Introducere

Sursele de curent alternativ la curent continuu pot fi găsite în aplicații în care energia trebuie procesată de la rețeaua de curent alternativ la sarcini care necesită o tensiune sau curent continuu fix sau variabil. În timp ce astfel de echipamente au puține conexiuni de intrare și ieșire, inginerii se luptă frecvent să obțină performanțe fiabile în mediile lor particulare. Problemele dificile pot varia de la calitatea sursei de curent alternativ, constrângerile de răcire, cablarea de control, calitatea aerului sau înțelegerea de către utilizator a produsului de conversie a energiei. Acest articol descrie câteva capcane comune și oferă informații despre cum să obțineți performanțe maxime pentru anumite aplicații.

obținerea

Calitatea liniei de alimentare

Rețea de curent alternativ

Conectarea unei surse de curent alternativ la curent continuu la rețeaua de alimentare este în mod ciudat o sursă obișnuită de probleme. Tensiunile la nivel mondial variază în diferite părți ale cuvântului, variind de la 200 VAC în Japonia la 696 VAC în Olanda. Frecvența de linie variază, de asemenea, între 50 și 60 Hz, dar cu sursele de comutare de astăzi, frecvența are, în general, un efect redus asupra performanței.

În fiecare an, Magna-Power Electronics primește apeluri de asistență, conform cărora alimentarea cu energie a unui client a eșuat din cauza conexiunii la o tensiune de rețea CA greșită. Citirea etichetei de specificații de pe capacul posterior al sursei de alimentare și măsurarea tensiunii aplicate pot preveni defecțiuni catastrofale și costisitoare.

Calitatea energiei sau puritatea tensiunii aplicate sursei de alimentare pot fi sursa unui comportament surprinzător. Sistemele de distribuție a energiei, cu transformatoare asociate și impedanțe de distribuție, pot produce căderi de tensiune sau supratensiuni cu alte sarcini din rețeaua de alimentare; aceste sarcini pot circula curenți armonici și rezonanțe interesante între componentele inductive și capacitive. Sursele de alimentare industriale cu forme de undă cu 6 impulsuri au componente armonice puternice de 5 și 7. Sursele de energie regenerabile cu echipamentele lor de conversie a puterii pot afecta, de asemenea, tensiunea aplicată unei surse de alimentare.

Armonicile, așa cum s-a descris mai sus, și tranzitorii de tensiune pe rețeaua de curent alternativ pot deteriora capătul frontal al circuitelor de conversie a puterii. Tranzitorii de tensiune pot fi suprimați cu varistori sau alte dispozitive de prindere a tensiunii, dar și aceste dispozitive au limitările lor; pot absorbi doar cantități limitate de energie. Armonicele liniilor electrice pot fi mai distructive, deoarece aceste excursii de tensiune au loc pentru perioade mai lungi de timp. Pentru a depăși aceste tipuri de probleme, Magna-Power Electronics folosește componente frontale nominale la 1600V Această tensiune nominală este suficientă pentru a trece de majoritatea condițiilor liniei de alimentare, cu excepția trăsnetelor.

Rotația de fază este relația de fază a tensiunii de linie a unei surse de alimentare trifazate. Deși există standarde, relațiile de fază în instalațiile industriale pot varia. Cu o fază incorectă, motoarele pot funcționa înapoi și sursele de alimentare care utilizează SCR-urile pot da greș. Echipamentele moderne de procesare a puterii SCR ocolesc problemele circuitului de tragere SCR prin detectarea și corectarea variațiilor de rotație a fazei.

Împământare

Probleme de împământare sunt frecvent întâlnite în instalațiile industriale. Împământarea corectă este slab înțeleasă de mulți antreprenori electrici și, în multe cazuri, pot fi găsite frecvent conexiuni de masă necontigue. Scopul principal pentru împământarea sursei de alimentare este siguranța și suprimarea EMI. Împământarea plasează carcasa de protecție la o diferență de tensiune sigură sau aproape de zero față de orice echipament din jur. Intern la sursa de alimentare, o conexiune la masă este utilizată cu filtre EMI pentru a îndepărta componentele de curent de înaltă frecvență de conexiunile de intrare și ieșire și de a rămâne în limitele carcasei sursei de alimentare.

