Мощные модульные выпрямители с процентным резервированием Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Мощные модульные выпрямители

с процентным резервированием

Илья ПЛОТКИН Александр НАГАЙЦЕВ Игорь ТВЕРДОВ, к. т. н.

alecsan@aeip.ru

Модульное построение решает важную проблему создания надежных мощных выпрямителей. На предприятии «Александер Электрик источники электропитания» (АЭИЭП) для таких выпрямителей разработаны модули, в которых реализованы новые разработки в области фильтрации радиопомех и параллельной работы модулей большой мощности [2, 3]. На основе модуля №1200 АЭИЭП выпускает блоки питания DB, VZ и BR мощностью 1 и 2 кВт и выпрямители ВУ мощностью 3, 6, 9, 12 кВт.

В устройствах электронной аппаратуры (ЭА) выпрямительная нагрузка достигает 80% от общего потребления. До недавнего времени для преобразования переменного напряжения в постоянное (преобразователи AC/DC) использовались громоздкие выпрямительные устройства (ВУ) с большими потерями, которые на стационарных объектах устанавливались в специальных залах с мощной системой принудительного отвода тепла, а на подвижных объектах их старались разместить вне операторного отсека или выделить в невозимый комплект.

В 70-е годы прошлого столетия высокочастотные импульсные ВУ с бестрансформатор-ным входом (БТВ) заменили трансформаторные, что позволило уменьшить массу и объем в 3-5 раз, а КПД увеличить с 65-70% до 85-90%.

В то же время обострилась проблема обеспечения надежности мощных ВУ с БТВ. Из-за сложности схемотехнических решений и большого количества мощных дискретных элементов, не поддающихся интеграции, надежность оказалась недостаточной для современной ЭА.

Анализ преобразователей класса AC/DC предприятия АЭИЭП [1], имеющих одинаковую структуру и выполненных на элементной базе примерно одной степени интеграции, показывает, что время наработки на отказ уменьшается при увеличении мощности (рис. 1). Значения наработки на отказ Т0 при-

ведены для температуры корпуса преобразователей 70 °С. Как видно из графика, уже при мощности 1 кВт значение Т0 не превышает 50 тыс. часов. В современной ЭА на микросхемах значение Т0 составляет десятки тысяч часов. Чтобы сохранить установившееся процентное соотношение (20%) для отказов блоков питания, ВУ должны иметь значение Т0, как минимум, 100-200 тыс. часов.

Одним из перспективных путей создания мощного ВУ, удовлетворяющего требованиям со стороны ЭА, является модульное построение подсистемы питания. Для получения необходимой надежности ВУ, рассчитанное на некоторую мощность Рн, строится из п параллельно включенных основных модулей, мощностью Рн/п и в него вводятся к резервных. Деление модулей на основные и резервные в таком ВУ является достаточно условным, так как все модули находятся в одинаково нагруженном режиме. При отказе одного из модулей выходная мощность не изменяется, так как оставшиеся работоспособными модули пропорционально увеличивают выходную мощность. При процентном резервировании обязательно включение диодов на выходе каждого модуля, которые защищают нагрузку от короткого замыкания по выходу отказавшего модуля, а также непрерывный и достоверный контроль работоспособности модулей. Неработоспособный модуль может быть заменен из ЗИПа сразу после возникновения отказа без выключения ВУ, что позволяет реализовать устройство с высокой надежностью.

При рассмотренных условиях значение Т0ВУ определяется выражением [4]:

^ОВУ ^0

т;П(1нл

(1)

Рис. 1. График зависимости времени наработки на отказ от выходной мощности преобразователя

где Т0 — наработка на отказ модуля; т3 — время замены модуля, мин; п — минимальное количество модулей; п = Рн/Рм; РнВУ и Рм — номинальная выходная мощность ВУ и модуля.

