Резервирование, масштабируемость и селективность питания в жестких условиях эксплуатации с новыми ИП на DIN-рейку XDR от MEAN WELL

29 июня

Сергей Миронов (КОМПЭЛ)

Для проектирования отказоустойчивых систем низковольтного питания инженеру необходимо учесть ряд аспектов. В статье подробно рассмотрены два принципиально разных режима параллельного соединения ИП нового семейства XDR от MEAN WELL: резервирование (с использованием встроенных ORing FET и внешних модулей) и масштабирование мощности (активное распределение тока). Особое внимание уделено организации селективной защиты разветвленной нагрузки на шине постоянного тока: показана методика выбора автоматических выключателей или электронных ключей (PTCB), учет времятоковых характеристик, температурного дрейфа и импульсной способности ИП XDR (600% /15 мс), обеспечивающей гарантированное срабатывание защиты до перехода источника в аварийный режим. Материал содержит примеры, схемы координации защит и рекомендации по монтажу, которые будут полезны для проектировщиков и специалистов по пуско-наладке шкафов автоматики.

В системе электропитания современных промышленных и телекоммуникационных объектов важными факторами являются надежность, масштабируемость, а также контроль и управление по цифровому протоколу. Ввиду своей сложности подобные объекты могут содержать множество различных компонентов и модулей, которым требуется питание и при этом должна обеспечиваться хорошая электромагнитная совместимость (ЭМС) с минимальным влиянием частей схемы питания друг на друга в нештатных ситуациях. Все это накладывает ряд ограничений и требует наличия дополнительных функций и возможностей в источнике питания для таких установок.

Одним из основных типов используемых ИП в рассматриваемых направлениях являются варианты, монтируемые на DIN-рейку. Особенностью их номенклатуры является ограничение модельного ряда мощностью до 960 Вт, что в некоторых приложениях бывает недостаточным. Поэтому наиболее эффективным и часто используемым подходом к повышению отказоустойчивости системы питания и ее масштабируемости в плане увеличения выходной мощности является параллельное соединение источников питания по выходу. А минимизацию влияния одних частей разветвленной схемы питания на другие в нештатных ситуациях можно обеспечить наличием в источнике питания функции селективной защиты с использованием дополнительных автоматических выключателей (АВ) или электронных ключей.

Для реализации этих возможностей компания MEAN WELL разработала новое семейство источников питания XDR (рисунок 1). В этой продукции заложена хорошая база по надежности (гарантия 5 лет), стабильности параллельной работы в режиме резервирования и масштабирования, расширенный температурный диапазон (-40…85°С), механизмы обеспечения селективности и перегрузочной способности (600% и 200%), а также контроль и управление по цифровому протоколу MODBus. Кроме того, в новой продукции значительно улучшены практически все основные технические, массогабаритные и эксплуатационные параметры. Они соответствуют уровню современных аналогов, представленных на рынке, а некоторые характеристики могут превышать их показатели.

Рис. 1. Внешний вид ИП семейства XDR

В статье “Надежность, функциональность и эффективность нового поколения ИП MEAN WELL на DIN-рейку: XDR/E, XDR и XTR для жестких условий промышленности” были рассмотрены основные параметры новой продукции. В этой статье более подробно рассмотрим практические вопросы проектирования отказоустойчивых систем питания при параллельном соединении ИП, а также проанализируем особенности резервирования, масштабирования и селективной защиты.

Параллельное соединение источников питания по выходу применяется в двух основных сценариях:

• для резервирования питания;
• для увеличения выходной мощности.

Это совершенно несхожие принципы параллельного соединения, служащие разным целям и не заменяющие друг друга.

Для понимания принципиальных различий таких соединений рассмотрим их специфику и особенности.

Резервирование питания

Резервирование питания с избыточностью по схеме 1+1 или N+1 используется на объектах с непрерывными технологическими процессами, а также в ситуациях, где от наличия низковольтного напряжения может зависеть жизнь или здоровье человека либо в подобных вариантах применения. В этом случае выходы нескольких ИП объединяются через дополнительный модуль резервирования – диодную развязку, которая обеспечивает соединение их выходов по схеме “монтажное ИЛИ” рисунок 2. При отказе одного источника питания нагрузку мгновенно подхватит другой, что гарантирует непрерывную работу критически важных узлов автоматизации, систем связи и промышленного управления. Нагрузка даже не заметит смены источника питания.

