDH.

Таблица 8. Пороговые уровни срабатывания защиты от перенапряжения для источников питания семейств DDRH и RSDH

После срабатывания защиты от перенапряжения все источники питания, кроме приборов серии DDRH-240, переходят в режим Hiccup и затем автоматически возвращаются в рабочий режим после того, как напряжение опустится ниже порогового уровня. Что касается DDRH-240, источники питания этой серии в случае срабатывания защиты по перенапряжению отключаются и должны затем повторно включаться для восстановления рабочего режима. Очевидно, такое исключительное поведение связано с тем, что это единственная серия среди рассмотренных, источники питания которой могут включаться параллельно для работы на общую нагрузку.

• Перегрузка (Overload) и короткое замыкание (Short Circuit)
  Механизм защиты от перегрузки активизируется в тот момент, когда уровень выходной мощности достигает пороговой величины, которая определяется как 105…135% от максимального значения. При этом сразу включается режим ограничения выходного тока (“Constant current limiting”), а выходное напряжение понижается. Снижение выходного напряжения в этом режиме может продолжаться лишь до определенного уровня, который определяется как 35% от номинала для источников питания серии DDRH-240 и 55% от номинала для приборов всех остальных серий. Если же выходное напряжение стремится опуститься еще ниже, то включается режим Hiccup. Возвращение в нормальный рабочий режим при уменьшении внешней нагрузки идет в обратном направлении: сначала из режима Hiccup в режим ограничения выходного тока, а затем – в рабочий режим.
  Короткое замыкание представляет собой предельный случай перегрузки, когда напряжение на выходе падает практически до нулевого значения. В этом случае сразу включается режим Hiccup, а при устранении причины короткого замыкания автоматически осуществляется возврат в рабочий режим.

• Перегрев (Over Temperature)
  При перегреве автоматически включается режим Hiccup, который так же автоматически выключается при возвращении температуры к номинальным значениям.

Все изделия, выпускаемые компанией MEAN WELL, в том числе и источники питания рассматриваемых здесь семейств, полностью соответствуют необходимому набору европейских и международных сертификатов по электромагнитным излучениям, по электро- и пожарной безопасности. Наряду с превосходными техническими характеристиками это лишний раз свидетельствует, что продукция MEAN WELL найдет применение в самых ответственных приложениях, где во главу угла поставлены критерии качества и надежности. Одним из таких приложений является электротранспорт, где источники питания рассмотренных в данном обзоре семейств DDRH и RSDH наверняка будут востребованы. Судя по всему, компания MEAN WELL придерживается именно такого мнения. Об этом можно судить по тому, что в технической документации на источники питания DDRH и RSDH представлены сведения о вибростойкости этих изделий. Там приводятся данные о частоте и интенсивности вибраций, о том, в течение какого времени и вдоль каких пространственных осей проводились испытания, и т.д. Такие сведения почти никогда не встречаются в документации на стандартную продукцию MEAN WELL, и сам факт проведения подобных испытаний говорит о том, что источники питания DDRH и RSDH позиционируются в том числе и для использования в условиях повышенной вибрации.

Нет сомнений, что данные источники питания будут востребованы на российском рынке. Мало того, что они обладают великолепными техническими и эксплуатационными характеристиками, их способность работать в сверхшироком диапазоне входных напряжений делает эти изделия просто уникальными в своем роде. Что касается производителя этой продукции – компании MEAN WELL – то в ее репутации сомневаться не приходится. Это один из ведущих мировых производителей источников питания, и за более чем двадцатилетний период работы на российском рынке данная компания всегда проявляла себя как надежный и ответственный поставщик продукции самого высокого качества. Не последнюю роль играют и цены. Производя продукцию мирового класса в строгом соответствии с требованиями международных стандартов, MEAN WELL, тем не менее, предлагает вполне разумные цены на свои изделия, в чем неоднократно имели возможность убедиться все российские потребители источников питания.