Как совместить в одной системе питания мощность и управляемость, вариативность конфигураций и заводскую надежность работы всех компонентов? Можно долго искать среди множества предложений на рынке «ту самую», но я бы посоветовал сэкономить время и средства, а вместо поисков собрать подходящую блочно-модульную систему.

В качестве одного из вариантов такой сборки давайте рассмотрим в первой части концепцию промышленного электропитания высокой мощности «3+N» от компании MEAN WELL, которая позволяет легко создать нужную именно вам систему, при необходимости заменять ее составляющие и управлять с помощью цифровых технологий, на примере источников питания типа Rack System с функцией горячей замены модулей.

Современные промышленные процессы все чаще требуют использования AC/DC-преобразователей высокой мощности, вплоть до сотен киловатт. Они нужны для промышленных лазерных установок и 3D-принтеров или, например, для создания зарядных станций высокой мощности, питающих батареи электромобилей и электробусов. Кроме основной функции – обеспечения питания напряжения - во многих случаях от подобных установок требуется изменение параметров в зависимости от внешних управляющих сигналов. Эта функция особенно полезна в системах тестирования, где необходима автоматическая проверка (например, в бортовой сети) при различных, в том числе и динамически изменяющихся, параметрах питающего напряжения.

В подобных случаях стандартные источники питания, рассчитанные максимум на несколько сотен ватт, не подойдут. Вариант создать систему электропитания из обычных источников потребует наличия дополнительной мощной системы охлаждения – это нерационально. А еще для создания мощной и управляемой системы питания крайне сложно подобрать компонентную базу, рассчитанную, опять же, под стандартные источники питания, неспособные выдержать ток в выходных каскадах, который может достигать десятков тысяч ампер. Некоторые производители имеют в своей линейке нестандартную продукцию, но и в этом случае разработчику устройства придется использовать лишь то, что имеется в доступе. Даже при успешной реализации подобная система электропитания рискует быть слишком дорогой и неформатной для использования в типовой конструкции.

На мой взгляд, оптимальным решением поставленной задачи – создания мощной промышленной системы питания напряжения с возможностью изменения параметров – является использование блочно-модульной схемы. То есть мы используем не стандартные компоненты, а функциональные модули – «строительные блоки», из которых создаем систему любой сложности и при этом поддерживаем внешнее управление через интерфейс.

Эти принципиальные моменты – модульность, управляемость, унификация – и легли в основу концепции «3+N», разработанной компанией MEAN WELL. С ее помощью можно собрать источник питания большой мощности с нужной нам конфигурацией и габаритами, подходящими под рэк-стойку, в том числе трехфазный с высоковольтным входом или используемый для рекуперации энергии.

Концепция 3+N

Разработанная компанией MEAN WELL концепция «3+N» представляет собой интегрированный подход к проектированию, производству и эксплуатации источников питания. Суть концепции – сочетание основных типов источников питания (AC/DC, DC/DC и LED-драйверов) и дополнительных продуктов, которые можно сочетать с основными для создания комплексных решений различного назначения. Такой подход позволяет выбрать именно ту конфигурацию, которая необходима в вашем конкретном случае и быть уверенными в качестве и надежности предлагаемого решения.

Как видно по названию концепции, это системное решение предполагает использование трех базовых компонентов, а литера N обозначает неограниченное число возможностей сочетания другого оборудования для получения необходимого нам результата.

Преимуществами такой концепции являются:

• гибкость и универсальность, позволяющие подобрать оптимальное решение;
• экономия времени и ресурсов;
• повышение эффективности работы всего устройства за счет интеграции различных продуктов в единое целое.