Рис. 2. Блок-схема резервирования питания по схеме 1+1 (а) и N+1 (б)

В таблице 1 можно узнать номинал используемого предохранителя и определить максимальное количество ИП, подключаемых к одному АВ типа C16 и D16.

Таблица 1. Тип предохранителя, установленного в ИП

При резервировании нагрузка всегда питается только от одного источника или, с распределением тока в какой-то пропорции, от каждого ИП группы. Все остальные находятся в резерве или работают в недогруженном состоянии и ждут своего момента. Поэтому при выборе источника питания нужно исходить из мощности нагрузки, выбирая модели с выходной мощностью не менее чем у нагрузки и с запасом 10…20%. Только в этом случае будет обеспечено надежное резервирование питания.

По схеме с дополнительным модулем резервирования можно соединять практически все импульсные изолированные источники питания.

Для дальнейшего повышения надежности питания, если позволяет схема разводки первичной сети объекта, возможно подключение источников к разным фазам или линиям электроснабжения.

Модуль резервирования

В самом простом варианте модуль резервирования может иметь только обычные диоды Шоттки, включенные по схеме “ИЛИ”, и по одному реле на каждый канал для удаленного контроля и сигнализации отказа источника питания. Используя контакты этого реле, можно удаленно контролировать состояние каждого ИП и оперативно осуществить замену вышедшего из строя блока, пока нагрузка питается от резервного исправного модуля. Причем замену источника питания можно осуществить в горячем режиме, не отключая нагрузку.

Диоды Шоттки имеют хотя и небольшое падение напряжения, равное 0,4…0,6 В, но при токе в десятки А создают тепловые потери, приводящие к заметному дополнительному нагреву компонентов в шкафу управления. Поэтому в современных модулях резервирования эти диоды заменяют схемой на полевых транзисторах (MOSFET) и специальной микросхемой управления – ORing FET (“идеальным” диодом, реализованным на полевом транзисторе). Такие диоды, как правило, обладают падением напряжения 0,1…0,2 В, что сразу снижает дополнительные потери на нагрев в несколько раз.

Модули резервирования выпускают многие производители. Есть они и в линейке продукции MEAN WELL – это серии DRDN20 и DRDN40 с максимальным током 20 или 40 А на один канал, соответственно. Они выполнены по технологии ORing FET и обладают низким падением напряжения между входом и выходом, равным 0,25/0,3 В (с учетом падения напряжения на переходном сопротивлении клемм), но без функции активного перераспределения тока между каналами.

Если нагрузка непрерывно потребляет высокий ток порядка 40 А, и требуется обеспечить максимальную надежность питания, можно применять удвоенное количество модулей резервирования по количеству источников питания. В этом случае их можно включить таким образом, чтобы встроенные ORing FET каждого модуля работали параллельно. Такое включение позволяет снизить токовую нагрузку на каждый ORing FET, дополнительно уменьшить падение напряжения и улучшить тепловой режим, что повышает надежность работы модуля и системы питания в целом (рисунок 3).

Рис. 3. Блок-схема включения модуля резервирования для повышения надежности

В настоящий момент на рынке источников питания, монтируемых на DIN-рейку, наблюдается тенденция к встраиванию в новую продукцию ORing FET – непосредственно в сам источник питания. Такие изделия появляются и у европейских, и у некоторых азиатских производителей. Реализовал это и MEAN WELL в ИП семейства XDR.

Встроенные в ИП ORing FET

Встраивание ORing FET в источник питания обеспечивает улучшение технических и эксплуатационных характеристик изделия и позволяет получить защиту от обратного тока и возможность простого резервирования питания без использования дополнительного модуля. Применять такой ИП выгоднее, чем строить систему питания с дополнительным модулем и при этом экономится место в шкафу управления.

Источники можно подключать параллельно по выходу, как показано на рисунке 2, учитывая, что ORing FET уже встроены внутрь. Даже такая неисправность, как короткое замыкание внутри одного из ИП, не приведет к возникновению неисправности в других устройствах – ORing FET надежно отключит неисправный блок от общей шины. А поскольку в источниках питания имеется встроенное реле, то по срабатыванию его контактов можно получить информацию о возникшей неисправности и вовремя ее устранить без нарушения работы всей системы или ее части.