Prin cod electric și din punct de vedere al siguranței, ar trebui să existe o singură conexiune la pământ; legătura la sol trebuie să se facă la intrarea electrică a clădirii, la locul echipamentului de măsurare. În acest moment, solul și neutrul sunt conectate între ele și o tijă de masă este condusă în pământ. Dacă echipamentul instalației este cablat corect, ar trebui să existe doar un curent mic care curge pe calea solului. În caz de trăsnet, întreaga instalație se ridică la același potențial de tensiune, protejând astfel obiectele sau personalul de diferențiale de tensiune periculoase.

Din păcate, nu toate sistemele de alimentare sunt conectate la cod și o problemă comună este că terenurile utilizate pentru computere și echipamente de instrumentare nu sunt la același potențial de tensiune ca și echipamentele de alimentare. În timp ce sursele de alimentare Magna-Power Electronics încearcă să se adapteze la astfel de condiții, uneori o conexiune la pământ slabă între utilizator și echipamentele de alimentare poate provoca un comportament ciudat de alimentare. Cea mai frecventă problemă este pierderea comunicării între sursa de alimentare și echipamentele de calculator. În cele mai multe cazuri, legăturile între echipamentele de interfață cu utilizatorul și sursa de alimentare corectează această problemă.

Unele aplicații necesită conectarea la circuite de monitorizare sau control externe. Multe surse de alimentare, dacă nu chiar majoritatea, au circuite de eroare și feedback referitoare la bornele de ieșire. Fără o izolare adecvată, cum ar fi izolatoarele optice, buclele de masă se pot dezvolta dacă circuitele externe și sarcina sursei de alimentare sunt împământate. Pot apărea erori de control dacă circuitul extern este împământat și sarcina sursei de alimentare este lăsată plutitoare. În acest caz, EMI condus este direcționat către cablurile de împământare ale circuitelor externe.

Magna-Power Electronics a ocolit multe probleme de împământare, plasând tot controlul său la potențial aproape de sol. Referința la masă este stabilită printr-o conexiune a unui rezistor și a unui condensator conectat în paralel. Aceste componente permit protejarea sursei de alimentare și a circuitelor conectate externe împotriva mediilor de împământare deficitare, dar oferă o impedanță adecvată pentru suprimarea EMI.

Chiar și cu un sistem de alimentare corect legat la pământ, problemele se pot dezvolta de la o sursă producătoare de EMI creând un potențial de tensiune în circuitul de împământare. Impedanța circuitului de împământare crește odată cu frecvența, iar sursa EMI, în funcție de locația sa în sistemul de alimentare, poate introduce tensiuni între circuitele externe de monitorizare și control. La fel ca condițiile de împământare precare, legarea echipamentului extern la sursa de alimentare atenuează astfel de probleme de zgomot electric.

Mediu inconjurator

Sursele de alimentare conțin componente producătoare de căldură: transformatoare, inductoare, semiconductoare de putere și altele asemenea. Oricât de eficiente sunt, toate aceste componente necesită răcire. Sursele de alimentare mai mici se bazează uneori pe convecție naturală, dar echipamentele mai mari necesită răcire forțată cu aer sau apă. Unitățile răcite cu apă sunt potrivite în mod ideal pentru aplicații cu o calitate slabă a aerului sau pentru instalații de montare pe rack cu densitate mai mare care nu pot îndeplini cerințele privind fluxul de aer. Problemele de răcire introduse de utilizator reprezintă cauza dominantă a returnărilor de eșec pe câmp la Magna-Power Electronics.

