Кто хотя бы раз сталкивался с внезапным отключением электричества в самый разгар рабочего процесса, подтвердит: источник бесперебойного питания – незаменимая вещь как в офисе, так и дома. А в промышленных процессах малейшие перебои электроснабжения могут привести к фатальным нарушениям работы дорогого оборудования. Бытовые ИБП в этом случае не подойдут – предпочтительнее собрать бесперебойную систему питания с учетом персональных задач, конкретных условий работы и монтажа. Предлагаю рассмотреть варианты сборки подобной структуры: остановимся на формате низковольтной ИБП на DIN-рейку с использованием UPS-контроллеров, буферных и других специализированных модулей на базе компонентов MEAN WELL.

Даже в непростых внешнеполитических условиях российские потребители имеют солидный выбор источников бесперебойного питания (ИБП) бытового назначения. После прекращения подачи напряжения в электросети эти устройства питают персональные компьютеры, принтеры или сетевое оборудование достаточное для пользователя время, позволяя завершить необходимую работу и избежать сбоя в работе техники. Однако в промышленной сфере, особенно связанной с высокоточными манипуляциями, массированной передачей данных или же при работе в особо сложных и потенциально опасных условиях степень надежности бытовых ИБП не является достаточной.

Работа бытовых источников бесперебойного питания заключается в сохранении электроэнергии в аккумуляторах (как правило, используются свинцово-кислотные батареи) при штатной работе электросети. Принцип прост: при прекращении сетевого напряжения электроэнергия, накопленная в ИБП, раздается подключенному к нему оборудованию с помощью инверторов, которые преобразуют постоянное напряжение в переменное. В этом же и заключается главный недостаток таких ИБП, делающий их плохим вариантом для индустриального применения: они подают переменное напряжение большой величины, тогда как для работы электронных схем промышленного оборудования необходимо низковольтное и постоянное.

В таком случае у пользователя есть два варианта обеспечения сохранности промышленного оборудования:

• Первый предполагает использование дополнительных источников питания – AC/DC-конвертеров, которые подключаются к стандартным ИБП и преобразуют поступающее из источника энергии высокое переменное напряжение в постоянное и низковольтное. При этом из-за наличия нелинейных элементов в электрической цепи и помех на выходе бытового ИБП подается квазисинусоидальное напряжение, что может повлиять на работу чувствительного оборудования.
• Второй вариант подразумевает организацию низковольтной системы бесперебойного питания, которая бы исключила из цепочки инверторы и последующие преобразования электроэнергии. К тому же, в некоторых промышленных процессах необходима подстраховка в виде альтернативного источника питания не только при случайном прекращении напряжения в сети, но и в других технологических или нештатных случаях, на которые бытовые источники бесперебойного питания не рассчитаны. В ситуациях, когда от ИБП зависит система жизнеобеспечения или безопасность человека, а также сохранность дорогостоящего оборудования или информации, необходимо создать систему, полностью отвечающую всем соответствующим требованиям.

При индивидуальном подходе к созданию системы бесперебойного питания ее составляющие и структуру можно подобрать под наиболее вероятные нештатные отключения электропитания. В производственной сфере такая ситуация может быть вызвана не только исчезновением напряжения в первичной электросети, но и выходом из строя самого источника питания, а также возникнуть из-за срабатывания защитной автоматики. В зависимости от наиболее вероятных сценариев подбирается конфигурация системы, а в зависимости от конструктивных особенностей оборудования – вариант исполнения.

Рассмотрим наиболее распространенный промышленный стандарт такого оборудования – вариант на DIN-рейку с номинальным напряжением 24 В на выходе. В качестве компонентов системы используем модули из ассортимента продукции MEAN WELL, где есть все необходимое для построения низковольтных систем бесперебойного питания любой сложности.

Типовая схема бесперебойного питания на базе аккумуляторной батареи и UPS-контроллера

В качестве примера типовой схемы бесперебойной системы питания с использованием контроллеров бесперебойного источника питания UPS (Uninterruptible Power Supply) остановим выбор на специализированных моделях компонентов MEAN WELL с монтажом на DIN-рейку для реализации системы с номинальным напряжением 24 В: DR-UPS40, DUPS20 и DUPS40. Все три модуля подходят для сборки системы питания с ИП и аккумуляторной батареей.

По схеме подключения, разъемам, системе сигналов состояния и внешнему дизайну эти контролеры идентичны друг другу (рис. 1).
DR-UPS40 – классический образец ИП своего типа, он производится компанией MEAN WELL почти два десятка лет. Модули DUPS20 и DUPS40 – более современные вариации с улучшенными техническими возможностями и расширенным функционалом.

Рис. 1. Внешний вид UPS-контроллера DUPS40 производства MEAN WELL

Типовая схема бесперебойного питания с использованием модулей DR-UPS40, DUPS20 или DUPS40 (рис. 2) способна работать на базе источника питания любого производителя, формирующего на выходе напряжение 24 В с ограничением тока до установленной предельной планки – максимум обозначен в названии: 20 или 40 А. Впрочем, и это ограничение можно преодолеть с помощью параллельного объединения выходов данных контролеров (DC+ и DC- на разъеме TB1). Общий ток в режиме питания от аккумулятора будет равен выходным токам контролеров.

Рис. 2. Схема включения UPS-контроллера DUPS40

Рассмотрим эксплуатационные характеристики выбранных нами контроллеров серии DR-UPS производства MEAN WELL, чьи технические параметры приведены ниже.

Основные технические параметры UPS-контроллеров DR-UPS40, DUPS40 и DUPS20:

• Диапазон напряжений на шине DC: 24...29 В;
• Диапазон токов разряда батареи:
  DR-UPS40, DUPS40 – 0...40 А,
  DUPS40 – 0...20 А;
• Ток заряда аккумуляторной батареи: 2 А;
• Емкость аккумуляторной батареи:
  DR-UPS40 – 4,7,12 А*ч ,
  DUPS20, DUPS40 – 4...135 А*ч;
• Номинальное напряжение батареи: 24 В;
• Тип аккумуляторной батареи: свинцово-кислотная;
• Диапазон рабочих температур:
  DR-UPS40: -20...70°C,
  DUPS20, DUPS40:-30...70°C;
• Сопротивление изоляции, не менее: 100 Мом;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту Telcordia SR-332:
  DR-UPS40 – 1365700 ч, 
  DUPS40 – 1376500 ч,  
  DUPS20 – 1252000 ч;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту MILHDBK-217F:
  DR-UPS40 – 161900 ч,  
  DUPS40 – 499500 ч,
  DUPS20 – 482100 ч;
• Габаритные размеры, ШхВхГ:
  DR-UPS40 – 55,5х125,2х100 мм ,
  DUPS40 – 63х125,2х113,5 мм,
  DUPS20 – 40х125,2х113,5 мм.