Защита от обратного тока является полезной функцией при работе ИП на индуктивную нагрузку, в частности при работе с электродвигателями, которые широко используются в исполнительных механизмах промышленной автоматизации. В момент механической остановки вала происходит выброс обратного напряжения и обычный источник питания с недостаточной емкостью на выходе при таком сценарии может выйти из строя. А защита от обратного тока на ORing FET в этом случае убережет внутренние компоненты.

Тем не менее, нужно понимать, что генерируемая энергия при остановке вала двигателя должна где-то рассеяться, а возможности такой защиты не безграничны. В технической документации на используемую модель ИП указано значение безопасно выдерживаемого максимального обратного напряжения, и важно не допустить его превышения. Для этого требуется провести расчет, исходя из кинетической энергии, и, если генерируемое напряжение окажется выше указанного, потребуется либо подобрать банк дополнительных конденсаторов, либо использовать варисторы или защитные TVS-диоды в соответствии с допустимым обратным напряжением.

Кто тут главный?

При использовании схемы резервирования часто возникает вопрос о выходном напряжении источников питания: нужно ли его выравнивать в используемых ИП, чтобы обеспечить их одновременную работу на нагрузку или достаточно точности выходного напряжения, установленного на заводе-изготовителе? Либо наоборот, нужно ли создать такую разбалансировку, чтобы принудительно задать один ИП основным, а другой – резервным?

Однозначного ответа на этот вопрос нет. В каждом случае имеются свои особенности, которые зависят от начальных условий и типа используемого модуля резервирования. Но в любом случае важно понимать, что при резервировании всегда должно выполняться основное условие: мощность одного источника питания должна быть не меньше требуемой мощности нагрузки, иначе резервирование обеспечено не будет.

Практические ситуации при резервировании питания

На рынке можно встретить модули резервирования с активным распределением тока между каналами (функцией Auto Current Balance, ABC). Микросхема управления в модуле сравнивает токи по каналам, и если один из них нагружен сильнее, происходит изменение напряжения затвора соответствующего MOSFET для незначительного увеличения его сопротивления. За счет этого ток перераспределяется на второй канал. Процесс происходит непрерывно и автоматически, компенсируя разброс выходных напряжений ИП.

При использовании модуля с активным распределением тока желательно иметь выходное напряжение источников питания с минимальным разбросом. Например, для некоторых модулей на 24 В он допустим на уровне 300 мВ или 1,25% (зависит от конкретной модели). Точность напряжения ИП, выставленная на заводе-изготовителе, обычно составляет не лучше чем ±1%. Получается, что может быть дисбаланс до 2%, что хуже чем 1,25%. В этом случае требуется более точная юстировка выходного напряжения ИП. Положительный момент: в таких модулях имеется схема измерения напряжения по каналам с сигнализацией, оповещающей, какой из них нужно подстроить. Поэтому при запуске системы с такими модулями резервирования они сами подскажут, как поступить.

В этом случае ИП, подключенные к модулю, все время находятся в работе, но в недогруженном состоянии. В пределе, они работают с загрузкой до (50 + 50)% и имеют равномерный износ.

Если используется модуль резервирования без распределения тока (самая массовая группа продукции на рынке), то применение источников питания без подстройки выходного напряжения приведет к неравномерному распределению токов. Диапазон их разбалансировки будет зависеть от прямого падения напряжения на диоде и разницы напряжений источников питания. Может получиться так, что диод по одному из каналов будет находиться в “полуоткрытом” состоянии и частично пропускать ток. Начальной подстройкой выходного напряжения можно выровнять этот дисбаланс, но под воздействием температурных изменений нет гарантии, что это будет стабильно. Тем не менее, данная ситуация – вполне рабочая, и резервирование также будет обеспечено. Недостаток такого подхода только в том, что сложнее отследить, какой из ИП в данный момент времени нагружен сильнее, а какой – слабее, и, соответственно, происходит неравномерный износ.