Из формулы (1) следует, что каждый дополнительный модуль увеличивает значение Т0ВУ примерно в Т/тв (п+к) раз. По экономическим причинам (стоимость ВУ возрастает при увеличении количества модулей) п обычно выбирается от 3 до 5. Если принять п = 5, т3 = 30 мин, Т0 = 50х103, то уже при одном дополнительном модуле значение Т0ВУ возрастает на несколько порядков. Поэтому все известные модульные ВУ построены по принципу п+1.

Как уже отмечалось, формула (1) применима для ВУ, в котором контроль работоспособности каждого модуля является полным и достоверным. При отсутствии контроля увеличение Т0ВУ, построенного по принципу п+1, не превышает двух раз. Реально же своевременная замена отказавшего модуля достигается, если имеется местная индикация о наличии напряжения на выходе модуля и дистанционная сигнализация оператору об отказе.

Для создания мощных (до 12 кВт) модульных ВУ на предприятии АЭИЭП разработаны модули серии «Кедр» [1], основные параметры которых представлены в таблице 1.

Модули базируются на полумостовом преобразователе, работающем на частотах порядка

Таблица 1. Основные параметры модулей серии «Кедр»

Наименование Мощность, Вт Uex, В ^ых, В I А 'вых.макс» Кол-во вых. каналов Габаритные размеры, мм Масса, кг

KD900A-CN1 900 ~115; ~220 ~380 24; 27; 48; 60 (24-60) 42 1, 2 280x170x58 3

KD1200A-CL 1200

1 — буквы С1_ в конце обозначения указывают на рабочий температурный диапазон —10...+70 °С, буквы CN указывают на температурный диапазон —40...+70 °С

Таблица 2. Технические характеристики модулей питания «Кедр»

Параметры Условия измерения Мин. Тип. Макс. Единицы измерения

Общие характеристики

Частота преобразования ивх.ном, 1вых.ном 75 кГц

Прочность изоляции Вход/выход, вход/корпус перемен. ток 50 Гц, ампл. Выход/корпус перемен. ток 50 Гц, ампл. 1500 500 500 В В В

Сопротивление изоляции Вход/выход, вход/корпус, выход/корпус 500 В пост. тока 20 МОм

Температура корпуса модуля ивхном, 1выхном - а - СМ -10 -40 +70 +70 °С °С

Повышенная влажность Токр = 25 "С 93-95 %

Наработка на отказ Тк°рп= 70°С --СМ 50 100 тыс.час

Охлаждение естественная конвекция или вентилятор

Материал корпуса металл

Входные характеристики

Диапазон входного напряжения Ткорп.мин-”Ткорп.макс’ при Ьых.ном ~80 ~187 ~115 ~220 ~138 ~242 В В

Частота питающей сети (AC/DC) U„, 1вых.ном 45 440 Гц

Выходные характеристики

Нестабильность выходного напряжения |вых.мин-|вых.ном, ивх.мин”-ивх.макс ±3 %

Минимальная нагрузка иех.мин-и„с для одноканального модуля 10 %

Суммарная нестабильность выходного напряжения 1вых.мин-1вых.ном» ивх.мин-ивх.мЭкс-Ткорп.мин-Ткорп.макс для одноканального, 1-го канала ±3 %

Размах пульсаций (пик-пик) 1вых.мин-1вых.ном, Цв,мин-и«, Ткорп.мин-Ткорп.макс %

КПД Увх.ном, 1вых.ном 85 %

Сервисные функции и защиты

Параллельная работа Для параллельной работы нескольких модулей на общую нагрузку выводы «Пар.» модулей должны быть соединены в одной точке.

Дистанционное включение-выключение Дистанционное включение модулей должно производиться снятием с выводов «УПР» напряжения 3,5—4,5 В от независимого источника. Ток потребления от источника - не более 40 мА.

Индикация Непрерывное горение красного светодиода указывает наличие напряжения на выходе. При срабатывании защит светодиод мигает.

Регулировка выходного напряжения В пределах ±10% от ^ыхном Осуществляется подсоединением внешних резисторов между выводами Рег. и +ВЫХ1, Рег. и -ВЫХ1.