Контроллеры серии DR-UPSР имеют два режима работы: основной и аварийный. В ситуации, когда нагрузка поступает от штатного источника питания, прибор отслеживает состояние аккумулятора и контролирует напряжение на выходе.

Для оценки состояния аккумуляторной батареи DR-UPS проводит регулярные тесты на способность держать заряд: контроллеры DUPS40 и DUPS20 проводят эту операцию раз в 30 с, интервал тестирования для контроллера DR-UPS40 – 25 с. В случае отрицательного результата проверки работоспособности батареи контролер формирует сигнал «BAT Fail». Это обозначает, что аккумулятор неисправен и требует замены.

Отдельно проводится проверка уровня зарядки аккумуляторной батареи. В случае, если ее разряд достиг критических показателей и возникает угроза прекращения поддержки системы ИБП вне питания от сети, формируется сигнал «BAT Discharge».

Также контролер отслеживает состояние напряжения на выходе. Нормой считаются значения в интервале 21…29 В. Для контроллера DR-UPS40 точность составляет ±3%, для DUPS20 и DUPS40 — ±2%. Если эти условия выполнены, контроллер формирует сигнал «DC OK».

Данные сигналы передаются с помощью контактов реле по внешним линиям связи. Сами контакты выведены на разъем контроллера ТВ2, а также индицируются на передней панели светодиодами.

Рассмотрим в таблице 1 полные значения данных сигналов: в каком состоянии - разомкнутом или замкнутом - находятся контакты реле и ТВ2 и как это влияет на состояние светодиодных индикаторов.

Таблица 1. Индикация состояния аккумуляторной батареи и уровня выходного напряжения UPS-контроллеров DR-UPS40, DUPS40 и DUPS20

При прекращении подачи электроэнергии из сети UPS-контроллер в автоматическом режиме переключает систему бесперебойного питания на потребление от батареи. В данном случае важнейшим параметром становится время поддержки нагрузки в пределах, заданных программой. Оно зависит от тока нагрузки (величины разрядного тока) и емкости аккумулятора.

Отметим, что в технической документации MEAN WELL параметр времени работы бесперебойной системы от аккумуляторной батареи называется Buffering Time. Дословный перевод этого термина с английского звучит как «буферное время» или «время буферизации». Для российских потребителей это малознакомый термин, хотя их англоязычные коллеги используют слово «буфер», обозначая им средство для смягчения внезапного удара или же предотвращения последствий внезапного сильного воздействия. В расчетных схемах данный параметр определяется как время (ч), разделенное на произведение емкости аккумуляторной батареи (А*ч) и тока нагрузки (А). Однако в реальных условиях на время буферизации влияет множество внутренних и внешних факторов, например, разрядные характеристики, состояние и срок службы аккумуляторной батареи, температура окружающей среды и так далее. Поэтому предпочтительней пользоваться типовыми расчетами зависимости времени работы бесперебойной системы.

Для UPS-контроллеров MEAN WELL указано время буферизации в зависимости от аккумуляторных батарей разных параметров емкости. В таблице 2 этот параметр обозначен для разных дискретных значений тока нагрузки при использовании свинцово-кислотных батарей.

Таблица 2. Время работы системы бесперебойного питания при работе от аккумуляторов различной емкости в зависимости от тока нагрузки

Определить время работы бесперебойной системы для промежуточных значений тока нагрузки от аккумуляторных батарей различной емкости можно по графику на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость времени работы системы бесперебойного питания от тока нагрузки для аккумуляторов разной емкости

Приведенные выше расчеты указаны для работы системы бесперебойного питания со свинцово-кислотными батареями номинального напряжения 24 В.

Рассматриваемые нами UPS-контроллеры производства компании MEAN WELL предназначены для работы с аккумуляторными батареями с зарядным током до 2 А. Также у контроллеров серии DR-UPS есть ограничения по параметру емкости батареи: DUPS40 и DUPS20 работают с аккумуляторами емкостью 4…135 А*ч, а для DR-UPS40 эти значения составляют 4,7 и 12 А*ч.

В качестве примера аккумуляторного источника тока, штатно работающего с UPS-контроллерами MEAN WELL и имеющегося в наличии на российском рынке, можно привести DR-24-7.0-BAT торговой марки «Мастер Кит». Ее параметры:

• номинальное напряжение: 24 В;
• емкость: 7 А*ч;
• максимальное значение зарядного тока: 2,1 А.

На рис. 4 приведен пример схемы из аккумуляторной батареи DR-24-7.0-BAT, UPS контроллера DR-UPS40 и источника питания SDR-120-24 на 24 В, собранного на DIN-рейке.

Рис. 4. Система бесперебойного питания на DIN-рейке с использованием UPS-контроллера DR-UPS40, аккумулятора DR-24-7.0-BAT и ИП SDR-12-24

Отметим, что контроллеры бесперебойной системы питания серии DR-UPS оснащены защитой от переполюсовки, предотвращающей неверное подключение аккумуляторной батареи. Усовершенствованные образцы UPS-контроллеров MEAN WELL — DUPS40 и DUPS20 — также оснащены двумя схемами защиты батареи, которые отключают их от нагрузки при глубоком разряде или же, напротив, при превышении заданного предела разрядного тока в 21…23 А (DUPS20) и 42…46 А (DUPS40).

Типовая схема бесперебойного питания на базе буферных модулей

Еще одним родственным понятием термину «Buffering Time» является словосочетание «буферный модуль», обозначающее композицию для предотвращения удара в случае внезапного прекращения подачи питания из сети благодаря передаче запасенной ранее энергии. То есть буферные модули выполняют ту же функцию, что и контроллеры UPS, но отличаются схемой: вместо аккумуляторной батареи буфером выступает электролитический конденсатор.