Для исключения этой неизвестности при резервировании питания можно назначить какой-либо определенный блок питания основным. Это можно сделать, если изначально на нем выставить немного завышенное напряжение по отношению к другому блоку. В идеале это напряжение должно быть больше чем падение напряжения на диоде в резервирующем модуле (0,3…0,6 В). Если сделать именно так, то второй блок питания будет находиться в режиме работы на холостом ходу, поскольку диод по его каналу будет надежно закрыт обратным напряжением от основного источника питания. Нагрузка будет питаться только от основного блока, а при его отказе мгновенно получит необходимое питание от резервного источника. Такой подход делает поведение системы предсказуемым и упрощает диагностику. Для равномерного износа рекомендуется с определенной периодичностью переназначать между собой основной и резервный блоки питания. Это можно делать простым изменением выходного напряжения ИП в рабочем режиме.

Подход предварительного назначения одного из источников основным является единственно верным в ситуации, когда вместо второго ИП используется аккумуляторная батарея (АКБ), как показано на рисунке 4. В этом случае напряжение на основном блоке питания следует выставить с учетом максимального зарядного напряжения аккумулятора и с запасом на падение напряжения на диоде. Например, если максимальное зарядное напряжение на аккумуляторе составляет 14,4 В, то на основном ИП следует выставить не менее 14,9…15,0 В.

Рис. 4. Блок-схема резервирования с АКБ

Масштабирование или увеличение выходной мощности

На первый взгляд самым очевидным и простым способом увеличения суммарной выходной мощности является параллельное объединение группы источников питания простым соединением их выходов. Но в большинстве случаев это работать не будет, так как каждый блок питания имеет свою схему стабилизации выходного напряжения, которая не только будет стремиться восстановить это напряжение при изменениях нагрузки, но и попытается противодействовать контурам регулирования других источников.

Простое параллельное соединение стандартных ИП не приведет к повышению выходной мощности всего массива. Различия в параметрах блоков всегда будут приводить к тому, что только один из них – с наибольшим выходным напряжением – будет стремиться отдавать весь ток в нагрузку, в то время как остальные не будут нагружены вовсе.

Чтобы надежно и предсказуемо функционировать в общей группе, источники питания должны специально проектироваться для параллельной работы.

Для группы ИП, соединенных параллельно с целью увеличения тока нагрузки, требуется использовать метод управления петлей обратной связи, который учитывает их совместную работу. Распространенным схемотехническим решением является включение источника питания без внутренних усилителей сигналов ошибки, когда все они объединяются в группу с общим входом управления, подключенным к одному усилителю ошибки. Этот усилитель регулирует выходное напряжение системы, и его сигнал обратной связи распределяется между всеми ИП. Такие источники обычно имеют в своем составе специальный служебный разъем, однотипные контакты которого нужно объединить между собой на всех модулях, входящих в этот массив, например, как показано на рисунке 5. Такая схема имеет название N+1, в ней один источник питания назначается ведущим, а остальные – ведомыми. Ведущим становится тот ИП, напряжение которого имеет максимальное значение.

Рис. 5. Схема включения ИП серии XDR-960 для увеличения выходной мощности

Все источники питания семейства XDR мощностью от 240 Вт и выше специально разработаны и могут использоваться в параллельном подключении для увеличения общей мощности (масштабирования). При использовании такого варианта требуется выполнить некоторые изначальные условия и соблюсти правила:

• Допустимое количество параллельно подключаемых ИП не должно превышать 4. Если требуется больше, нужно проконсультироваться с производителем.
• Общая максимальная мощность нагрузки Pобщ не должна превышать значение, полученное по формуле 1:

$$P_{общ}=N\times 0.9\times P_{ип},\qquad{\mathrm{(}}{1}{\mathrm{)}}$$

где:

N – количество подключенных параллельно ИП; Pип – выходная мощность одного ИП.

• На всех источниках питания необходимо выставить выходное напряжение с минимальной разницей. Ее допустимое значение не должно превышать 0,2 В (<200 мВ). Желательно подстраивать напряжение на ИП при нагрузке порядка 10%.
• Обязательно соединить одноименные сигналы CS и GND служебного разъема, расположенного на фронтальной стороне изделия (выводы 4 и 3) у всех ИП в массиве. Для этого желательно использовать скрученные попарно провода (ответные части указанных разъемов с проводами входят в комплект поставки).
• Для подключения источника питания в массив необходимо использовать все имеющиеся клеммы силовых разъемов. При подключении нужно максимально соблюсти симметрию и использовать провода минимальной длины. Рекомендуется применять дополнительные распределительные блоки, которые соединить с ИП. От распределительных блоков подать напряжение на нагрузку проводами соответствующего сечения (рисунок 6).
• Минимальная мощность нагрузки должна быть более 5% от общей мощности, полученной по формуле 1.
• При параллельном соединении может работать только один ИП (ведущий), если мощность нагрузки составляет менее 5%. Другие блоки питания (ведомые) могут перейти в режим ожидания, и их световая сигнализация и встроенные реле могут работать некорректно.