Монтируется система питания на основе концепции «3+N» с использованием рэк-стойки. В России это монтажное приспособление часто называют телекоммуникационным шкафом, поскольку изначально такой вид размещения устройств использовался в сфере телекоммуникаций и телефонии, но с массовым появлением серверного оборудования он стал более популярным в IT-сфере. Главными плюсами рэковых стоек являются их надежность и безопасность размещения устройств как для постоянного использования, так и для хранения. Возможным минусом можно назвать необходимость соблюдать габариты стойки, однако именно это призван отменить первый компонент концепции «3+N» – Rack System. Это принцип создания линеек продукции разного назначения, габариты которых подходят под рэк-стойку шириной в 19 дюймов (стандартизированный размер) и по сути являются рэковыми контейнерами («Rack shelf») высотой в 1,75 дюйма, или один юнит (U – универсальный размер для всех производителей такого оборудования), либо размера, кратного этой величине. Рэковые контейнеры могут занимать несколько установочных мест (как правило, до 5): в них не только крепят оборудование, но и объединяют в единую систему, подключая в параллель выходы всех установленных в него модулей.

Второй постоянный компонент концепции – Modular Power. Это блок питания, состоящий из нескольких встраиваемых модулей. С помощью различных модулей можно создать блок питания с нужным количеством выходов, различными значениями напряжения и функционалом. При этом компания MEAN WELL предлагает весьма широкий ассортимент встраиваемых модулей унифицированных размеров, что позволяет собрать в блок источники питания конкретных параметров, в том числе с несколькими выходами на разные номиналы напряжения.

Третья составляются концепции – System Power, то есть система управления питанием с использованием модуля управления (также унифицированного по высоте в юнитах), который объединяет систему общим интерфейсом.

Рис. 1. Концепция 3+N от MEAN WELL

Описанные мной три основных компонента концепции «3+N» (заключенных на рис. 1 в белую рамку) способны создать единую систему с дополнительным оборудованием, исходя из конкретных задач и условий. Например, с контроллерами цифровых интерфейсов, причем тоже совершенно разных. Так, при создании мощной системы электропитания для промышленной отрасли можно использовать интерфейсы PMBus и CANbus, поддерживаемые модулем управления CMU2, для питания напряжения системы освещения － интерфейс DALI, для умного дома － KNX и так далее.

Кстати, вы обратили внимание, что, презентуя концепцию по созданию уникальной, то есть нужной в конкретном нестандартном случае конфигурации, мы снова начали обращаться к базе стандартного промышленного оборудования? Именно в этом и смысл концепции «3+N»: создавать нестандартную систему питания на базе стандартных функциональных модулей с помощью стандартной 19-дюймовой рэк-стройки.

По сути, это мультивариативный «конструктор Лего» для сферы энергопитания, из которого можно реализовать любую сборку под требования заказчика. Поэтому давайте остановимся лишь на самых популярных комплектующих, используемых при реализации концепции «3+N», и рассмотрим частые конфигурации из них.

Для примера различных схем сборки из предлагаемого компанией широкого ассортимента «строительных кирпичиков» MEAN WELL в первой части мы с вами рассмотрим:

• источники питания типа Rack System с функцией горячей замены модулей серий RCP-1600, DRP-3200 и NCP-3200.

Блоки питания с функцией замены модулей

Итак, что же собой представляет компонент концепции «3+N» Rack System? Это рэковый контейнер, в который можно вставить и собрать в единую систему несколько модулей ИП. Для примера возьмем модели серии RCP-1600 производства компании MEAN WELL (их внешний вид представлен на рис. 2), а в качестве контейнера для создания единого блока используем RHP-1U.
 

Рис. 2. Модуль источника питания серии RCP-1600

Как видим, это действительно «кирпичик», не имеющий ничего лишнего, однако оборудованный всем необходимым для включения в систему.

Во фронтальной стороне модуля расположен выходной разъем. На обратной － светодиодный индикатор и вентиляционные отверстия, за которыми встроены два вентилятора, чтобы принудительного охлаждать элементы модуля. Для удобства монтажа каждый модуль оснащен рукояткой, с помощью которой его можно легко разместить в контейнере и так же извлечь. Кстати, рукоятка одновременно выполняет и функцию замка для надежного крепления в блоке.

Каждый подобный «кирпичик» － модуль источника питания серии RCP-1600 - имеет мощность в 1 600 Вт и может иметь один из трех номиналов выходного напряжения: 12, 24 и 48 В.
 