Принципиальное различие буферных модулей и контроллеров UPS заключается во времени буферизации. Модули используют в случаях, когда потребность в обеспечении альтернативного источника питания возникает на крайне непродолжительный период. В бытовых условиях такая ситуация случается достаточно редко, однако в промышленности необходимо защитить оборудование от кратковременных провалов напряжения в электросети, во время переключения фаз или же, например, на период переключения питания от первичной электросети к генератору. В таких случаях использование схемы с UPS-контроллерами может быть чрезмерным: с данной задачей справится буферный модуль.

В товарной линейке компании MEAN WELL выпускаются две модификации буферных модулей: DBUF20-24, рассчитанный на 20 А, и DBUF40-24, соответственно, на 40 А. Оба буферных модуля работают с номинальным напряжением 24 В. Выглядят они почти одинаково. Внешний вид DBUF40-24 представлен на рис. 5.

Рис. 5. Буферный модуль DBUF40-24

Рассмотрим основные эксплуатационные характеристики буферных модулей производства MEAN WELL, технические параметры которых представленные ниже.

Основные технические и эксплуатационные параметры буферных модулей DBUF20-24 и DBUF40-24:

• Номинальное рабочее напряжение: 24 В;
• Диапазон рабочих напряжений: 22…29 В;
• Максимальный ток потребления в режиме зарядки: 900 мА;
• Максимальный ток потребления в режиме ожидания: 100 мА;
• Типовое время зарядки:
  DBUF20-24 – 15 с, 
  DBUF40-24 – 25 с;
• Максимальное время зарядки:
  DBUF20-24 – 25 с,
  DBUF40-24 – 35 с;
• Максимальный выходной ток:
  DBUF20-24 – 20 А,
  DBUF40-24 – 40 А;
• Диапазон рабочих температур: -25…75°C;
• Напряжение изоляции: 2,2 кВ;
• Сопротивление изоляции: 100 МОм;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту Telcordia TR/SR-332 при 25°C:
  DBUF20-24 – 1510000 ч,
  DBUF40-24 – 1420200 ч;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту Telcordia TR/SR-332 при 40°C:
  DBUF20-24 – 765800 ч, 
  DBUF40-24 – 717200 ч;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту MIL-HDBK-217F при 25°C:
  DBUF20-24 – 164800 ч, 
  DBUF40-24 – 162600 ч;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту MIL-HDBK-217F при 40°C: 
  DBUF20-24 – 108600 ч,
  DBUF40-24 – 106800 ч;
• Габаритные размеры, ШхВхГ:  63х125,2х114,9 мм.

При сборке системы бесперебойного питания с использованием буферных модулей вместо UPS-контроллеров принципиальная схема включения остается такой же, однако имеет варианты из-за использования разных схем питания сигнальных цепей. Композиционно это одно из немногих различий в использовании буферных модулей, однако в ряде случаев оно имеет принципиальное значение, о чем будет сказано чуть ниже.

Принцип подключения буферного модуля также аналогичен подключению контроллера: входные шины +V и -V имеют параллельное подключение к выходным шинам источника питания.

Остается неизменен и основной принцип действия в системе бесперебойного источника питания: при штатной работе первичной электросети буферный модуль выполняет контроль напряжения на выходе, проводит зарядку встроенных конденсаторов и отчитывается о состоянии системы сигналами.

Как только зафиксировано падение напряжения ниже определенного уровня, начинает действовать режим буферизации: нагрузка подается за счет альтернативного источника, которым в данном случае выступают конденсаторы.

Именно в этом моменте заключается главное отличие буферных модулей от UPS- контроллеров: конденсаторы позволяют работать в таком режиме крайне короткое время. Соответственно, при подключении сигнальных цепей к основному источнику питания (рис. 6), напряжение которого в этот момент ниже необходимого уровня, индикаторы способны сигнализировать о текущем состоянии системы также недолго.

Рис. 6. Схема включения буферного модуля в систему бесперебойного питания с электроснабжением сигнальных цепей от основного источника

Решить эту проблему позволяет альтернативная схема подключения сигнальных цепей к независимому источнику энергии (рис. 7).

Рис. 7. Схема включения буферного модуля в систему бесперебойного питания с электроснабжением сигнальных цепей от внешнего источника

Сигнальные цепи буферных модулей производства MEAN WELL созданы на базе оптопар. На рис. 8 представлена схема их действия.

Рис. 8. Схема сигнальных цепей буферного модуля

При работе буферного модуля могут подаваться два выходных сигнала и один входной. Выходной сигнал «Ready» является индикатором готовности буферного модуля к переходу на альтернативный источник питания. Он сигнализирует о полной зарядке встроенных конденсаторов. В случае, если конденсаторы еще заряжаются, данный индикатор мигает с частотой 1 Гц.

В тот момент, когда буферный модуль переходит в режим нагрузки за счет конденсаторов, выходной сигнал «Ready» начинает мигать с частотой 10 Гц. После окончательного перехода в режим буферизации в активное состояние приходит выходной сигнал «Buffering».

Для дистанционного включения или выключения буферного модуля используется входной сигнал «Inhibit».

Рассмотрим принцип работы буферного модуля (рис. 9). При подключении источника питания к переменному напряжению из первичной сети загорается сигнал «Inhibit» — буферный модуль приступает к работе. На графике, иллюстрирующем работу буферного модуля, это состояние обозначено вектором Vac.

Рис. 9. Графики, иллюстрирующие работу буферного модуля

На выходе системы бесперебойного питания появляется напряжение Vout — встроенные конденсаторы начинают заряжаться. В момент зарядки конденсаторов буферный модуль находится в режиме Charging Mode. Визуально этот режим можно определить по миганию индикатора с частотой в 1 Гц и неактивным светодиодам выходных сигналов «Ready» и «Buffering».

После полной зарядки конденсаторов буферный модуль переходит в режим ожидания Standby Mode и становится активным сигнал «Ready».

После уменьшения напряжения в первичной сети ниже установленного уровня буферный модуль некоторое время продолжает находиться в режиме ожидания: источник питания поддерживает напряжение на выходе собственными ресурсами.