Рис. 6. Пример схемы соединений силовой части ИП в массиве

Селективная защита нагрузки на вторичной стороне

В типовой системе электропитания можно выделить два основных уровня защиты. Первый — в первичной цепи (AC вход): автоматический выключатель на входе источника питания защищает провода по первичной цепи и в какой-то мере сам источник питания от внутренних неисправностей. Второй уровень – защита отдельных цепей нагрузки. В этом случае автоматические выключатели устанавливаются по каждой линии нагрузки и обеспечивают селективность и защиту конкретных устройств. Именно этот второй уровень и его взаимодействие с первым мы и рассмотрим.

При построении разветвленной системы низковольтного питания важным аспектом является обеспечение селективности (избирательности) защиты. Под этим термином понимается способность системы отключать только тот участок цепи, в котором произошла авария (короткое замыкание или перегрузка), не затрагивая исправные линии и не обесточивая всю нагрузку целиком. В промышленных шкафах автоматизации, где от одного источника питания могут запитываться десятки различных устройств как в самом шкафу, так и вне его, отсутствие селективной защиты может привести к полной остановке технологического процесса из-за неисправности всего лишь в одном датчике или исполнительном механизме.

Для обеспечения селективной защиты на вторичной стороне ИП можно использовать автоматические выключатели, сертифицированные для использования при постоянном токе (DC) или универсальные – для цепей переменного и постоянного токов (AC/DC). Кроме того возможно применение и обычных плавких предохранителей, и специальных электронных защитных выключателей, например PTCB производства Phoenix Contact.

Выбор конкретного типа защиты зависит от начальных требований и финансовых возможностей. Чаще всего используются автоматические выключатели по ряду таких положительных преимуществ, как широкий выбор по току срабатывания, простое визуальное определение срабатывания, возможность многократного использования по сравнению с предохранителями и доступная стоимость в соотношении с электронными ключами. Положительным аспектом применения последних является гарантированное время срабатывания не более 10 мс при превышении номинального тока всего лишь от двух раз.

В общем плане реализация селективной защиты нагрузки осуществляется по схеме, показанной на рисунке 7.

Рис. 7. Пример схемы реализации селективной защиты нагрузки

Для правильного выбора автоматических выключателей необходимо исходить из времятоковых характеристик (ВТХ), токов нагрузки (непрерывного и импульсного) и рекомендаций по их применению (таблица 2, рисунок 8).

Таблица 2. Характеристики автоматических выключателей и области их применения

Рис. 8. Времятоковые характеристики типовых автоматических выключателей B, C, D, Z, K

Из рисунка 8 видно, что в диапазоне кратности тока, указанном в таблице 2, при температуре окружающей среды 30°С время срабатывания АВ находится в пределах 10…20 мс. Гарантированное время срабатывания не более 10 мс обеспечивается при кратности тока по верхней границе или выше.

Если температура эксплуатации отличается от 30°С, то при выборе автомата следует применить поправочный коэффициент к его номинальному току (рисунок 9).

Рис. 9. Типовая зависимость номинального тока АВ от температуры

Импульсная способность ИП семейства XDR как основа селективности

Источники питания семейства XDR, помимо перегрузочной способности до 200% длительностью до 5 с, обладают возможностью, специально заложенной для построения селективных DC-систем: кратковременным пиковым током до 600% от номинального значения длительностью до 15 мс. Например, для модели XDR-480-24 (24 В, 20 А) это означает способность отдавать 120 А в течение 15 мс без перехода в режим защиты.

Это не «запас мощности», а специальная функция. При коротком замыкании в какой-либо цепи нагрузки ИП не совершает мгновенный уход в режим ограничения тока или «икания» (Hiccup mode). Вместо этого он поддерживает выходное напряжение на определенном уровне и отдает кратковременно ток, достаточный для срабатывания электромагнитного расцепителя автомата. Пока он размыкает цепь, источник питания держит перегрузку, и остальные ветви продолжают работать, если имеющийся провал напряжения для них не критичен.