Выход питания вентилятора 12 В 200 мА

Тепловая защита Срабатывает при температуре корпуса 85 °С, модуль восстанавливает свою работоспособность при снижении температуры на корпусе.

Защита от превышения выходного напряжения Срабатывает при увеличении выходного напряжения выше 1,15хивЬ1Хном Предназначена для защиты оборудования в случае обрыва обратной связи в модуле питания.

Защита от перегрузки по току Начинает срабатывать при 1,0-1,35х1выХ ном

Защита от короткого замыкания Длительная, модуль восстанавливает свою работоспособность при устранении КЗ.

50-75 кГц с ШИМ-стабилизацией выходного напряжения, они имеют полный комплект защит — от перегрузки, короткого замыкания, перегрева, превышения выходного напряжения (все защиты самовосстанавливаю-щиеся). Кроме того, они снабжены функцией дистанционного включения-выключения, имеют возможность параллельного соединения, компенсацию выходного напряжения в зависимости от нагрузки (выносную ОС), регулировку выходного напряжения, дополнительный выход питания вентилятора охлаждения (табл. 2).

Конструкция модулей представляет собой разборный металлический корпус, внутри которого размещена печатная плата с элементами поверхностного монтажа. В аппаратуре модули могут устанавливаться на радиатор охлаждения или другую теплоотводящую поверхность. В корпусе для крепления предусмотрены резьбовые втулки.

Габаритные чертежи и таблица выводов модуля ГО1200 изображены на рис. 3.

Как видно из таблицы 2, типовой КПД модулей питания серии «Кедр» составляет 85%. Зависимость изменения коэффициента полезного действия от нагрузки показана на рис. 4. Максимальный КПД модуля достигается на нагрузках (0,7^0,8)х1ном, поэтому рекомендуемый коэффициент загрузки составляет 0,7.

При разработке модуля основное внимание уделялось вопросам подавления радиопомех и обеспечения параллельной работы.

На структурной схеме (рис. 5) выделены специально разработанные фильтры подав-

Рис. 4. График зависимости КПД модуля питания серии «Кедр» от нагрузки

280

@ @ DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD < DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDХ2 DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD * DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD і DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDхз DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDD 4 Х1DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDX4 DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDX5 DDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDDX6 @ @

<£)

у

"л

264±0,1

М4-6Н 7 отв.

Рис. 3. Габаритные чертежи модуля питания серии «Кедр»

ления радиопомех и устройства, отвечающие за параллельную работу модуля, предназначенного для мощных выпрямителей.

Модуль ГО1200, имея высокие энергетические и массогабаритные показатели, одновременно является мощным генератором радиопомех, который заметно ухудшает электромагнитную обстановку. Чтобы уменьшить помехи, для модуля разработаны фильтры радиопомех (ФРП). Особенное внимание уделялось сетевому ФРП, т. к. помехи по входу модуля значительно превышали допустимые, определяемые нормами по ГОСТ В 25803-91.

В ГО1200А встроен высокоэффективный ФРП, разработанный для модуля защиты и фильтрации МРР3-С7,5АМУ [2]. В ФРП использованы новые материалы и элементная база, что позволило повысить коэффициент подавления радиопомех и уменьшить габариты. Разработка выполнена совместно с сотрудниками одной из первых в России испытательных лабораторий технических средств по параметрам электромагнитной совместимости (ЭМС) 16 ЦНИИИ МО РФ.

ФРП состоит из двух Г-образных LC звеньев, в которых одно звено подавляет помехи по симметричному пути, другое — по несимметричному. Фильтр по такой схеме длительное время используется в технике специальной связи (более 20 лет) для подавления помех в сетях переменного тока и при заданном коэффициенте подавления радиопомех обеспечивает минимальные токи утечки на корпусе.

Модули питания ГО1200А были проверены в испытательной лаборатории технических средств по параметрам ЭМС. Измеренный уровень помех на входе модуля питания с ФРП показан на рис. 6, кривая 2. Помехи на входе модуля питания не превышают значений, определяемых графиком 2 (рис. 6, кривая 1).