Режим времени удержания Hold-up Time, или PSU Hold-up Time (Power Supply Unit, то есть источник питания), длится непродолжительное время и переходит в режим буферизации. В момент, когда конденсаторы начинают передавать накопленную энергию в нагрузку и, соответственно, разряжаться, становится активным сигнал буферизации «Buffering». При этом светодиод сигнала «Ready» начинает быстро мигать с частотой 10 Гц.

В режиме Buffer Mode буферный модуль находится до полной разрядки конденсаторов или же до возобновления электроснабжения от сети.

Обратите внимание на небольшой спад выходного напряжения (график показателя Vout на рис. 9), который заметен при переходе буферного модуля из режима удержания PSU Hold-up Time в режим буферизации Buffer Mode. Это связано с условиями перехода в буферный режим, который можно отрегулировать переключателем, расположенным на панели модуля.

Переключатель имеет два положения: верхнее обозначено как «Fix 22Vdc», оно фиксирует напряжение в 22 В, нижнее обозначено как «Vin-1 Vdc» и позволяет установить переход на напряжение меньше входного (на момент подключения буферного модуля это можно сделать посредством сигнала «Inhibit» или физически) на 1 Вт. Такой вариант позволяет продлить время буферизации и используется в тот момент, когда допускается выход напряжение в пределах 22…29 В.

Пороговые величины, зафиксированные данным переключателем, запускают буферный режим модуля и, соответственно, являются уровнем напряжения на выходе при режиме питания от конденсаторов.

Период времени автономной работы, во время которого буферный модуль подает нагрузку за счет своих ресурсов, прямо зависит от величины тока. Для буферных модулей производства компании MEAN WELL в технической документации обозначены два значения этого параметра: минимальное и типовое для конкретных значений потребляемого тока. Так, буферный модуль DBUF20-24 (таблица 3) при токе нагрузки в 20 А имеет минимальное время автономной работы в 250 мс, а для штатной работы это время составляет 350 мс.

Таблица 3. Время автономной работы буферного модуля DBUF20-24 в зависимости от тока нагрузки

Буферный модуль DBUF40-24 (таблица 4) при аналогичном токе нагрузки способен автономно работать как минимум 320 мс, а в типовом порядке - 500 мс.

Таблица 4. Время автономной работы буферного модуля DBUF40-24 в зависимости от тока нагрузки

Также производитель буферных модулей в технической документации представляет расчетные графики зависимости времени автономной работы от фиксированных значений тока нагрузки. Сопоставив эти графики для компонентов производства MEAN WELL — модулей DBUF20-24 (рис. 10) и DBUF40-24 (рис. 11) — можно заметить, что функция кривой типовой зависимости от тока для обоих компонентов является идентичной.

Рис. 10. Типовая зависимость времени автономной работы от тока нагрузки буферного модуля DBUF20-24

Рис. 11. Типовая зависимость времени автономной работы от тока нагрузки буферного модуля DBUF40-24

Для повышения работы в буферном режиме или увеличения выходного тока (либо для выполнения обеих задач) допускается параллельное объединение буферных модулей по выходу. Таким образом, например, при объединении двух модулей DBUF40-24 можно получить в течение секунды 20 А тока. Типовая схема объединения модификаций буферных модулей MEAN WELL представлена на рис. 12.

Рис. 12. Схема параллельного объединения буферных модулей

Схема резервирования источника электропитания для бесперебойной системы

С целью повышения надежности бесперебойной системы электропитания, особенно в случаях особой важности постоянного уровня напряжения на выходе, используется метод двойного резервирования. Он заключается во включении в схему системы двух идентичных источников питания: при нештатном отключении или выходе из строя одного компонента безопасность электропитания будет поддерживаться резервным.

Метод двойного резервирования предполагает также наличие устройства контроля, отслеживающего текущее состояние источников питания и оперативно сигнализирующего об его изменениях, а также своевременно формирующего сигналы о наличии аварийной ситуации.

Для рассмотренных выше типовых схем системы бесперебойного питания с использованием компонентов MEAN WELL подойдут модули резервирования этого же производителя. В качестве примера возьмем два популярных среди разработчиков варианта: DRDN20-24, рассчитанный на силу тока 20 А, и DRDN40-24, соответственно, на 40 А. Оба устройства работают при напряжении 24 В и подходят для размещения на DIN-рейку.

Рассмотрим основные эксплуатационные характеристики модулей резервирования DRDN20-24 и DRDN40-24, технические параметры которых представленные ниже:

Основные технические и эксплуатационные параметры модулей резервирования DRDN20-24 и DRDN40-24:

• Количество входных каналов: 2;
• Номинальное рабочее напряжение: 24 В;
• Диапазон рабочих напряжений: 19…29 В;
• Максимальный рабочий ток на канал:
  DRDN20-24 – 20 А,
  DRDN40-24 – 40 А;
• Максимальный пиковый ток на канал длительностью до 5 секунд:
  DRDN20-24 – 30 А,
  DRDN40-24 – 60 А;
• Максимальное падение напряжения «вход-выход»: 
  DRDN20-24 – 0,25 В,
  DRDN40-24 – 0,3 В;
• Типовой коэффициент полезного действия: 98%;
• Безаварийный диапазон напряжений в канале: 18…31 В;
• Диапазон рабочих температур: -40…80°C;
• Сопротивление изоляции, не менее: 100 МОм;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту Telcordia SR-332: 
  DRDN20-24 – 1836000 ч,
  DRDN40-24 – 1672900 ч;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту MIL-HDBK-217F:
  DRDN20-24 – 482100 ч,
  DRDN40-24 – 499500 ч;
• Габаритные размеры, ШхВхГ: 
  DRDN20-24 – 32х125,2х102 мм,
• DRDN40-24 – 55х125,2х100 мм.

Внешне и по конструктиву выбранные модули резервирования похожи, однако различаются по ширине корпуса: DRDN20-24 несколько уже модуля DRDN40-24 (рис. 13).