Таблица 3. Выходное напряжение и время удержания ИП при перегрузке (входное напряжение 180…305 В АС)

Рис. 10. Зависимость выходного напряжения (%) ИП XDR-480 при перегрузке 300…600%

Если же время удержания нагрузки не соответствует возможной просадке напряжения и длительности, и при этом нельзя допустить даже такого кратковременного провала, то можно использовать дополнительные буферные модули семейства DBUF, подключив их к шине DC, как показано на рисунке 7 пунктирной линией.

Инженеру следует помнить: пока автомат в аварийной ветви размыкает контакты (до 10…15 мс), напряжение на общей шине может просесть до определенного уровня. Если оборудование чувствительно к кратковременным исчезновениям питания (Hold-up time < 15 мс), то даже при селективном отключении ветви возможно нарушение работы соседних устройств. В таких случаях рекомендуется использовать вместо АВ их аналоги – электронные ключи типа PTCB, которые отключают цепь быстрее и с меньшей просадкой напряжения.

Проектируя систему с селективной защитой, следует учитывать многие параметры. Нужно правильно подобрать устройство защиты по номинальному току и кратности, чтобы оно гарантированно сработало за время до 10…15 мс, учесть возможный пусковой ток нагрузки, а также соотнести эти параметры с импульсными характеристиками ИП и возможностями нагрузки к просадке напряжения.

Выбор АВ для селективной защиты нагрузки

Рассмотрим некую условную систему оборудования с различными типами нагрузки, которая частично установлена в шкафу, а частично – вне его (таблица 4, рисунок 11). Примем напряжение питания шины DC равным 24 В и предположим, что алгоритм работает в следующей последовательности: нагрузки №1, №2 и №3 включаются сразу, а №4 – после диагностирования системы по сигналу срабатывания какого-либо отдельного датчика (который не показан на схеме).

Таблица 4. Цепи и типы нагрузки

Рис. 11. Пример схемы шкафа управления

Согласно данным таблицы 3, общий ток системы в рабочем режиме составляет 12,2 А. Поэтому в качестве источника питания выберем модель XDR-480-24 с номинальным током 20 А и напряжением 24 В. В этом случае у нас имеется запас по мощности около 40%, что благоприятно скажется на возможности этой системы работать в диапазоне температур -40…70°С. По графику зависимости выходной мощности от температуры (рисунок 12) видно, что при -40°С требуется минимальный запас 20%, и такой же запас – при 70°С.

Рис. 12. Зависимость выходной мощности XDR-180-24 от температуры

Максимальный импульсный/пусковой ток при включении по принятому алгоритму работы составит 22,4 А длительностью до 0,5 с, что с большим запасом соответствует допустимым 200% перегрузки выбранного ИП (допускается ток 40 А длительностью до 5 с). Далее нагрузки №1, №2 и №3 выходят на рабочий режим с током потребления 7,2 А, и подключается нагрузка №4. В этот момент возможен импульс тока с максимальным значением около 37,2 А длительностью до 0,3 с (7,2 А + 30 А). Это значение также укладывается в перегрузку 200%, и можно считать, что ИП выбран правильно.

На основе данных, представленных в таблице 4, и по типовым времятоковым характеристикам АВ на рисунке 8 выберем устройства защиты для каждой ветви нашей схемы. Результат выбора приведен в таблице 5.

Таблица 5. Данные АВ для схемы на рисунке 10

Согласно данным таблицы 5, все выбранные автоматы укладываются в диапазон по времени срабатывания ≤ 10…12 мс, а также по значениям долговременного и пускового тока для цепей №3 и №4. Последний в этих цепях достигает значения 15 и 30 А (таблица 3), а выбранные автоматы по нижнему порогу кратности держат 30 и 40 А, соответственно.