Рис. 3. Контейнер RHP-1U с модулями серии RCP-1600

Перейдем к изучению самого контейнера RHP-1U с модулями RCP-1600. То, как выглядит конечная сборка системы, показано на рис. 3.

В контейнере типа RHP-1U можно разместить до пяти модулей серии RCP-1600 одного номинала, суммировав их выходы, то есть общая мощность блока RHP-1U с модулями RCP-1600 может составлять до 8 000 Вт. В параллельное соединение можно объединить до трех контейнеров типа RHP-1U, получив таким образом систему электропитания мощностью до 24 000 Вт и номиналами выходного напряжения в 12, 24 или 48 В.

Однако тут есть важный нюанс: при таких мощностях все-таки сложно добиться идеального равенства токов в выходных цепях модулей, поскольку разброс параметров компонентов системы неизбежен. Поэтому эксперты MEAN WELL рекомендуют установить ограничение максимального выходного тока примерно на уровне 90% от предельно возможного.

Также производитель настоятельно рекомендует максимально точно задавать выходное напряжение каждого из модулей перед установкой в единую систему: различаться напряжение должно не более чем на 0,2 В. Этот параметр несложно отрегулировать с помощью встроенного переменного сопротивления.

Для безопасности использования комбинации модулей большой мощности предусмотрено подключение каждого из них к источнику питания по отдельной линии, что позволяет установить на их первичных сторонах индивидуальные средства защиты, например, устройства защитного отключения (УЗО). Выходные шины выводятся на две пары винтовых клемм параллельного соединения.
 

Рис. 4. Задняя панель контейнера типа RHP-1U: вверху － вариант подключения клеммными колодками, внизу － стандартный разъем

Отдельно и подробно стоит остановиться на строении задней панели контейнера типа RHP-1U, где размещены все клеммные колодки и разъемы внешнего подключения системы. Как мы помним, контейнер с модулями является одним из блоков основной системы с произвольной конструкцией, поэтому имеет все необходимые способы подключения к нагрузке, к блоку управления и к сети электропитания. Причем контейнер типа RHP-1U можно присоединять к питающей сети как с помощью соединителя в виде клеммной колодки, так и посредством типового разъема, поскольку есть два варианта таких контейнеров, различающихся только этим параметром (оба показаны на рис. 4).

Также на заднюю панель выведены индикаторы состояния и управления модулями блока. В системе цифрового управления (стандарт PMBus) все модули соединены через восьмиконтактные разъемы RJ45 (на рис. 4 они обозначены как JK1). Этот интерфейс позволяет в реальном времени контролировать состояние и рабочие параметры каждого модуля: выходные напряжение и ток, а также внутреннюю температуру. При активации режима управления можно задать такие выходные параметры, как напряжение и максимальная сила тока.

А еще интерфейс служит для передачи аварийных сигналов при возникновении проблем. Для обращения к конкретному модулю используется его уникальный адрес, который настраивается с помощью 4-позиционных переключателей DIP (на рисунке 4 они обозначены как «ADDRESS SWITCH»). Состояние каждого модуля также можно оценить по его встроенному индикатору. Если он горит зеленым, то все в порядке, а если мигает красным, то внутренняя температура модуля достигла 60⁰C, однако устройство продолжает работать без активации защиты от перегрева. Если же индикатор горит красным без мигания, то это говорит о серьезной проблеме: перегрузке, перегреве или поломке вентилятора.

Кроме этого, на заднюю стенку контейнера выводятся индикаторы каждого модуля, сообщающие о статусе его состояния: «АС-ОК» указывает на предельно допустимый уровень напряжения на входе, «DC-OК» － на выходе, а «T-ALARM» сообщает о превышении предельно допустимого значения температуры или же о неполадках встроенного вентилятора.

Для внешнего управления модулями на разъем CN1 выведены входы, позволяющие дистанционно включать или отключать конкретные модули － «ON/OFF». Чтобы включить модуль, нужно подать на вход «ON/OFF» напряжение полярности «+» величиной 5 В. Таким образом можно создавать конфигурацию включения каждого отдельного модуля или группы с помощью внешней коммутации.