Рис. 13. Внешний вид модуля резервирования DRDN20-24

Данные компоненты оснащены выходным каналом для подключения к нагрузке, а также имеют два входных канала, ведущих к источникам питания. В каждом из каналов есть полевой транзистор с изолированным затвором MOSFET, который в случае аварийной ситуации по сигналу схемы контроля модуля отключает от выхода один из источников питания. Также схема контроля формирует сигналы о состоянии и статусе каждого из ИП.

Модули резервирования оснащены нижним разъемом с четырьмя контактами: по два контакта для подключения к двум источникам питания. На рис. 14 представлена схема подключения двух источников питания к модулю резервирования.

Рис. 14. Схема подключения модуля резервирования с двумя источниками питания (вариант «1 + 1»)

Также на передней панели расположены верхние разъемы для двух выходных шин, заземления и контактов двух реле, с помощью которых происходит определение статуса источников электропитания. Замкнутое состояние реле свидетельствует о штатной работе ИП, если реле разомкнуто, источник энергии находится в аварийном состоянии, то есть его выходное напряжение опустилось ниже допустимого уровня.

Кроме этого, в центре передней панели модуля резервирования находятся два светодиода-индикатора, которые сигнализируют о состоянии источников питания.

Типовая схема бесперебойной системы электропитания на основе компонентов MEAN WELL предполагает объединение любого четного числа источников питания, подключенных в параллельные выходы модулей резервирования. Принципиальная схема подключения варианта «N + 1» приведена на рис. 15.

Рис. 15. Схема многократного резервирования модулей питания (вариант «N + 1»)

Отметим, что такой метод резервирования источника электропитания бесперебойной системы подходит для описанных выше схем на базе как UPS-контроллера, так и буферного модуля. В качестве примера на рис. 16 приведена схема с использованием двух ИП и модуля резервирования на базе контроллера DUPS40.

Рис 16. Схема системы бесперебойного питания на базе UPS-контроллера DUPS40 с использованием модуля резервирования и двух источников питания

Схема использования ограничителей пусковых токов в ситуации «холодного старта»

Защищая бесперебойную систему электропитания от внештатных ситуаций, разработчики вынуждены учитывать и проблему «холодного старта» － выброса тока в момент включения источника питания. Так называемые пусковые токи возникают при полностью разряженных конденсаторах, расположенных в схеме прибора, и могут стать причиной срабатывания защитных автоматов.

Это типичная проблема, особенно для системы с несколькими источниками питания, каждый из которых в момент включения может выдать до нескольких десятков ампер. При этом установка более мощных автоматов для защиты компонентов системы может привести к тому, что защита не сработает при возникновении реальной аварийной ситуации, например, при коротком замыкании.

Для решения такой проблемы разработаны специальные конструкции «мягкого старта», ограничивающие пусковые токи. Однако, как правило, стоят такие источники питания значительно дороже и подходят не для всех применяемых сочетаний мощности и напряжения. Более изящным и, отметим, экономически выгодным решением может стать включение в схему системы питания внешних ограничителей. В линейке MEAN WELL есть несколько серий подобных приборов, из которых можно выбрать наиболее удобные для сборки на DIN-рейку модели ICL-16R и ICL-28R.

Их внешний вид идентичен (рис. 17), различие заключается лишь в одном параметре: ICL-16R имеет ширину 35 мм, а ICL-28R — 52,5 мм.

Рис. 17. Внешний вид ограничителя пускового тока ICL-28R

Также выбранные нами ограничители пускового тока имеют разный номинальный рабочий ток: 16 и 28 А, соответственно. Верхний порог ограничения тока составляет 23 А для ICL-16R и 48 А для ICL-28R. С эксплуатационными характеристиками данных устройств можно ознакомиться ниже.

Основные технические и эксплуатационные характеристики ограничителей пускового тока ICL-16R и ICL-28R:

• Диапазон входных напряжений переменного тока: 180…264 В;
• Номинальный рабочий ток: 
  ICL-16R – 16 А, 
  ICL-28R – 28 А;
• Верхний порог ограничения тока:
  ICL-16R – 23 А, 
  ICL-28R – 48 А;
• Диапазон рабочих температур: -30…70°C;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту Telcordia SR-332:
  ICL-16R – 7229000 ч,
  ICL-28R – 6781700 ч;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту MIL-HDBK-217F:
  ICL-16R – 2157300 ч,
  ICL-28R – 1626600 ч;
• Габаритные размеры, ШхВхГ: 
  ICL-16R – 35х90х54,5 мм,
  ICL-28R – 52,5х90х54,5 мм.

Схема включения подобных ограничителей в систему бесперебойного источника питания не вызовет затруднений (рис. 18): выходные шины подключаются параллельно со входами источников питания, а входные подсоединяются к выходу автомата защиты системы.

Рис. 18. Схема включения ограничителя пускового тока

Варианты ИП для системы бесперебойного питания низкого вольтажа

Определяя условия нашей задачи по созданию низковольтной бесперебойной системы питания, мы установили планку в параметре напряжения на выходе в 24 В. Однако даже при других требованиях к системе в виде монтажа на DIN-рейку и совместимости с описанными выше модулями выбор вариантов продукции MEAN WELL достаточно велик. Остановимся на семействах источников питания, наиболее востребованных среди разработчиков бесперебойных систем, и изучим их основные характеристики: мощность, КПД, возможность регулировки, уникальные особенности серий и другие параметры, необходимые для создания надежной системы электроснабжения.

Семейство SDR включает в себя серии источников питания с мощностями 75, 120, 240, 480 и 960 Вт. Модели от 120 Вт обладают корректором коэффициента мощности (ККМ) и выдерживают перегрузки 130…150% от номинала. КПД ИП этого семейства - на уровне 94%. Проектный пусковой ток составляет 50…80 А, при этом типовое время удержания на полной нагрузке — 14…20 мс. Источники питания семейства SDR позволяют регулировать выходное напряжение на уровне 24…28 В, при этом обладая защитой от перегрузки, перенапряжения и перегрева (рабочий температурный режим находится в диапазоне -30…70°C). Класс электромагнитной совместимости — В.

