Ликбез от Phoenix Contact: как определиться с выбором источника питания

16 июня 2014

Активное долголетнее применение на объектах нефте- и газодобывающего комплекса России, в российской атомной, тепло- и гидроэнергетике – свидетельство высокой надежности и уникального функционала источников питания производства Phoenix Contact, а также их способности работать при экстремальных внешних условиях.

С одной стороны, источник питания (ИП) – достаточно простое устройство: имеются входное напряжение, выходное напряжение, мощность. Однако кроме этих основных параметров, есть и много других, определяющих выбор конкретного изделия. От правильного выбора источника питания зависит стабильность работы всей системы: контроллера, модулей ввода-вывода, реле, датчиков и исполнительных механизмов. Вот только сделать этот выбор бывает непросто. Открыв каталог, инженеры и проектировщики не всегда легко и быстро ориентируются в различиях между сериями источников питания, а скачав подробную документацию – теряются в большом количестве технических данных. Рассмотрим ИП производства компании Phoenix Contact (рисунок 1) с точки зрения основных критериев выбора, которые извлечены из практического опыта работы с клиентами и консультирования их по вопросам выбора оптимального источника питания для их задачи.

Рис. 1. Источники питания производства компании Phoenix Contact

Рис. 1. Источники питания производства компании Phoenix Contact

Phoenix Contact производит источники питания уже около 20 лет, постоянно расширяет свой спектр продукции, вкладывая деньги в разработку не просто новых изделий, а новых технологий в этой области. На данный момент направление Power Supplies в компании Phoenix Contact – это не только источники питания, но и DC/DC-конвертеры, модули резервирования, а также источники бесперебойного питания с широким спектром аккумуляторных батарей. Изделия проектируются и производятся с учетом всех современных требований и являются полностью промышленными, т.е. отвечают промышленным стандартам по ЭМС, вибростойкости и имеют широкий диапазон температур эксплуатации.

Но прежде чем перейти к описанию достоинств и преимуществ различных серий источников питания производства Phoenix Contact, поговорим о тех самых критериях выбора и важных характеристиках. Разделим эти характеристики условно на три части: входные, выходные и общие.

Входные характеристики

Для начала – немного схемотехники: типовой импульсный источник питания выпрямляет и фильтрует входное напряжение, высокочастотный генератор, питающийся уже напряжением постоянного тока, выдает импульсы, поступающие на высокочастотный трансформатор, после которого напряжение снова выпрямляется, а также стабилизируется и фильтруется. В силу своей схемотехники импульсный источник питания имеет некоторые особенности, из-за которых при выборе следует обращать внимание не только на выходное напряжение и мощность ИП.

Наличие ограничителя пускового тока. Пусковой ток, необходимый для зарядки емкостей входного фильтра, может в несколько раз превышать номинальный и достигать значений 50…60 А. При отсутствии ограничителя пускового тока это может стать причиной непреднамеренного отключения автоматического выключателя, защищающего питающую линию ИП (да-да, именно линию, так как для защиты самого устройства в него встроен плавкий предохранитель).

Наличие корректора коэффициента мощности. Кроме того, в силу упомянутых выше схемотехнических особенностей, источник питания потребляет энергию из сети импульсами, а значит форма его входного тока не синусоидальна. Следовательно, во входной мощности присутствует реактивная составляющая, сеть «засоряется» гармониками, а проводники несут дополнительную нагрузку. Заметим, что обычно в документации указывается полный входной ток с учетом активной и реактивной составляющей. Поэтому не удивляйтесь, если вы обнаружите, что входной ток, например, источника питания 24 В/5 А гораздо больше, чем ток более мощной модели 24 В/10 А. Если в источник питания встроен так называемый корректор коэффициента мощности PFC (Power Factor Corrector), то реактивная составляющая может быть сведена к минимуму. Это также является критерием выбора подходящей модели устройства, и на наличие PFC следует обращать внимание, особенно при выборе мощных источников.

Время компенсации провалов входного напряжения. Во время переключений в питающей сети или, например, при запуске мощных нагрузок напряжение на входе источника питания может кратковременно как проседать до 50…80% от номинального значения, так и опускаться до 0. Зачастую время, в течение которого источник питания способен держать номинальную выходную мощность при провале напряжения (т.е. время компенсации провала), является важным параметром и критерием выбора. Требования к устройствам в этой части устанавливают различные стандарты: ГОСТ Р 51317.4.11 (МЭК 61000-4-11), Semi F47 (стандарт для оборудования, используемого для производства полупроводников) и другие.