Также есть запасная возможность отрегулировать входные параметры системы: «PV» позволяет регулировать напряжение, «PС»－ силу тока. Это аналоговое управление, которое может быть задействовано в случае, если режим цифрового интерфейса по какой-то причине не работает.

Чтобы управлять уровнем выходного напряжения системы модулей, размещенной в контейнере, предусмотрен внешний источник напряжения до 5 В с возможностью регулировки. Он подключается положительным полюсом к контакту «PV», а отрицательным – к «-V signal». Регулировка осуществляется в ограниченных пределах. Влияние управляющего напряжения на работу модулей серии RCP-1600 представлено на рис.5.
 

Рис. 5. Зависимость выходного напряжения системы модулей серии RCP-1600 от управляющего напряжения на входе «PV»

В соответствии с этой же зависимостью происходит и регулировка максимума тока на выходе. При его превышении включается автоматика перехода в режим стабилизации. Такая регулировка возможна в диапазоне 20…110% от указанного в технической документации значения тока на выходе при максимуме мощности.

Регулируется уровень выходного тока также внешним напряжением: источник напряжения до 5 В с возможностью регулировки размещается положительным полюсом к контакту «PC», а отрицательным － к «-V signal». График зависимости максимального значения силы тока системы на выходе от управляющего напряжение на «РС» указан на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость показателей тока модулей RCP-1600 от управляющего напряжения на выходе

Теперь снова вернемся к рисунку 4 и найдем на изображении задней панели контейнера разъем СN2. К нему идут две пары контактов: пара S подключается непосредственно к нагрузке, а пара V дублирует шины на выходе источника питания. По умолчанию пара S замыкается на паре V. Такое подключение уместно, если потери на проводах ничтожны и ими можно пренебречь, например, когда расстояние от источника питания до нагрузки небольшое.

Однако в обратной ситуации, когда приходится использовать провода большой длины, в случае больших токов возникают весьма ощутимые резистивные потери. Предотвратить это можно, замкнув пару S непосредственно к нагрузке и тем самым увеличив напряжение на выходе источника. Оба варианта подключения изображены на рис. 7.
 

Рис. 7. Подключение пары S и V разъема CN2 в случае необходимости компенсации резистивных потерь (верхняя схема) и по умолчанию (нижняя схема)

Для удобства потребителей и в тон концепции «3+N» компания MEAN WELL предоставляет для заказа как готовую систему из контейнера RHP-1U и пяти модулей RCP-1600 с напряжением в 12, 24 или 48 В, так и наборы отдельных компонентов.

Навигацией в выборе модулей и контейнеров, подходящих под конкретную задачу, служит индексация в наименованиях. Так, структура наименования модуля серии RCP-1600 (рисунок 8) состоит из названия серии (RCP), выходной мощности (1600) и выходного напряжения (24).
 

Рис. 8. Структура наименования модуля серии RCP-1600

Аналогичным образом индексируется и рэковый контейнер типа RHP-1U, где RHP является серийным наименованием, а 1U - это высота контейнера (рис. 9).

Также в названии может быть указан вариант подключения к сети. На возможность подключения контейнера к сети питания с помощью клеммной колодки указывает литера «Т» (Terminal block), а если вам нужен рэк-контейнер со стандартным разъемом, то вместо этого в названии будет литера «I».
 

Рис. 9. Структура наименования контейнера типа RHP-1U

Также сложным лишь на первый взгляд является и наименование самой системы в сборке из контейнера и модулей: первым индексом идет серия контейнера, потом － суммарная мощность (на рис. 10 она составляет 1 600 х 5 = 8 000 Вт), следующая литера обозначает способ подключения к сети (как и в случае с отдельно поставляемым рэковым контейнером типа RHP-1U), а последняя цифра － выходное напряжение.