Здесь же по уточненным ВТХ приведено ожидаемое время срабатывания выбранных автоматов IEK Group типа ВА47-29 (по описанию на официальном сайте они могут работать в сетях DC до 48 В). Видно, что при имеющейся кратности тока часть автоматов сработает за существенно меньшее время, чем 10 мс и только нагрузка №4 отключится за 10…12 мс. По сути, отключения в цепях №1 и №2 должны произойти при достижении тока всего лишь 15 и 10 А, а это обычный рабочий режим ИП. В этом случае выходное напряжение даже не снизится и оставшиеся нагрузки даже не заметят срабатывания автоматов в соседних цепях. Напряжение может снизиться до величины 16 В на время 8 мс при срабатывании автомата №3. И только при срабатывании 4-го автомата напряжение может снизиться на время до 10…12 мс до величины 24 х 0,5 = 12 В.

В цепи для сервопривода выбран автомат с характеристикой С, а не D или К, ввиду того, что мощность этого сервопривода относительно невелика (120 Вт), и по значению пускового тока выбранный автомат с характеристикой С8 хорошо согласуется. Хотя модель с характеристикой C8 имеется не у всех производителей, у IEK она есть (ВА47-29 1P C 8А на 4,5 кА), и проще найти именно ее, чем вариант с характеристикой K6 (он тоже подойдет, но это еще более редкий тип, и найти его сложно).

При проектировании цепей №3 и особенно №4 важно использовать провода такого сечения, чтобы в петле КЗ ток был не менее 80 А.

Влияние температуры на ВТХ

Автоматические выключатели устанавливаются в закрытых шкафах, которые могут находиться и внутри, и снаружи помещений. Температура внутри шкафа может меняться в диапазоне -40…60/70°С. Температурная зависимость автоматических выключателей проявляется по-разному.

Тепловой расцепитель смещает порог срабатывания на 5% в сторону снижения при 60°С и в сторону повышения до 30% при -40°С (рисунок 9).

Электромагнитный расцепитель (зона КЗ, определяющая селективность) сохраняет стабильность в пределах ±5% во всем рабочем диапазоне (-40…60°С). Поскольку селективность в рассматриваемой схеме обеспечивается именно в зоне коротких замыканий, температурный дрейф не нарушает координацию защиты (кратность), поэтому для ее проверки можно ограничиться только использованием времятоковых характеристик при стандартной температуре 30°С.

Проверка правильности начального выбора АВ в диапазоне температур -40…60°С подтверждена данными, приведенными в таблице 5. Они показывают, что на границах температурного диапазона уставка автоматических выключателей по току соответствует номинальному току нагрузки с необходимым коэффициентом запаса не менее 1,13.

Критерии выбора входного АВ

Входной АВ должен выдерживать номинальный ток полностью нагруженного ИП с учетом максимально возможной пиковой перегрузкой до 600%, не срабатывать от пускового тока (10 А), обеспечить селективность с вышестоящим распределительным автоматом и защищать входную проводку. Автоматический выключатель не должен срабатывать при КЗ в выходных ветвях нагрузки (это задача выходных АВ) или ложно срабатывать при импульсных перегрузках выхода (600% на 15 мс).

Выполним расчет индивидуального автоматического выключателя только для цепи источника питания при минимальном входного напряжении сети 176 В АС.

Согласно технической документации, входной ток этого ИП при входном напряжении 230 В имеет значение 3,0 А. При напряжении 176 В он возрастет и составит (формула 2):

$$I_{max}=\frac{230}{176}\times 3=3.9\:A\qquad{\mathrm{(}}{2}{\mathrm{)}}$$

Для дальнейших расчетов округлим это значение до 4 А. Это номинальный ток в рабочем режиме при принятом минимальном напряжении сети.

Максимальная мощность ИП при длительности до 5 с составляет значение 960 Вт. И у нас в схеме имеется такой режим работы, правда, его длительность в нашем случае короче чем 5 с, но, тем не менее, он возникает. Поэтому, с учетом возможного возрастания мощности в 2 раза, во столько же возрастет и входной ток. В связи с этим, ориентировочно, он может иметь значение около 8 А, и АВ должен держать его до 5 с.

Кроме того, у нас используется функция селективной защиты. Если обратиться к таблице 3 и определить максимальную мощность в импульсе, учитывая возможную кратность тока и при этом максимальное выходное напряжение ИП, то мы получим максимальное значение мощности в импульсе не более 960 Вт. В этом случае по входной цепи будет протекать рассчитанный выше ток 8 А. Тогда, в соответствии с правилами, подходящий автоматический выключатель по первичной цепи может быть с характеристикой С10 как ближайший к значению тока 8 А.