Во многом схожими параметрами обладают и модели источников питания семейства NDR, представленные сериями с мощностью 75, 120, 240 и 480 Вт. При этом два последних семейства — на 240 и 480 Вт — оснащены ККМ. Коэффициент полезного действия у представителей семейства NDR чуть поменьше — до 92,5%, а вот проектное время удержания при полной нагрузке выше чем у представителей семейства SDR — до 60 мс. Типовой пусковой ток этих ИП составляет 35 А, есть возможность отрегулировать напряжение на выходе в пределах 24…28 В. Эти модели также защищены от перегрузки, перегрева (рабочий диапазон -20…70°C), перенапряжения, короткого замыкания и относятся к классу В по электромагнитной совместимости.

Принципиальным отличием источников питания семейства EDR, представленного сериями моделей с мощностью 75, 120 и 150 Вт, является их невысокая стоимость при эксплуатационных характеристиках, схожих с вышеуказанными семействами. Модели EDR особенно хорошо подходят для создания крупных промышленных систем, где допустимо использование источников питания с КПД до 87,5%, поскольку они относятся к наивысшему классу по электромагнитной совместимости — классу А.

Для создания бесперебойных систем питания в структуре умного дома рекомендуем обратить внимание на семейство HDR, выполненное в форм-факторе «Home Automation». Серии этого семейства представлены источниками питания на 15, 30, 60, 100 и 150 Вт с коэффициентом полезного действия до 90,5%. Модели семейства HDR дают возможность отрегулировать выходное напряжение в диапазоне 21,6…29 В, типовое время удержания при полной нагрузке составляет 30 мс, проектный уровень пускового тока — 45…70 А. ИП HDR также защищены от нештатных ситуаций в виде перегрузок, короткого замыкания и способны работать при температурах -30…70°C. Класс электромагнитной совместимости — В.

При необходимости собрать систему бесперебойного питания низкой мощности перегрузки стоит обратить внимание на источники питания семейства MDR. Представители этого семейства мощностями в 10, 20, 40, 60 и 100 Вт на холостом ходу потребляют менее 1 Вт (модели на 100 Вт) и до 0,75 Вт (другие серии). Время удержания на полной нагрузке для десятиваттной серии составляет 120 мс, для остальных — 50 мс. Типовой пусковой ток источников питания MDR — 40…70 А. Коэффициент полезного действия составляет до 88%, при этом серия на 100 Вт оснащена корректором коэффициента мощности. Также модели семейства MDR различаются по возможностям регулировки выходного напряжения: серия на 20 Вт позволяет сделать это в диапазоне 21,6…26,4 Вт, более мощные серии — в пределах 24…30 Вт. Есть различия и в значениях рабочих температур: модели серии на 100 Вт выдерживают перепады -10…60°C, остальные способны работать при -20…70°C. Источники питания семейства MDR защищены от перегрузок, коротких замыканий и перенапряжения, а серия на 100 Вт — еще и от перегрева. Класс по электромагнитной совместимости — В.

Источники питания семейства WDR обладают сверхшироким входным диапазоном напряжения 180…550 В на одну или две фазы. Они представлены сериями со значением мощности в 60, 120, 240 и 480 Вт. Наиболее мощные ИП — на 240 и 480 Вт — оснащены ККМ. Типовое время удержания при полной нагрузке для этих серий составляет 16…18 мс. Все представители семейства WDR дают пусковой ток на 30…50 А, коэффициент полезного действия достигает 92%. В сериях на 60 и 120 Вт есть возможность отрегулировать напряжение на входе в диапазоне 24…29 В, в более мощных сериях — в пределах 24…28 В. Представители серии на 60 В обладают уникальным диапазоном рабочих температур: -30…85°C, серия на 60 Вт работает в режиме -25…70°C, мощные источники питания на 240 и 480 Вт выдерживают температуры -30…70°C. Все модели семейства WDR защищены от перегрузок, перенапряжения, перегрева и короткого замыкания. По электромагнитной совместимости относятся к классу В.

Самым мощным семейством источников питания MEAN WELL являются модели TDR. Это семейство представлено сериями на 240, 480 и 960 Вт и имеет сверхширокий входной диапазон напряжения на две или три фазы: 340…550 В. Все серии оснащены ККМ и обладают КПД до 94%. Пусковой ток всех моелей семейства составляет 50…60 А, а время удержания на полной нагрузке — 20…40 мс для серии на 240 Вт, 20 мс для серии на 480 Вт и 12…14 мс для серии на 960 Вт. Напряжение на выходе всех представителей этого семейства можно отрегулировать в диапазоне 24…28 Вт. Данные источники питания оснащены встроенной схемой ограничения выходного тока, работают в температурном диапазоне -30…70°C, защищены от перегрева, перегрузки перенапряжения, а также короткого замыкания. Электромагнитная совместимость — класс В.

Специальные источники питания со встроенным UPS-контроллером

Отдельно стоит рассмотреть семейства источников питания MEAN WELL, разработанные именно для использования в бесперебойных системах питания: DRC и DRS. Они также приспособлены для монтажа на DIN-рейку и отличаются уже встроенным в ИП UPS-контроллером.

Семейство DRC состоит из серий, различающихся мощностями: на 40, 60, 100 и 180 Вт. Название конкретной модели состоит из обозначения семейства, цифры номинальной выходной мощности, а также суффикса, обозначающего номинальное выходное напряжение: литера А соответствует напряжению 13,8 В, а литера В — 27,6 В. Структуру наименования данных ИП можно подробнее изучить на рис. 19.

Рис. 19. Структура названия источников питания семейства DRC

Кроме этого, суффикс в названии модели источника питания семейства DRC указывает еще на ряд параметров, представленных в таблице 5.

Таблица 5. Параметры выходного напряжения и аккумуляторной батареи в зависимости от суффикса в названии модуля DRC

Рассмотрим эксплуатационные характеристики ИП DRC, чьи основные параметры приведены в таблице 6.

Таблица 6. Основные технические и эксплуатационные характеристики источников питания семейства DRC

Внешний вид моделей семейства DRC практически неизменен, вне зависимости от номинальной мощности (рис. 20).

Рис. 20. Внешний вид источника питания DRC-60В

Выбивается из общего дизайна только источники питания на 180 Вт (рис. 21). Однако и в этом конкретном случае весь функционал, состав и принципы индексации остаются такими же, как и у других представителей семейства.