Răcire cu aer

Pentru sursele de alimentare care necesită răcirea forțată a aerului, problemele termice pot rezulta din blocarea orificiilor de ventilație, calitatea slabă a aerului și restricționarea aerului în carcasele dulapului. Blocarea deschiderilor de ventilație poate provoca în mod evident defectarea echipamentului. Plasarea senzorilor termici pe componentele critice poate ajuta la detectarea acestui abuz, dar există o limită a ceea ce este practic posibil. Evitarea blocajelor de ventilație a carcasei asigură durata de viață a echipamentului, așa cum a anticipat producătorul.

Plasarea unei surse de alimentare într-un echipament al carcasei poate duce, de asemenea, la probleme termice. Debitul de aer intern la sursa de alimentare necesită același flux de aer în interiorul incintei. Încălzirea automată a incintelor echipamentelor este o problemă obișnuită. Amplasarea deficitară a orificiilor de admisie și evacuare poate provoca reîncălzirea aerului cald și niciodată epuizarea către exterior. O abordare conservatoare a răcirii incintei echipamentului este plasarea orificiilor de admisie în partea inferioară a incintei și plasarea ventilatoarelor, evaluate la aceiași picioare cubice pe minut, în partea superioară a incintei. Pentru a minimiza presiunea ventilatorului și restricția de aer, orificiile de aerisire din partea inferioară a incintei ar trebui să fie egale cu orificiile de aerisire din partea superioară.

Un mediu cu o calitate slabă a aerului găsește, de obicei, drumul spre interiorul carcasei sursei de alimentare. Plăcile de circuite imprimate sunt proiectate să suporte tensiuni uneori în ordinea a câteva mii de volți. Straturile de praf, vopsea și alte particule pot provoca defecțiuni electrice. Plasarea filtrelor de aer în incintă pentru a purifica aerul de intrare poate minimiza această problemă, dar curățarea necorespunzătoare a acestor filtre prezintă o altă problemă. Nu există practic un compromis bun între calitatea slabă a aerului și problemele de filtrare. Cu condiții de mediu extrem de slabe, etanșarea sursei de alimentare și utilizarea răcirii cu apă este cea mai bună alternativă pentru gestionarea căldurii și obținerea unei funcționări fiabile.

Racirea apei

Răcirea cu apă în medii abuzive poate rezolva multe probleme de aplicare. Magna-Power Electronics folosește senzori termici pentru a controla fluxul de apă pentru a preveni condensul în ansamblurile radiatorului. Respectarea specificațiilor producătorului pentru temperatura apei, debitul și presiunea sunt esențiale pentru ca echipamentele răcite cu apă să funcționeze corect.

Ieșirea apei încălzite poate fi răcită cu schimbătoare de căldură, apă-aer sau apă-apă, într-un sistem cu buclă închisă sau dispuse într-un sistem cu buclă deschisă.

Conexiuni utilizator

Conexiuni de control și monitorizare

Multe aplicații necesită echipamente externe pentru monitorizarea și controlul parametrilor de alimentare. Pe lângă asigurarea faptului că conexiunile electrice nu depășesc ratingurile producătorilor, plasarea cablurilor poate fi critică. Tensiunile și curenții, prezenți la bornele de intrare și ieșire ale surselor de curent alternativ la curent continuu, conțin componente de frecvență mai mare sub formă de tranzitori, EMI și armonici. Plasarea cablurilor de control și monitorizare în paralel cu cablurile de alimentare cu energie poate produce rezultate imprevizibile. Se recomandă ca orice cablu de control sau monitorizare să fie direcționat separat, în propria conductă metalică, dacă este posibil.

Conexiuni la distanță

Reglarea tensiunii sau curentului de ieșire depinde de eșantionarea parametrului de ieșire dorit și ajustarea acestuia la o referință comparativă. Ambii parametri de eșantionare de referință și de ieșire pot fi externi la sursa de alimentare. Detectarea de la distanță a tensiunii de ieșire este desfășurată în mod obișnuit pentru a minimiza căderea de tensiune a cablurilor conectate la sarcină. Folosită corect, teledetecția oferă o reglare superioară la punctul de încărcare.