Ширина диапазона входного напряжения. Широкий входной диапазон позволяет источнику питания обеспечивать стабильное напряжение для нагрузки при отклонениях питающего напряжения, а также гарантирует его работу в сетях с другими номинальными напряжениями, например, с североамериканским 120 В. А при дисбалансе фаз входное напряжение может быть выше верхней границы допустимого диапазона. Задумайтесь, выдержит ли источник питания, который вы выбрали, кратковременные перенапряжения?

В энергетике часто необходимым условием применения является возможность работы ИП от входного напряжения 220 В постоянного тока (оперативное напряжение на подстанциях). Возвращаясь к схемотехнике, вспомним, что на входе ИП напряжение сначала выпрямляется, то есть ему должно быть все равно, какое напряжение подается – переменного или постоянного тока. Однако не все производители описывают в документации такую возможность. Причина заключается в плавком предохранителе во входной цепи ИП. Как известно, его токо-временные характеристики отличаются для DC и АС. Если он не отвечает определенным стандартам (в частности, UL) по времени отключения на постоянном токе, то в документации ИП не указывается поддержка постоянного напряжения. Или указывается, но с дополнительным требованием использовать внешний DC-предохранитель.

Выходные характеристики

Выходная мощность и КПД. Выходная мощность является одним из основных критериев выбора источника питания, однако в этом параметре есть свои подводные камни. Обычно номинальная выходная мощность обеспечивается не во всем диапазоне температур, и при повышенной температуре имеет место ее снижение (в документации это часто называется derating). Так вот, у ИП некоторых производителей снижение номинальной мощности начинается уже с 40°С, и она составляет уже 60…70% на верхней границе диапазона температур. Эффективность ИП (его КПД) напрямую влияет на тепловыделение шкафа, в котором он установлен, что также немаловажно.

Диапазон регулировки выходного напряжения. Регулировка выходного напряжения позволяет питать нагрузки с нестандартным напряжением, а также компенсировать падения напряжения на длинных линиях малого сечения или падения напряжения, вызванные диодными модулями, применяемыми при резервировании. А если потенциометр регулировки является еще и многооборотным, то это позволяет установить выходное напряжение с большей точностью, чем на моделях с дешевым однооборотным потенциометром.

Параллельное и последовательное подключение. Если источники питания поддерживают параллельное подключение, это является крайне полезной функцией, которую можно использовать как для их горячего резервирования, так и для сложения мощности. Одна тонкость – для равномерного распределения нагрузки между источниками питания необходимо как можно ближе настроить их выходные напряжения. Многооборотный потенциометр тут будет как раз кстати. Последовательное соединение применяется реже – для удвоения напряжения или для обеспечения биполярного питания (например, для операционных усилителей), но оно тоже может быть критерием выбора конкретной модели.

Выходная вольт-амперная характеристика (ВАХ). На данный момент в промышленных источниках питания в основном встречаются ВАХ двух типов: так называемые Fold-Back и U/I-характеристика. Именно U/I-характеристика позволяет источнику питания запускать емкостные нагрузки, DC/DC-конвертеры, двигатели и т.п. При этом ИП выдерживает ток перегрузки и ограничивает выходную мощность, снижая выходное напряжение, а при устранении перегрузки спокойно возвращается к нормальному режиму. Такому ИП не страшно даже короткое замыкание. Источник питания с характеристикой Fold-Back при этом просто отключается, и чтобы его запустить заново, необходимо пересбросить питание на входе, что не всегда удобно.

Кроме того, имеется еще и такой важный параметр качества выходного напряжения, как пульсации, которые разнятся от 20 до 200 мВ у различных производителей.

Общие характеристики

Диапазон температур эксплуатации. Даже в средней полосе России температура зимой иногда опускается ниже -30°С, что предъявляет более жесткие требования к оборудованию. Может ли источник питания работать при -40°С? Возможно, многие смогут функционировать благодаря самопрогреву, но важен именно холодный запуск при низких температурах. Выбирая ИП для низких температур эксплуатации, необходимо четко понимать, указана ли нижняя граница диапазона для условий холодного запуска или нет. Верхняя граница диапазона важна вкупе с упомянутым derating’ом: обратите внимание, до какого значения снижается мощность ИП при высокой температуре.