Рис. 21. Внешний вид источника питания DRC-180A

Оперативная структура всех моделей семейства DRC сосредоточена на передней панели. Внизу размещены две клеммы для подключения к сети электроснабжения и заземление. Вверху панели находятся контакты +V и –V, предназначенные для подключения нагрузки. Здесь же размещены контакты для подсоединения аккумулятора и две пары контактов для выводов сигнальной сети — индикаторов «AC OK» и «Bat. Low».

В средней части передней панели находятся регулятор напряжения выхода и светодиодный индикатор.

Схема подключения системы бесперебойного питания на основе источника питания семейства DRC собирается элементарно: к ИП достаточно просто подключить внешнюю батарею аккумулятора. Пример такого решения, являющегося полноценной бесперебойной системой питания, представлен на рис. 22.

Рис. 22. Схема системы бесперебойного питания на базе модуля DRC-180A

Принцип работы полученного модуля системы бесперебойного питания ничем не отличается от рассмотренных выше вариантов с аккумуляторной батареей. При штатной подаче электроэнергии от первичной сети он работает по принципу АС/DC-конвертера, однако по отдельному каналу одновременно происходит отслеживание (и при необходимости — поддержка) заряда аккумулятора. В случае, если напряжение сети снижается до обозначенного минимума, накопленная в аккумуляторной батарее электроэнергия начинает использоваться для питания нагрузки.

О состоянии модуля системы бесперебойного питания можно узнать из индикации на передней панели источника питания. При наличии постоянного напряжения на выходе горит сигнал «DC OK». Наличие переменного напряжения на входе подтверждает светодиод «АС ОК». Если напряжение в системе стало ниже установленного предела, загорается сигнал «Bat. Low», сообщая о разрядке батареи.

Следующее семейство ИП, специально созданное для применения в бесперебойной системы питания — DRS. Серии источников энергии данного семейства также оснащены UPS-контролерами, но, в отличие от DRC, обладают большими мощностями: на 240 и 480 Вт, а также имеют ряд других особенностей функционала.

Серия мощностью 240 Вт включает в себя модели с номинальным напряжением 12, 24, 36 и 48 В. Серия на 480 Вт имеет три модели: на 24, 36 и 48 В. Внешне обе серии не различаются (рис. 23).

Рис. 23. Внешний вид источника питания DRS на 480 Вт

Структура названия ИП семейства DRS сложнее. Здесь наименование состоит из четырех компонентов: помимо указания семейства, содержится отсылка на номинальную выходную мощность, напряжение на выходе, а также возможность поддержки интерфейса CANBus — наличие или отсутствие суффикса CAN. При отсутствии данного суффикса модель ориентирована на интерфейс MODBus. Наглядно принцип наименования источников питания семейства DRS показан на рис. 24.

Рис. 24. Структура наименования источников питания семейства DRS

Функционал источников питания DRS достаточно сложный из-за множества настроек, которые пользователь имеет возможность отрегулировать под собственные задачи. Интерфейс данных ИП выведен на переднюю панель, здесь же сосредоточены все органы коммутации — шины и коннекторы цепей для подключения, а также регуляторы и индикаторы. Визуально передние панели представителей обеих серий не различаются (рис. 25).

Рис. 25. Передняя панель источника питания DRS-480-24

Разъемы для подключения к первичной сети и заземления, а также для подсоединения аккумулятора расположены в нижней части панели. Вверху размещены разъемы для выходных шин источника питания и контактов сигнальной сети — каждый из индикаторов подключен к группе из трех контактов, формируя тем самым систему информирования о состоянии модуля бесперебойного питания. В зависимости от того, какие из пар сигнальных контактов замкнуты или открыты, обозначаются характеристики текущего состояния системы. Статусы сигнальных пар и их значения представлены в таблице 7.

Таблица 7. Характеристики состояния ИП семейства DRS

Уточним указанные в таблице 7 термины. Так, статус «AC Fail» означает отсутствие напряжения в сети, а статус «DC OK» указывает на нормальный уровень напряжения на выходе. Сигнал «Battery low» сообщает о разряде батареи аккумулятора, «Low BAT» дает сигнал о полной ее разрядке или неисправности. Проблемы со встроенным зарядным устройством обозначаются статусом «Charger fail».

Кроме этого, модели семейства DRS могут сообщить о возможных стратегиях работы системы питания: сигнал «AC Only» означает возможность питания исключительно от напряжения электросети, сигнал «BAT. Only», напротив, сообщает о невозможности использовать сеть и указывает единственным источником аккумуляторную батарею. При активизации статуса «AC + BAT.» возможна работа как в автономном режиме, так и при питании от сети.

Для удобства пользователя различные характеристики состояния модуля в зависимости от текущей ситуации и возникающих нештатных ситуаций обозначаются индикацией на передней панели (таблица 8).

Таблица 8. Индикация состояния источников питания семейства DRS

Механизмы для точной настройки работы ИП семейства DRS располагаются в нижней части панели. Здесь расположен регулятор для установки зарядного тока аккумулятора («Charging Current Adj»). Ниже размещен DIP-переключатель для установки профиля заряда в зависимости от типа батареи: литий-ионной, свинцово-кислотной или других видов. Пользователь может выбрать подходящий профиль, ориентируясь на указанные в технической документации описания и графики кривых заряда или же выставить собственную программу.

Также в технической документации на ИП семейства DRS указаны типовые значения времени работы созданной на их основе системы бесперебойного питания в автономном режиме (таблица 9).