Рис. 10. Структура названия сборки системы питания на базе контейнера RHP-1U и пяти модулей RCP-1600

Вы обратили внимание, что на рисунках в каждом из трех случаев в наименовании есть незаполненное поле, обозначенное пустым квадратом? Оно будет заполнено в том случае, если цифровой интерфейс будет отличаться от установленного по умолчанию - PMBus. Однако и модули, и контейнеры для них, и, соответственно, готовые системы питания на их базе могут быть оснащены интерфейсом CANBus. В этом случае вместо пустого квадрата завершать наименование будут буквы «CAN».

А теперь давайте вернемся к тезису «вариативность конфигураций», который лег в основу концепции «3+N», и рассмотрим, как на представленной выше схеме сборки блочно-модульной системы можно создать источники питания с другими параметрами.

Для начала возьмем модули питания серии DRP-3200, которые очень схожи с упомянутой ранее серией RCP-1600 и в плане функционала ничем не отличаются. А вот в количественных показателях разниц существенна: как можно сразу понять по названию, рассчитаны эти модули на мощность в 3200 Вт. Также они больше по размеру (рис. 11), но не вдвое － очевидна экономия пространства!

Еще одно отличие DRP-3200 от собратьев － всего два вида моделей по номинальному напряжению на выходе: 24 и 48 В.

Рис. 11. Источник питания серии DRP-3200

Так как размерный ряд модулей питания DRP-3200 различается, то и контейнер для них будет другого размера, например, DHP-1U (рис. 12). В него вмещаются до четырех модулей DRP-3200.

Рис. 12. Контейнер типа DHP-1U с модулями серии DRP-3200

Высокая мощность не предполагает использования стандартных разъемов: DHP-1U поставляется только с клеммными колодками. На его задней панели (рис. 13), в отличие от RHP-1U, элементы расположены в ином порядке, однако их состав и функционал полностью повторяют уже рассмотренные нами.

Рис. 13. Задняя панель контейнера типа DHP-1U

Нет существенных изменений и в принципах регулировки максимального выходного тока. А вот зависимость напряжения на выходе от управляющего напряжения незначительно отличается в нижней границе диапазона.

Структура названия конкретной модели этой системы питания состоит из обозначения ее параметров. Так, наименование модуля питания DRP-3200 (рисунок 14) состоит из названия серии DR, выходной мощности 3 200 Вт и выходного напряжения 24 или 48 В. Если интерфейс модуля – PMBus, отдельно он не указывается, так как используется по умолчанию. В случае, если используется интерфейс CANBus, то модель имеет еще один суффикс в названии – «CAN».

Рис. 14. Структура наименования модуля DRP-3200

Контейнер серии DHP-1U, в который можно поместить модули DRP-3200, выпускается лишь в одном формате и имеет полное название DHP-1UT-A. А наименование вариантов собранной системы питания из контейнера серии DHP-1U и четырех модулей DRP-3200 (рис. 15) отличаются друг от друга лишь индексом, обозначающим полную мощность.

Рис. 15. Структура наименования собранной системы из контейнера DHP-1U и четырех модулей серии DRP-3200

Кстати, можно параллельно объединить две такие системы и получить общую мощность уже до 25600 Вт, то есть, до 25,6 кВт!

Если и этой мощности не хватает, можно собрать систему питания из модулей серии NCP-3200 (рис. 16). Это уникальное в своем роде семейство, чьей особенностью является возможность сборки системы из десяти блоков питания, в каждом из которых будет по четыре таких устройства. То есть суммарная мощность полученной системы будет достигать уже 128 кВт.

Рис. 16. Модуль источника питания серии NCP-3200

Впрочем, чаще модули питания NCP-3200 используют ради другой их функции – блоки с ними могут работать и как источники питания, и как зарядные устройства. При этом переключать что-либо вручную для смены задачи не требуется, так как это происходит через команду по интерфейсу или через отдельный программатор SBP-001.

Еще одна фишка уникальных модулей серии NCP-3200 заключаются в возможности работать как с низким напряжением 24 и 48 В, так и с высоким – 380 В. В последнем случае система с NCP-3200 работает только как источник питания. А вот параметры этих модулей внешне ничем не отличаются от рассмотренных выше DRP-3200, поэтому их также можно разместить в контейнере типа DHP-1UT, только уже с литерой «В» в конце.