Comutarea conexiunilor de detectare la distanță sau configurarea sursei de alimentare pentru teledetecție și nu conectarea cablurilor de detectare la distanță este o configurație comună, dar aplicată greșit. O sursă de alimentare acționată fără prelevarea unui parametru de ieșire poate fie deteriora componentele de ieșire din sursa de alimentare, fie deteriora sarcina. Fără un parametru de ieșire de controlat, circuitele de feedback conduc tensiunea sau curentul de ieșire la maxim. Ieșirea maximă, nereglementată, poate depăși puterea sigură a componentelor sursei de alimentare.

O metodă obișnuită pentru a aborda această problemă potențială este de a adăuga rezistențe între terminalele de ieșire și terminalele de detectare la distanță. Configurarea unei surse de alimentare pentru teledetecție și eliminarea teledetecției determină creșterea tensiunii de ieșire ușor peste condițiile nominale. Abaterea peste condițiile nominale este o funcție a rezistențelor locale de sens interne ale sursei de alimentare.

Complicații ale teledetecției pot apărea atunci când cablurile de detectare și alimentare la distanță sunt comutate Figura 1 prezintă o aplicație de sistem comună și configurată greșit; bornele de ieșire sunt definite ca VO + și VO-, iar bornele de detectare a tensiunii sunt definite ca VS + și VS-. Această configurație este implementată pentru a comuta puterea, iar sensul de la distanță duce la sarcini diferite utilizând aceeași sursă de alimentare. Circuitele electronice de feedback sunt de obicei mai rapide decât comutarea releelor ​​mecanice și a contactoarelor și în timpul momentului de comutare, sursa de alimentare este acționată fără a detecta ieșirea. O altă problemă cu această configurație este operarea sursei de alimentare cu doar circuitele de sens conectate, releul K2 pornit și releul K1 oprit. Acest lucru va scurta practic conexiunile cablului de sens prin sarcină. Acest lucru face ca rezistențele de protecție, R1 și R2, să fie plasate în serie cu sarcina atunci când sursa de alimentare funcționează la maxim.

Magna-Power Electronics folosește o abordare alternativă pentru protecția de la distanță, dar are și unele dezavantaje. Așa cum se arată în figura 2, tensiunea de detectare la distanță, VSX + minus VSX-, este testată la începutul ciclului de pornire prin comutare electronică internă la sursa de alimentare. Sursa de alimentare utilizează sens local la începutul ciclului de pornire. Apoi este comutat rapid, mai rapid decât răspunsul sistemului de feedback, la terminalele de detectare la distanță pentru a determina dacă cablurile de detectare la distanță sunt conectate la sarcină. Dacă există tensiune prezentă, sursa de alimentare rămâne în configurația sensului la distanță, dacă nu, conexiunea locală a sensului este restabilită. Schema funcționează bine, cu excepția unui utilizator care comută sau elimină conexiunile de detectare la distanță după ciclul de pornire.

Condiții de încărcare abuzivă

Ieșire curent Ripple

Sursele de curent alternativ la curent continuu au în mod normal condensatori conectați între bornele de ieșire ale sursei de alimentare. Acești condensatori oferă o cale de șunt pentru reducerea curenților de curent alternativ nedorite produse în timpul procesului de conversie a energiei. Acești condensatori au o rezistență internă în serie și, atunci când sunt supuși curenților de curent alternativ, produc pierderi de energie rezultând căldură.

Menținerea curenților condensatorului în limite tolerabile poate deveni o problemă, dacă curenții de curent alternativ din sarcină se adaugă la cei generați de sursa de alimentare. Astfel de condiții pot fi create cu o sarcină de tip comutare, cum ar fi un convertor Buck, conectat la bornele de ieșire ale sursei de alimentare. Așa cum se arată în figura 3, sursa de alimentare va scufunda un curent de sarcină AC component în funcție de raportul dintre rezistența serie internă, R1 și R2, a condensatorului C1 și C2.

