Силовая электроника №4'2009

Сокращение затрат за счет применения источников питания с нормированным значением пиковой мощности

Мэл Берман

Перевод: Виктор Жданкин

Применение источников питания с нормированным значением пиковой мощности позволяет значительно снизить стоимость системы электропитания. В статье на конкретном примере приведена оценка оптимального режима работы источника питания при пиковых нагрузках для разных значений рабочего цикла и пиковой мощности.

Обычно выбор источников питания основывается на ожидаемой максимальной суммарной мощности системы, величина которой выражается в ваттах. Можно обеспечить значительное снижение затрат за счет использования в некоторых приложениях источников питания с нормированным пиковым током или пиковой мощностью. Например, если нагрузкой источника питания являются электромоторы, драйверы дисководов, электронасосы, вентиляторы, соленоиды или другие компоненты, которые требуют пусковой ток, значительно больший по величине, чем в стационарном режиме, необходимо обратить внимание на источники питания с нормированной пиковой мощностью. Для электромоторов, включая электромоторы в приводах дисководов, может требоваться пиковый пусковой ток, который в 2-3 раза выше номинального рабочего тока.

Интервал времени пикового пускового тока может составлять от 200 мс до нескольких секунд. Следовательно, для системного источника питания с кратковременным пиковым током должен быть найден рентабельный вариант, который способен выдерживать пиковый ток и, кроме того, обеспечивать нормальную (непиковую) рабочую мощностьности могут превышать нормальные значения токов в нагрузке в течение коротких заданных временных интервалов без перехода в режим перегрузки по току. Например, некоторые источники могут обеспечивать пиковый ток или мощность, которая в два-три раза превышает их нормальные выходные показатели. На рис. 1 показан внешний вид источников питания серии HWS-P (компания TDK-Lambda) с номинальной выходной мощностью 300 и 600 Вт, способных выдавать в нагрузку пиковую мощность до 1008 Вт (в течение 5 с — модель на 300 Вт) и 1998 Вт (в течение 5 с — модель на 600 Вт). Для этих источников питания нормированы пиковые характеристики в течение ограниченного промежутка времени и максимального рабочего цикла. Подробные технические характеристики источников питания серии HWS-P представлены в таблице 1.

Таблица 1. Технические характеристики источников питания AC/DC серий HWS300P и HWS600P

Наименование изделия

HWS300P

HWS600P

Номинальное выходное напряжение, В

24

36

48

24

36

48

Среднее значение выходного тока, А

12,5

8,4

6,3

25

16,7

12,5

Пиковый выходной ток в течение 5 с при входном напряжении 200 В, А

42

28

21

83

55,5

41,5

Средняя выходная мощность, Вт

300

302,4

302,4

600

601,2

600

Пиковая выходная мощность в течение 5 с при входном напряжении 200 В, Вт

1008

1992

1998

1992

Диапазон входного напряжения, В

85-265 (частота сети 47-63 Гц)

Диапазон рабочих температур, °С

-10...+70 (-10...+50 — 100% мощности, +70 — 50% мощности)

Защитные функции

Задержка отключения, защита от перегрева, перенапряжения, перегрузки по току

Отвод тепла

Принудительный обдув воздушным потоком встроенного вентилятора (бесшумная работа обеспечивается схемой регулировки скорости вентилятора)

ЭМС

VCCI Class-B, EN55011/55022 Class-B, FCC Class-B

Стандарты электробезопасности

UL60950-1, EN60950-1, CSA60950-1 (C-UL), EN50178 (OVII); соответствует DENAN (только при входном напряжении 100 В)

Габаритные размеры, мм

61×82×165

100×82×165

Вес, г

1000

1600

Пиковая мощность и показатели максимального рабочего цикла

На рис. 2 показаны графики зависимости выходной пиковой мощности от максимального рабочего цикла для типового источника с нормированной пиковой выходной мощностью: выходное напряжение 48 В и средняя выходная мощность 600 Вт.

Рабочий цикл при пиковой мощности определяется как процент от общего рабочего времени.

Сплошная линия на рис. 2 показывает, что при входном напряжении 220 В (переменный ток), если необходимо обеспечить 1800 Вт пиковой мощности этого источника (что в три раза больше номинальной мощности), мы будем ограничены немногим более чем 10% рабочего цикла.

Из спецификации источника известно, что он имеет максимальную длительность импульса пиковой мощности 5 секунд. При использовании источников питания с высоким значением пиковой мощности необходимо эксплуатировать источник с мощностью ниже его длительной выходной номинальной мощности, перед тем как будет выдан в нагрузку следующий импульс пиковой мощности. Такой режим необходим, чтобы избежать превышения номинального значения средней мощности, которая в этом случае составляет 600 Вт.

На участке кривой, выделенном сплошной линией, можно видеть, что если системе требуется 35% рабочего цикла пиковой мощности, максимальная выходная мощность должна быть ниже 1300 Вт, что более чем в два раза превышает значение номинальной мощности. Во многих применениях для этого типа источника питания несложно оставаться в пределах ограничений пиковой мощности, а полученное в результате снижение затрат может быть значительным.