Надежность. Параметр наработки между отказами (или MTBF в англоязычной терминологии) часто вызывает разночтения и некорректную его трактовку. В частности, его путают со сроком службы, т.к. указывается MTBF в тысячах часов или в годах. Стоит отметить, что это совершенно разные понятия. Наработка между отказами – параметр чисто статистический, и он напрямую связан с вероятностью выхода изделия из строя. Также этот параметр сильно зависит от температуры, поэтому, выбирая ИП по этому критерию, обращайте внимание на температуру, при которой указан MTBF.

Наличие сигнальных выходов для диагностики. При наличии дискретных выходов возможен удаленный контроль состояния источника питания. В норме ли его выходное напряжение, работает ли ИП в режиме перегрузки – все это необходимая информация, когда речь идет о критически важных приложениях.

Отметим, что все характеристики ИП указываются для номинального режима: номинальное входное и выходное напряжения, номинальная нагрузка, нормальные условия эксплуатации. Например, при превышении номинального тока снижается время компенсации провалов, а при уменьшении нагрузки – снижаются КПД и коэффициент мощности.

Источники питания Phoenix Contact

Серия QUINT POWER

Данная серия источников питания (рисунок 2) приобрела наибольшую популярность на российском рынке благодаря не только уникальному функционалу, но и надежности, подтвержденной многочисленными испытаниями. Источники питания данной серии много лет используются на объектах нефтегазовой и нефтехимической промышленности, а также атомной, тепло- и гидроэнергетики.

Рис. 2. Внешний вид ИП серии QUINT POWER

Рис. 2. Внешний вид ИП серии QUINT POWER

Универсальный вход с широким диапазоном может работать как от АС, так и от DC. Однофазные версии выдерживают кратковременное повышение напряжения до 300 В переменного тока. Таким образом, источники питания QUINT обеспечивают стабильную работу нагрузки как при просадках входного напряжения, так и при скачках гораздо выше номинального уровня. Варистор во входной цепи (а в трехфазных моделях еще и газовый разрядник) надежно защищает от импульсных перенапряжений.

Все источники питания QUINT имеют встроенный ограничитель пускового тока, и его значение не превышает 15…20 А, а наличие корректора коэффициента мощности на большей части моделей этой серии позволяет сократить до минимума (5…15%) реактивную составляющую.

Перегрузки и короткие замыкания не страшны источникам питания QUINT благодаря выходной характеристике U/I-типа. Долговременный резерв мощности Power Boost, на некоторых моделях достигающий +50% к номинальной мощности, позволяет запускать нагрузки с большим пусковым током, например, DC/DC-конвертеры или двигатели. Широкий диапазон регулирования выходного напряжения позволяет как установить нестандартное напряжение питания, так и компенсировать падение напряжения на длинных проводниках малого сечения. Целых три дискретных выхода помогают удаленно отслеживать состояние ИП: два сигнала DC OK (сухой контакт и активный выход) и сигнал превышения номинального тока.

Еще одна полезная и уникальная функция – это динамический резерв мощности. Во многих шкафах управления встречается селективная защита вторичных цепей источника питания, когда несколько нагрузок подключаются к источнику питания через быстродействующие автоматические выключатели. В случае возникновения короткого замыкания в одной из цепей произойдет отключение от источника питания только поврежденной нагрузки, в то время как остальная продолжит работу без каких-либо сбоев. Благодаря технологии SFB (Selective Fuse Breaking), источник питания QUINT способен выдержать выходной ток, в шесть раз превышающий номинальный, в течение 12 мс. Это позволяет использовать для селективной защиты вторичных цепей автоматические выключатели со стандартным быстродействием (характеристики В или С) вместо быстродействующих или электронных автоматов, которые, как правило, дороже.

Стоит отметить еще одну полезную особенность: QUINT POWER имеет съемное крепление для DIN-рейки и отверстия с резьбой на боковой поверхности, так что вы легко сможете закрепить источник питания в тесных условиях.

Все модели QUINT POWER с выходным напряжением 24 В имеют сертификаты морского регистра (GL, LR, DNV и другие). Также возможно исполнение некоторых моделей с дополнительным покрытием печатной платы методом погружения (dip-coating), что позволяет применять их в условиях повышенной влажности. Кроме того, такое покрытие защищает от проводящей пыли и агрессивных сред.

Серия TRIO POWER

Если вам нужен мощный и надежный источник питания без «наворотов», то TRIO POWER – отличный выбор! В этой серии есть и однофазные, и трехфазные модели с выходными напряжениями 12, 24 или 48 В и мощностью до 960 Вт (рисунок 3).