Funcționarea repetitivă a scurtcircuitului

La fel ca ondularea excesivă a curentului de ieșire, condensatoarele de ieșire, în special tipul electrolitic din aluminiu, pot fi deteriorate prin scurtcircuitarea bornelor de ieșire a sursei de alimentare. Curentul de vârf este limitat doar de rezistența serie internă a condensatoarelor de ieșire plus impedanța cablului de conectare a cablurilor. Energia stocată în condensator este eliberată sub formă de căldură în condensator; scurtcircuitarea repetată a terminalelor de ieșire poate provoca degradări sau eșecuri catastrofale. Condensatoarele de film, cum ar fi cele care folosesc folie de polipropilenă, au factori de disipare mai mici și pot tolera mai mult abuz decât condensatoarele electrice din aluminiu, dar acești condensatori au capacități inferioare pentru o dimensiune dată, ceea ce compromite performanța de filtrare. Compensarea dintre performanța de creștere a ieșirii și funcționarea fiabilă și repetitivă a scurtcircuitului este o constrângere de proiectare.

Tensiune de alimentare înapoi

Sursele de alimentare DC sunt frecvent conectate la sarcini care au propria sursă de energie sau la sarcini care produc tensiuni și curenți care depășesc valorile nominale ale sursei de alimentare. Exemple tipice sunt încărcările bateriilor, motoarele de curent continuu și controlerele motorului; aceste sarcini sunt capabile de flux bidirecțional.

Conectarea unei baterii la bornele de ieșire a sursei de alimentare poate provoca încărcarea rapidă a condensatorilor de ieșire și poate produce curent de ieșire excesiv. Așa cum se arată în figura 4, plasarea unei serii de diode, D1, între ieșirea sursei de alimentare și bateria împiedică alimentarea din nou a tensiunii la bornele de ieșire a sursei de alimentare. Configurarea sursei de alimentare pentru detectarea la distanță a sarcinii elimină decalajul de tensiune al diodei. De asemenea, dioda previne descărcarea bateriei prin sursa de alimentare atunci când sursa de alimentare este oprită. Sursele de curent alternativ la curent continuu au rezistențe de purjare de-a lungul condensatoarelor de ieșire pentru a descărca orice încărcare stocată atunci când sursa de alimentare este oprită.

Motoarele de curent continuu și combinațiile de controlere ale motorului pot alimenta înapoi tensiunile în timp ce încearcă să regenereze energia. Dacă sursa de alimentare nu poate disipa energia, tensiunea sa de ieșire plutește la tensiunea produsă de motor sau controler. Plasarea unei diode, așa cum a fost descris anterior, protejează ieșirea sursei de alimentare de la depășirea tensiunii sale nominale.

Tensiune inversă

Majoritatea surselor de alimentare de la AC la DC utilizează o diodă sau o configurație de circuit redresor sincron în etapa finală de procesare a puterii de ieșire. Aceste componente fixează tensiunea de ieșire la mai mulți volți în sens invers. Încărcarea unei surse de alimentare pentru a produce o tensiune inversă, în general, nu prezintă în prezent probleme de fiabilitate în etapa de ieșire, inclusiv condensatoarele electrolitice din aluminiu, atâta timp cât curenții de ieșire rămân în limita nominală a sursei de alimentare. Aplicarea unei surse de tensiune inversă, cum ar fi o baterie, poate deteriora semiconductorii de putere de ieșire dacă curenții sunt permiși să depășească valorile nominale. Așa cum se arată în figura 5, protecția tensiunii inverse poate fi realizată cu o siguranță conectată în serie, cu acțiune rapidă, siguranță DC, F1 și o diodă, D1, cu o creștere nominală dincolo de i2t a siguranței. Cu această schemă de protecție, o conexiune de tensiune inversă va șterge siguranța prin forțarea curentului prin dioda de protecție.