Анализ пиковой, непиковой и средней мощности

При использовании источника питания с нормированным значением пиковой мощности необходимо не превышать нормированное значение средней выходной мощности. На рис. 3 показана типичная форма импульсного колебания пиковой выходной мощности. Для определения доступной непиковой мощности при управлении пиковыми нагрузками от источника с нормированным значением выходной мощности можно применить следующую формулу [1]:

α=[(Wmax×T)-(Wp×t)]/(T-t),   (1)

где α — доступная непиковая мощность (Вт); Wmax — максимальное значение средней выходной мощности (в данном случае 600 Вт согласно спецификации); Wp — пиковая мощность (1800 Вт согласно спецификации); T — общий период времени (50 с); t — длительность импульса в течение пиковой мощности (максимум 5 с согласно спецификации).

Рабочий цикл — длительность импульса пиковой выходной мощности в течение каждого периода (10%, как следует из рис. 2).

Необходимо отметить, что для вычисления значения T (с) известно максимальное значение длительности пиковой мощности— 5 с. В этом примере рабочий цикл составляет 10% общего периода. Значит,

T×0,1=5; T=0,5/0,1=50.

Используя формулу (1), можно вычислить α:

α=[(Wmax×T)-(Wp×t)]/(T-t)=[(600×50)-(1800×5)]/(50-5)=(30000-9000)/45=466,66.

Следовательно, величина 466 Вт является максимально доступной выходной мощностью. Такое значение может быть обеспечено в нагрузке за период работы в непиковом режиме, длительность которого в этом случае составляет 45 с. Так как в этом примере выходное напряжение источника питания — 48 В, выходной ток в непиковый промежуток времени составит 9,7 А в течение 45 с (466/48 = 9,7 A), значение тока при пиковой нагрузке будет 37,5 А при длительности импульса 5 с (1800/48 = 37,5 A),

Если мы должны были сократить длительность пиковой мощности, величину требуемой пиковой мощности или рабочий цикл пиковой мощности, это позволило бы обеспечить большую мощность, доступную в течение непикового периода. В таблице 2 представлены примеры различных сочетаний длительностей работы в пиковом и непиковом режимах и условий рабочих циклов для 600-Вт источника питания с выходным напряжением 48 В серии HWS600P-48 производства компании TDK-Lambda.

Таблица 2.Источник питания HWS600P-48 с нормированным значением выходной мощности.
Примеры эксплуатационных параметров: вход 220 В, выход 48 В, средняя выходная мощность Wavg = 600 Вт

Пиковая мощность Wp, Вт

Время пиковой мощности t, c

Пиковый рабочий цикл, %

Непиковая мощность a, Вт

Временной промежуток непиковой нагрузки T-t, с

Общий период T, c

1000

5

10

522

45

50

1300

5

35

224

9,3

14,3

1800

1

5

537

19

20

1800

5

10

466

45

50

2000

1

5

526

19

20

2000

0,2

1

598

119,8

120

Необходимо обратить внимание, что в отдельных случаях необходимы разные параметры для пиковой мощности (Wp), пикового рабочего цикла и пикового периода (t = 5 с или меньше). Тогда непиковая мощность (α) изменяется соответственно. До тех пор, пока мы остаемся в пределах заданных ограничений, мы можем получить много разных сценариев получения пиковых и непиковых мощностей, а также длительности рабочих циклов для различных применений. Цифры, выделенные голубым цветом в таблице 2, относятся к параметрам из примера, описанного ранее в предыдущем разделе.

Снижение себестоимости и другие преимущества

В предыдущих примерах было показано, что при использовании 600-Вт источника питания с высоким значением пиковой мощности можно в течение короткого времени поддержать максимальную нагрузку до 2000 Вт, что в три раза превышает значение номинальной мощности. Очевидно, что стоимость 600-Вт источника значительно ниже по сравнению с источником питания с нормированной номинальной мощностью 1800 или 2000 Вт.

При закупках больших партий снижение себестоимости может составить до 75% и более [2]. Возможны дополнительные преимущества, так как 600-Вт источник питания значительно меньше и легче, чем 1800-Вт источник: 1,4/2,9 дм³ и 1,6/3,8 кг соответственно. К тому же 600-Вт источник питания в большей степени отвечает требованиям стандартов по защите окружающей среды.

Литература

  1. HWS300P-600P Series Instruction Manual (DWG NO. A237-04-01). Tokyo: Densei- Lambda, 2008.

  2. Berman M. Save Costs with Peak-Rated Power Supplies // Electronic Design. 24 March, 2009.

*  *  *

Другие статьи по этой теме


Скачать статью в формате PDF

Скачать статью в формате PDF 2009_4_58.pdf  

 
ПОДПИСКА НА НОВОСТИ

Оцените, пожалуйста, удобство и практичность (usability) сайта:
Хорошо
Нормально
Плохо