Таблица 9. Типовые значения времени автономной работы системы бесперебойного питания на базе ИП DRS

Основные технические и эксплуатационные параметры источников питания серии DRS-240:

• Диапазон входных напряжений: 90…305 В;
• Выходное постоянное напряжение: 
  DRS-240-12: 12 В,
  DRS-240-24: 24 В,
  DRS-240-36: 36 В;
  DRS-240-48: 48 В.
• Максимальный выходной ток:
  DRS-240-12: 20 А,
  DRS-240-24: 10 А,
  DRS-240-36: 6,6 А;
  DRS-240-48: 5 А.
• Максимальный ток заряда батареи:
  DRS-240-12: 15,4 А,
  DRS-240-24: 7,7 А,
  DRS-240-36: 5,1 А;
  DRS-240-48: 3,85 А.
• Рекомендуемая емкость батареи:  
  DRS-240-12: 20…200 А*ч,
  DRS-240-24: 10…100 А*ч,
  DRS-240-36: 6,6…66 А*ч,
  DRS-240-48: 5…50 А*ч.
• Типовое время удержания на полной нагрузке: 16 мс;
• Коэффициент коррекции мощности, не менее: 0,95;
• Типовой коэффициент полезного действия: 92%, для DRS-240-12 – 90%;  
• Типовой пусковой ток: 60 А;
• Порог срабатывания сигнала “BATTERY LOW”:
  DRS-240-12: 11 ± 0,2 В,
  DRS-240-24: 22 ± 0,3 В,
  DRS-240-36: 33 ± 0,4 В,
  DRS-240-48: 44 ± 0,5 В.
• Пределы регулировки зарядного тока батареи, % от максимума: 20…100;
• Диапазон рабочих температур: -30…70°C;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту Telcordia SR-332: 564700 ч;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту MIL-HDBK-217F: 73300 ч;
• Габаритные размеры, ШхВхГ: 85,5х125,2х129,2 мм;
• Гарантия от производителя: 3 года.

Основные технические и эксплуатационные параметры ИП DRS-480:

• Диапазон входных напряжений: 90…305 В;
• Выходное постоянное напряжение:
  DRS-480-24: 24 В;
  DRS-480-36: 36 В;
  DRS-480-48: 48 В.
• Максимальный выходной ток:
  DRS-480-24: 20 А;
  DRS-480-36: 13,3 А;
  DRS-480-48: 10 А.
• Максимальный ток заряда батареи:
  DRS-480-24: 15,4 А;
  DRS-480-36: 10,2 А;
  DRS-480-48: 7,7 А.
• Рекомендуемая емкость батареи:
  DRS-480-24: 20…200 А*ч,
  DRS-480-36: 13…133 А*ч,
  DRS-480-48: 10…100 А*ч.
• Типовое время удержания на полной нагрузке: 16 мс;
• Коэффициент коррекции мощности, не менее: 0,95;
• Типовой коэффициент полезного действия: 93,5%, у  DRS-480-24 – 92,2%;
• Типовой пусковой ток: 60 А;
• Порог срабатывания сигнала “BATTERY LOW”:
  DRS-480-24: 22 ± 0,3 В,
  DRS-480-36: 33 ± 0,4 В,
  DRS-480-48: 44 ± 0,5 В.
• Пределы регулировки зарядного тока батареи, % от максимума: 20…100;
• Диапазон рабочих температур: -30…70°C;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту Telcordia SR-332: 556600 ч;
• Среднее время наработки на отказ по стандарту MIL-HDBK-217F: 74500 ч;
• Габаритные размеры, ШхВхГ: 110х125,2х150,7 мм;
• Гарантия от производителя: 3 года.

Метод увеличения диапазона напряжений на выходе бесперебойной системы питания

До этого момента мы рассматривали бесперебойные системы питания с единым выходящим напряжением. В ситуации, когда потребителю системы необходимы несколько различных параметров выходящего напряжения, есть два варианта: создать нужное число отдельных систем бесперебойного питания, что непрактично и экономически невыгодно, или же подключить к выходу системы DC/DC-преобразователи. Кроме полученного результата в виде нужного номинала выходящей мощности, второй вариант позволяет, например, варьировать величину напряжения для приборов, работающих в разных режимах потребления. Благодаря высокой перегрузочной способности преобразователи также позволяют справиться с краткими перегрузками на выходе, не нуждаясь в дополнительных схемах защиты.

В качестве одного из наиболее популярных у разработчиков DC/DC-преобразователей MEAN WELL рассмотрим семейство DDR. Данные преобразователи отличаются особой надежностью, имеют широкий диапазон мощностей и удобны в монтаже на DIN-рейку. Преобразователи DDR при относительно компактном исполнении обладают высокой перегрузочной способностью и позволяют регулировать выходное напряжение. Также к их ключевым преимуществам можно отнести способность работать при значительном разбросе температур и возможность дистанционного включения.

Серии преобразователей DDR различаются по мощностям: есть модели, работающие на 15, 30, 60, 120, 240 и 480 Вт. Также они делятся по возможному диапазону напряжений на входе и выходе (см. ниже).

Выходные напряжения источников питания семейства DDR, В:

• DDR-15: 3,3, 5, 12, 15, 24
• DDR-30: 5, 12, 15, 24
• DDR-60: 5, 12, 15, 24
• DDR-120: 12, 24, 48
• DDR-240: 24, 48
• DDR-480: 12, 24, 48

Структура названия конкретной модели DC/DC-преобразователя DDR (рис. 26) включает в себя обозначения всех этих характеристик. При этом используемая литера указывает на конкретный диапазон напряжения на входе: А — 9…18 В, В — 16,8…33,6 В, С — 33,6…67,2 В, D — 67,2…154 В, G — 9…36 В, L — 18…75 В.

Рис. 26. Структура наименования источников питания семейства DDR

Визуально преобразователи DDR не имеют принципиальных различий. Их внешний вид можно оценить на примере источника питания серии DDR-480 (рис. 27).

Рис. 27. Внешний вид ИП серии DDR-480

Сегодня я рассмотрел основные схемы и способы сборки низковольтной системы бесперебойного питания и отдельно остановился на особых нештатных ситуациях, которые могут возникнуть в промышленном производстве. Но текущая обстановка вынуждает меня в завершении обзора затронуть еще один аспект, не связанный напрямую с производственными работами. Речь идет об уже почти обыденной, к сожалению, ситуации с невозможностью приобрести или оперативно доставить необходимую компонентную базу – привычные поставщики оборудования могут внезапно уйти с российского рынка из-за санкционного давления или отказать по этой же причине в гарантийном обслуживании. Именно поэтому продукция MEAN WELL сегодня является выигрышным вариантом. Номенклатура MW не только многообразна, но и доступна для российских разработчиков систем электропитания. И, что немаловажно, MEAN WELL дает возможность сочетать оборудование с компонентами других производителей, выстраивая системы и композиции в точности под конкретные условия и задачи.