Индустриални захранвания

Преходът към Индустрия 4.0 е съпътстван от редица предизвикателства към производителите, което налага своевременната им адекватна реакция спрямо новите тенденции в развитието на автоматизацията в производствените технологии. За да могат да разчитат на висока надеждност на внедрената апаратура, в избора си на захранващи устройства те трябва да подходят безкомпромисно спрямо изискванията за ефективност, сигурност и качество.

Ролята на захранването е да осигурява определени по стойност и характеристики напрежения на всички електронни компоненти в индустриалната апаратура.

Захранващият блок изпълнява важните функции да преобразува променливия ток от мрежата в постоянен, да понижи мрежовото напрежение до стойностите за правилно функциониране на апаратурата и да стабилизира напрежението.

Предимства и недостатъци на линейни и импулсни захранвания

Доскоро широко употребяван тип захранвания бяха линейните. За да се понижи променливият ток до необходимата стойност, се използва трансформатор, след което посредством схема на Грец променливият ток се преобразува в постоянен. Използват се електролитни кондензатори за изглаждане на пулсациите на диодния мост.

Линейните захранвания имат опростена схема, но страдат от някои съществени недостатъци. Големите размери на използваните кoндeнзaтopи и тpaнcфopмaтopа силно ограничават приложенията и възможностите за оптимизация на конструкцията на захранването. Интегрирането на такива захранвания в съвременните компактни електронни устройства е немислимо.

Друг нeдocтaтък e линeйният cтaбилизaтop нa нaпpeжeниe, кoйтo пpeвpъщa вcичкo нaд peгyлиpyeмия пpaг в тoплинa, т.е. загубите на енергия от линейните захранвания достигат 50%. Това усложнява процеса на разсейване на генерираната топлина и е показател за нисък коефициент на полезно действие.

Импулсните захранвания, от друга страна, намират приложение в индустриалната автоматизация при почти всички съвременни електронни устройства, като това включва технологии за захранване от най-ново поколение, интегрирани в промишленото оборудване. Импулсните захранвания изместват традиционните линейни захранвания от пазара, като в момента те представляват най-популярната и най-голямата група захранвания.

В сравнение с линейните захранвания импулсните имат по-висока ефективност, ниска степен на загряване и висока надеждност. Принципът на действие на импулсните захранвания се основава на широчинно импулсна модулация PWM (Pulse Width Modulation), т.е. изходното напрежение се регулира с помощта на промяна на коефициента на запълване при постоянна, непроменена честота. Коефициентът на полезно действие (КПД) (съотношението на изходната мощност на постоянния ток към входната мощност при променлив ток) на импулсното захранване може да надвишава 90%, докато КПД на линейно в най-добрия случай достига 50%.

Високата честота на импулсните захранвания позволява компонентите да бъдат с малки размери и тегло, което намалява разходите за потребителя. Отличната ефективност и производителност, както и изгодната цена, ги правят предпочитан избор в промишлената автоматизация. Недостатъците на импулсните захранвания са свързани със сложността на структурата им, както и много по-високото ниво на смущения, генерирани от захранването и повишеното ниво на смущения на изхода.

Характеристики на индустриалните захранвания

Индустриалните захранвания са предназначени за експлоатация в тежки условия, тъй като те са устойчиви на високи температури и имат много компактен размер. Съществуват обаче редица други важни параметри, които следва да бъдат взети предвид, когато се оценява качеството и надеждността на импулсните захранвания.

Те включват ефективност, управление на температурата, допустима работна температура, криви на намаляване на входното напрежение спрямо околната температура и т.н.

Управление на температурата

Все повече се усъвършенстват системите за управление на температурата, които позволяват захранването да бъде инсталирано във всяка една посока. В индустриална среда захранването от отворен тип трябва да може да гарантира непрекъсната работа при температура на околната среда не по-ниска от 70°C, като захранването трябва да бъде инсталирано в отворен контур. Решаващ фактор обаче е функцията на температурната крива, която показва максимално допустимата изходна мощност в зависимост от условията на околната среда. Захранващите устройства от по-нисък клас, например, нямат необходимите защитни механизми за автоматично регулиране на изходната мощност в случай на необходимост.

В зависимост от ефективността на захранващото устройство част от доставената към него енергия се губи под формата на топлина. Вътрешната температура на захранването се повишава спрямо външната. Работната температура оказва пряко влияние върху живота и надеждността на устройството. Сложната конструкция и големият брой електронни компоненти в импулсните захранвания, разположени в близост един до друг, създават опасност от прегряване, а твърде високата вътрешна температура може да повреди захранването или да съкрати експлоатационния му живот. Изходната мощност на захранването е в пряка зависимост от температурата. Следователно е важно да се избягва експлоатацията на устройството при работни температури, надвишаващи посочените в техническата документация.

Висококачествените захранвания, работещи при температура 25°C, могат да се нагряват до 50 – 70°C. При околна температура от 50°C могат да се нагряват до 75 – 95°C.

Три основни типа индустриални захранвания

В зависимост от изискванията на приложението и конструкцията на захранването на пазара се предлагат три основни типа индустриални устройства.

Захранванията за DIN шина са предназначени за лесен монтаж в електрически табла. Те се предлагат в широка гама от модели, покриващи голям диапазон на входа и изхода. Размерът на захранващия блок се предвижда спрямо изискванията за производителност. За тази цел размерът на устройството или корпуса се задава в единици (TE) – един TE блок отговаря на 18 мм, а по-мощните модели разполагат с до 4 TE.