Рис. 3. Внешний вид источников питания серии TRIO POWER

Рис. 3. Внешний вид источников питания серии TRIO POWER

Несмотря на то, что в документации заявлено только АС входное напряжение, данные источники питания успешно работают и при напряжении постоянного тока, но с условием использования дополнительного внешнего DC-предохранителя.

Серия MINI POWER

Рис. 4. Компактный ИП серии MINI POWER

Рис. 4. Компактный ИП серии MINI POWER

Источники питания MINI POWER компактные, но многофункциональные (рисунок 4). В них есть и регулировка выходного напряжения, и долговременный запас мощности Power Boost, и активный дискретный выход DC OK для удаленного мониторинга. Разъемные входные и выходные клеммы, а также несколько выходных контактов «+» и «-» делают легким подключение и последующее обслуживание MINI POWER. Кстати, снижение мощности начинается только с 60°С.

В этой серии есть такие интересные модели, как MINI-PS/100-240AC/2X15DC/1 с биполярным выходом ±15 В, источник питания MINI-PS/100-240AC/24DC/1.5/EX с взрывозащитой вида Ex n, а также MINI-SYS-PS-100-240AC/24DC/1.5 с возможностью распределения питания по модульной шине T-BUS. Такую же шину используют, например, преобразователи аналогового сигнала серии MINI MCR и MACX MCR, что позволяет легко подключить к этому ИП несколько десятков преобразователей, сэкономив время и деньги на разводке питания.

Серия STEP POWER

Рис. 5. Монтаж ИП серии STEP POWER

Рис. 5. Монтаж ИП серии STEP POWER

Данные источники питания имеют малую глубину (всего 61 мм) и легко помещаются в модульные электротехнические щитки (рисунок 5). Это позволяет использовать их, например, в системах автоматизации зданий. Благодаря выдвижным клипсам крепления, STEP можно монтировать как на DIN-рейку, так и на панель. Сейчас в линейке 17 моделей с выходными напряжениями 5, 12, 15, 24 или 48 В и мощностью до 100 Вт.

Из отличительных особенностей стоит отметить большое время компенсации провалов входного напряжения, которое на отдельных моделях достигает 160 мс. Кроме того, источники питания STEP успешно прошли типовые испытания на холодный запуск при -40°С! Благодаря поддержке входного напряжения DC и высоким показателям помехоустойчивости STEP находят применение и в энергетике.

В серии STEP находится самый компактный и самый маломощный источник питания Phoenix Contact – это модель STEP-PS/1AC/5DC/2 с выходной мощностью 10 Вт и шириной всего 18 мм. Кстати, источник питания серии STEP может быть дополнен очень компактным источником бесперебойного питания STEP-UPS (доступен в вариантах 24 В/3 А и 12 В/4 А) со встроенной литий-полимерной батареей.

Серия UNO POWER

Базовый функционал при отличных характеристиках энергоэффективности и низкая цена – вот что отличает источники питания данной серии (рисунок 6). Высокая удельная мощность, достигающая 240 Вт/дм3, высокий КПД (до 90%), а также низкие потери при работе на холостом ходе (<0.3 Вт).

Рис. 6. Внешний вид ИП серии UNO POWER

Рис. 6. Внешний вид ИП серии UNO POWER

Номенклатура данной линейки в 2014 году значительно расширилась, и сейчас это 14 моделей с различными выходными напряжениями (5, 12, 15, 24 и 48 В) в трех классах мощности (30, 60 и 100 Вт).

Глубина UNO POWER составляет 84 мм, так что они свободно помещаются в малогабаритные шкафы глубиной 120 мм.

Для удобства выбора в таблице 1 приведены основные параметры источников питания. По некоторым параметрам более точные значения вы всегда можете найти на сайте www.phoenixcontact.ru. Также вы можете скачать не только очень подробную документацию, но и такие полезные файлы, как 3D-модели (STEP, IGES или WRL), чертежи в формате DXF, а также макросы для программы Eplan.