Автоматический выключатель с такими параметрами обеспечит работу ИП из нашего примера и системы в целом при номинальном режиме работы, а также с учетом возможных импульсных режимов, включая функцию селективной защиты. Он гарантированно выдержит пусковой ток, который имеет небольшое значение у этой серии источников питания (не более 10 А).

Однако если обратиться к таблице 1, то можно увидеть, что в этом источнике питания установлен быстродействующий предохранитель (Fast) с рабочим током 16 А (F 16 A/300 В AC). Такой вариант выбран по причине возможности работы данного ИП при низком входном напряжении 85 В AC или 80 В DC. При таком низком входном напряжении ток во входной цепи как раз достигает значения, сопоставимого с 16 А.

В нашем случае при использовании автомата С10 при умеренных и высоких токах КЗ в первичной цепи (50 А и более) внутренний предохранитель и внешний автомат могут сработать одновременно.

Если требуется гарантированная селективность, чтобы при возможном КЗ внутри ИП всегда первым перегорал только внутренний предохранитель, желательно на входе поставить автомат с характеристикой С16.

Автомат типа C16 (при сечении входного кабеля не менее 2,5 мм²) создаст оптимальный временной запас для срабатывания внутреннего предохранителя при неисправностях внутри системы, минимизируя риск ложного отключения внешней защиты. Кроме того, он нужен на входе не только для защиты от КЗ внутри блока питания, но и в качестве органа отключения (разъединителя) для безопасного обслуживания компонентов системы питания.

Осталось правильно подобрать сечение проводов на входе и выходе, чтобы они выдерживали необходимые токи и были согласованы с характеристиками выбранных АВ.

Приведенная методика расчета и выбора автоматических выключателей не претендует на полноту всей информации, но показывает подход, который можно использовать.

Несмотря на кажущуюся простоту установки автоматических выключателей на шине 24 В DC, ошибки в расчете координации защит часто приводят к ложным отключениям, перегреву проводки или полному обесточиванию шкафа при локальной аварии. В таблице 6 приведены наиболее распространенные просчеты инженеров-проектировщиков и практические способы их исключения.

Таблица 6. Возможные ошибки при селективной защите и способы их устранения

MODBus и световая сигнализация состояния ИП

Источники питания семейства XDR имеют возможность удаленного включения-выключения замыканием-размыканием соответствующих контактов на служебном разъеме (Remote Control, RC), а также управления и контроля по цифровому протоколу MODBus. Команды и функции управления доступные по этому протоколу приведены в инструкции пользователя.

Кроме того, в этих ИП реализована расширенная визуальная индикация состояния посредством световой сигнализации двухцветного светодиода (LED) в соответствии с таблицей 7. Это дает быстрое и наглядное понимание того, что могло случиться в системе питания.

Таблица 7. Состояние LED-индикатора источников питания семейства XDR

Ситуация	Поведение LED-индикатора	Условное обозначение
Сброс на заводские настройки	Зеленый, 3 вспышки
Выходное напряжение в норме	Зеленый, 3 вспышки
Выходное напряжение не в норме	Красный
Перегрузка	Красный, 1 вспышка/пауза
Превышение выходного напряжения	Красный, 2 вспышки/пауза
Перегрев	Красный, 3 вспышки/пауза
Обратный ток от нагрузки	Красный, 4 вспышки/пауза
Высокая окружающая температура	Красный, непрерывные вспышки
Другое	Красный, 5 вспышек/пауза

Семейство источников питания XDR производства MEAN WELL показывает, как современная силовая электроника способна решать некоторые комплексные задачи электропитания без внешних модулей. Встроенные функции резервирования, активного распределения тока, цифрового управления и мониторинга, а также расширенная импульсная перегрузочная способность позволяют создавать компактные, масштабируемые и отказоустойчивые системы питания.

Однако аппаратная база раскрывает свой потенциал только при грамотном инженерном подходе. Правильный выбор номиналов и характеристик защитных аппаратов, учет температурных условий, симметрия силовых шин и соблюдение правил монтажа являются обязательными условиями для реализации заложенной в оборудование надежности.

Применение приведенной методики проектирования селективной защиты и параллельного соединения позволит минимизировать время простоя технологических процессов, упростить диагностику нештатных ситуаций и повысить общую устойчивость объектов промышленной автоматизации к внешним и внутренним воздействиям.