Рис. 17. Контейнер типа DHP-1UT-B для модулей серии NCP-3200

Если рассмотреть обратную сторону контейнера DHP-1UT-B, то можно не сразу заметить, чем же он отличается от собрата с литерой «А». У них идентичны практически все разъемы и выводы (рисунок 18), за исключением одного момента: DHP-1UT-B имеет только один DIP-переключатель на все четыре модуля питания вместо четырех переключателей в рэк-контейнерах, которые мы рассматривали ранее.

Рис. 18. Задняя сторона контейнера DHP-1UT-B

Правда, это не только не мешает цифровому интерфейсу обращаться к каждому из четырех модулей в одном контейнере. В случае с максимальной комплектацией системы питания из десяти контейнеров, то есть при наличии 40 модулей питания, система управления сможет «достучаться» до каждого из них. Секрет кроется в увеличении знаков двоичного кода, которыми обозначается адрес конкретного модуля питания － используется шестизначный, а не четырехзначный. Также вне зависимости от места установки каждый модуль имеет свой собственный адрес: 0, 1, 2 или 3 － это ячейка контейнера, еще четыре разряда кода принадлежат уже обозначению самого контейнера.

Несомненное отличие модулей серии NCP-3200 будет в графиках зависимости выходного напряжения от регулировки при номинале в 380 В. Зато при всех остальных параметрах, схожих с рассмотренным ранее модулем на 3 200 Вт, никаких изменений быть не может.

Рис. 19. Зависимость выходного напряжения ИП NCP-3200 от управляющего

Давайте отдельно остановимся на режиме модулей серии NCP-3200 в качестве зарядного устройства. В этом случае они работают по зарядной кривой. Ее алгоритм обеспечения может использоваться как установленный по умолчанию (на выбор – в две или три стадии), а может быть определен самим пользователем с помощью специального программного обеспечения на компьютере. Связь системы питания с модулями NCP-3200 и компьютером обеспечивается программатором SBP-001 производства компании MEAN WEL.

Рассмотрим типовые зарядные кривые, которые формируются встроенными в модуль алгоритмами (рис. 20).
 

Рис. 20. Типовые зарядные кривые: для двухстадийного (слева) и трехстадийного (справа) процессов

Первые этапы обоих алгоритмов практически не различаются: сначала идет заряд модуля до определенного уровня. При двухэтапном алгоритме после этого зарядный ток постепенно снижается и при достижении 10% прекращается. При трехэтапном алгоритме далее наступает процедура поддерживающей зарядки, которая может длиться бесконечно, не допуская саморазряд аккумулятора.

Ну и напоследок давайте рассмотрим еще одно отличие модулей серии NCP-3200 от предыдущих семейств, заключающееся в наименовании. Названия самих модулей особо не различаются (рис. 21), разве что среди обозначений выходного напряжения может быть не только 24 или 48, но и 380.
 

Рис. 21. Структура наименования модулей серии NCP-3200

А вот имя контейнеров для таких модулей имеет специфичную особенность. Кроме уже упомянутой литеры «В» в наименовании контейнера (рис. 22) может быть добавлен в конце суффикс «HV». Это обозначает, что система питания, созданная на базе этого контейнера с модулями NCP-3200, высоковольтная, то есть рассчитанная на 380 В.
 

Рис. 22. Структура наименования контейнеров типа DHP-1UT-B

Заключение

При всем многообразии вариантов и конфигураций источников питания в рамках концепции «3+N» компании MEAN WELL даже поверхностное погружение в тему позволяет быстро понять ее главные принципы и подходы. А после – с легкостью использовать, ведь это не сложнее чем играть в «Лего», создавая из стандартных блоков и перемычек всевозможные композиции по собственному желанию.

Во второй части мы разберем:

• Конфигурируемые блоки питания
• Источники питания с высоковольтным выходом
• Системы повторного использования энергии
• Модули управления питанием

Читать вторую часть