Импулсни захранващи устройства със затворена конструкция (поместени в корпус) се предлагат за директен монтаж. Обикновено те демонстрират много добри работни показатели. Причината за това е наличното пространство в корпуса, което може да се оползотвори за компенсиране на голямото количество отпадна топлина.

Много модели от този тип са оборудвани с вградени вентилатори.

Обичайно се предвиждат входове за свързване с кабели с големи напречни сечения, така че затворените импулсни захранващи блокове да бъдат напълно пригодени дори за най-взискателните приложения чрез оптимизирани възможности за зареждане и разреждане. Компактността и ефективността на разходите са изключително важни характеристики при импулсните захранващи устройства.

Импулсните захранвания от отворен тип са едно особено рентабилно решение. При тях всички компоненти са разположени на компактна платка, която поради малкия си размер може лесно да се монтира в устройство със съществуващ корпус. Захранванията с отворен корпус са изключително подходящи за гъвкава инсталация, което ги прави идеални за embedded приложения в малки устройства.

Важни съображения при избора на захранванията

Една от най-важните характеристики е номиналната мощност на захранването. Това е мощността, която може да бъде осигурена при режим на непрекъсната ефективна работа. От нивото на ефективност на захранването зависят топлинните загуби. Високата ефективност намалява оперативните разходи в дългосрочен план.

В индустриална среда захранванията обикновено работят при непрекъснат режим. Следователно разработените с такова предназначение захранващи устройства са с оптимизирани параметри за постигане на изключително висока степен на ефективност, достигаща до 93%.

Освен с високия коефициент на полезно действие импулсните захранвания се характеризират с достъпна цена, ниски оперативни разходи и дълъг експлоатационен живот. Високата ефективност води до ниско ниво на разсейване на мощността, което от своя страна е предпоставка за по-малко генериране на топлина. Това намалява натоварването на компонентите, което увеличава експлоатационния живот и надеждността и понижава общите разходи. Малките размери, от друга страна, спомагат за постигане на висока плътност на мощността.

Необходимо е захранването да отговаря на приложимите стандарти за безопасност и да е снабдено със задължителните защити срещу късо съединение, претоварване, пренапрежение и прегряване. Също така то следва да удовлетворява изискванията за електромагнитна съвместимост съгласно действащите директиви в областта.

Доброто температурно поведение е ключов фактор, който не бива да бъде пренебрегван особено при приложения в среда на прекомерно висока или ниска температура (приблизително -20°C до +80°C). От съществена важност особено при мобилните приложения е ниското тегло на устройството, което може да се окаже решаващо за избора, когато останалите показатели са близки. Гъвкавостта на монтажната позиция е друга важна характеристика на захранващия блок. Тя дава представа за допустимите възможности за разполагане на блока така, че да се постигне надеждно разсейване на топлината.

Основна задача на захранването е да осигури подаване на изходно напрежение към товара, което да е с постоянна стойност и не се изменя с промяната на тока на натоварването. Понякога обаче възникват резки промени в натоварването. Изменението в натоварването може да доведе до смущения и колебания на изходното напрежение, които могат да се отразят на устройствата, свързани със захранването. При всички захранвания върху изходното постоянно напрежение се наслагват шумове, пулсации и смущения. Изходното напрежение на захранването се налага да бъде стабилизирано, когато има промени в натоварването на захранването. Тези смущения в някои случаи могат да достигнат много големи амплитуди. Високата стойност на пулсациите на изходното напрежение може да причини проблеми в захранваното устройство, като например смущения в изображението на системи за видеонаблюдение или рестартиране на електронни устройства.

Захранващият блок е снабден с EMI филтър (Electromagnetic Interference) на входа, който служи за потискане на двата типа електромагнитни смущения – диференциални, протичащи в една посока по активен проводник и в обратна през масата, и синфазни, които се разпространяват едновременно в една посока по два проводника.

Диференциалните смущения се потискат от кондензатори, включени паралелно на товара. Филтърът на синфазни смущения функционира чрез кондензатори, които в общата си точка свързват захранващата линия със земя и синфазен дросел, където токът протича в двете намотки, в едно направление, което създава съпротивление за синфазните смущения.

При избора на импулсно захранване е важно да се вземе предвид наличието и вида система за защита на изхода от късо съединение и претоварване. Тъй като се използват различни начини на защита, е необходимо да се избере подходящо захранване спрямо вида на товара. Натоварвания с нелинейни характеристики, като двигатели, електрически крушки, натоварвания с висок капацитет и индуктивност могат да се нуждаят от голям токов импулс на старта, който значително надвишава максимално допустимия ток на захранването. Това може да доведе до задействане на защитите и да възпрепятства включването на захранването.

Високата производителност, надвишаваща 90%, малките размери на компонентите, компактната конструкция на устройството и ниските начални и оперативни разходи са сред предимства на импулсните захранвания, които предприемчивият потребител не би могъл да пренебрегне, ако иска да подобри надеждността на оборудването си и да запази конкурентните си позиции в своя сектор на производство. Същевременно новите поколения решения за захранване обещават да оптимизират параметрите за още по-голяма ефективност. При избора на захранване водещ фактор остава конкретното приложение, спрямо което да се съобразят специфичните технически показатели на устройството.