Таблица 1. Основные параметры источников питания производства компании Phoenix Contact

Наименование QUINT TRIO MINI STEP UNO
Диапазон входного напряжения AC, В 85…264 (320…575) 85…264 (320…575) 85…264 85…264 85…264
Диапазон входного напряжения DC*, В 90…350 (450…800) 90…350 90…350
Типовой пусковой ток, А 15…20 15…20 15 15 20…30
Время компенсации провалов Uвх**, мс 20…65 13…110 > 100*** 70…160 85…125
Коэффициент мощности** 0,86…0,96 (для моделей с PFC) 0,80…0,96 (для моделей с PFC) > 0,5 0,52…0,61 > 0,5
Выходная мощность, Вт 84…960 120…960 15…100 10…100 30…100
КПД**, % 88…94 83…91,5 73…88 80…90 84…90
Диапазон регулировки вых. напряжения (пример для модели с выходом 24В), В 18…29,5 22,5…29,5 22,5…28,5 22,5…29,5 Нет
Параллельное/последовательное Подключение Да/да Да/нет Да/нет Да/да Да/нет
Выходная ВАХ U/I U/I U/I U/I U/I / Fold-Back
Выходные пульсации, мВ 20…50 10…50 20…40 20…80 30…60
Диапазон температур эксплуатации, °С -25…70 (запуск при -40) -25…70 -25…70 -25…70 (запуск при -40) -25…70
Снижение выходной мощности T > 60°С; 2,5%/K T > 55°С; 2,5%/K T > 60; 2,5%/K T > 55°С; 2,5%/K T > 55°С; 2,5%/K
Сигнал DC OK Да, сухой контакт и активный выход Нет Да, активный выход Нет Нет
Сигнал превышения номинального тока Да, активный выход Нет Нет Нет Нет
MTBF, при 40°С, ч > 500 000 > 500 000 > 500 000 > 500 000 > 500 000
Сертификат ГОСТ Р / Таможенного Союза Да/да Да/да Да/да Да/да Да/да
* – для моделей QUINT-PS/…/CO с дополнительным покрытием печатной платы входной диапазон DC составляет 90…410 В;
** – приведены максимальные и минимальные значения для всего спектра моделей, точные значения для конкретной модели следует уточнять в документации;
*** – для модели MINI-PS-100-240AC/10-15DC/8 время компенсации составляет 20 мс.

Получение технической информации, заказ образцов, заказ и доставка.

Phoenix_Uno_Power_14_opt

Разъемы QUICKON – герметичные, удобные, компактные

Разъемы для распределения питания серии QUICKON производства компании Phoenix Contact, обладающие повышенной степенью защиты от внешних воздействий (IP68), востребованы в областях, где необходимо обеспечить не только быстрое и удобное подключение кабелей питания к устройству, но и защитить соединение от воды, пыли и грязи.

Номенклатура изделий включает в себя решения для соединения «кабель-кабель», «кабель-блок», а также для разветвления (Т или Н) трех- или четырехпроводного кабеля питания. Уже сегодня доступны и новые версии соединителей быстрого подключения серии QUICKON для пятипроводного кабеля сечением отдельных жил до 2.5 мм². Новые соединители QUICKON с высокой степенью влагозащищенности (IP68) теперь доступны в пятиполюсном исполнении, что значительно расширяет возможный спектр применения этой продукции, например, для пятипроводной шины питания в трехфазной сети.

Компоненты кабельной разводки для распределения питания (четырех- и пятиполюсные соединители «кабель-кабель», проходные соединители, H- и Т-разветвители QPD и разъемы с технологией быстрого подключения QUICKON) находят широкое применение как у производителей светильников для уличного освещения, так и у инсталляторов. Применяются в системах освещения, отопления, вентиляции или кондиционирования. Н- и Т-образные разветвители широко используются для распределения питания, например, при освещении тоннелей и дорог. Разъемы QUICKON могут также использоваться для более быстрого и удобного подключения к силовым и сигнальным цепям современных электродвигателей и станков. Ключевым преимуществом системы разъемов QUICKON, помимо высокой степени защиты IP68, также является возможность быстрого монтажа в полевых условиях без использования специального инструмента.

•••

Наши информационные каналы

О компании Phoenix Contact

Компания Phoenix Contact основана в 1923 году, имеет штаб-квартиру в Восточной Вестфалии-Липпе, Германия. Объединяет четыре производственных комплекса в Германии и пять производственных предприятий за рубежом. Предприятие Phoenix Contact представлено более чем в 60 странах мира и предлагает широкий ассортимент изделий для промышленной электротехники, который включает в себя шесть направлений продукции - от датчиков до систем управления, от классических клемм и брызгозащищенных разъемов до бес ...читать далее