Для защиты модуля от выбросов напряжения в сетевых проводах на входе установлен варистор R1 (рис. 5), ограничивающий напряжение до уровня 420 В. В соответствии с ГОСТ В24425-90, это напряжение было измерено при воздействии импульса амплиту-

о-1------—....................—....................—.............

0,1 1 10 100 Частота, МГц

Рис. 6. Графики напряжения радиопомех:

1 — кривая «2» Норм по ГОСТ В 25803-91,

2 — уровень помех на входе модуля питания серии «Кедр»

дой 1000 В длительностью 10 мкс, при этом внутреннее сопротивление генерирующего импульсы источника составляет 50 Ом.

С целью обеспечения параллельной работы использовано схемотехническое решение, обеспечивающее принудительное равномерное распределение тока нагрузки между мо-

Рис. 7. Мощные блоки питания серий «Вяз» VZ, «Дубровник» DB, «Береза» BR

дулями [3], которое хорошо себя зарекомендовало при выравнивании токов модулей мощностью десятки ватт.

Испытания показали, что модули серии «Кедр» допускают параллельное соединение по выходу (до 12 модулей) при работе на общую нагрузку и обеспечивают наращивание мощности вплоть до 12 кВт.

Телеметрия

1 модуль

2 модуль

3 модуль

Сеть

Сеть

«:

<4

<4

<4

±

БВКК

О 1

О 2

О 3

СЕТЬ

О

Л

«г

(г

К01200

Я1*

-сен

й»-

выход

Рис. 8. Структурная схема модульного выпрямителя ВУ-3000

На основе модуля ГО1200 предприятие выпускает мощные блоки электропитания VZ, DB мощностью 1200 Вт и BR мощностью 2000 Вт со встроенными вентиляторами. В источники по требованию заказчика устанавливаются корректор коэффициента мощности, обеспечивающий коэффициент мощности 0,96. Конструктивно блоки VZ (габариты 410x225x200 мм) и BR (382x230x210 мм) выполнены в металлическом корпусе с резьбовыми опорами для установки в аппаратуру. Входное напряжение подается через сетевой шнур, выходные напряжения и команды дистанционного включения выведены на клеммную колодку. На передней панели установлены контакторы включения, светодиод «Работа», потенциометр регулирования выходного напряжения.

В состав модульного выпрямителя ВУ-3000, который имеет резервирующую мощность 2000 Вт, полную — 3000 Вт, входят (рис. 8):

• 3 блока питания на основе модуля ГО1200;

• блок включения, коррекции и контроля.

Конструкция выпрямителя (размеры

412x300x238 мм) мощностью 3 кВт представляет собой полку, в которую вставляются три блока питания и блок включения, коррекции коэффициента мощности и индикации. Конструкция обеспечивает установку ВУ на горизонтальную поверхность (пол, стол) через амортизаторы, на стену с помощью кронштейнов, в 19-дюймовую стойку на уголках. В стой-

Таблица 3. Эксплуатационные характеристики ВУ-3000

Наименование параметра Значение параметра

Диапазон рабочей температуры окружающей среды, °С -10-50

Допустимая относительная влажность окружающей среды при температуре 25 °С, % 98

Остальные климатические и механические характеристики по ГОСТ В 20.39.304-98 Группа 1.1, 1.3 УХЛ

Степень защиты по ГОСТ 14254-80 ІР30

Класс защиты по ГОСТ 12.2.007.0-75 (электробезопасность) I

Время наработки на отказ, час полная мощность резервируемая 25х103 15х 106

Срок службы ВУ, не менее, лет 10

ку могут быть установлены до 4 ВУ-3000, которые обеспечат полную выходную мощность 12 кВт, резервируемую — 11 кВт.

Основные эксплуатационные характеристики модульного выпрямителя приведены в таблице 3.

Для особо жестких и специальных применений выпускаются блоки на основе модулей в цельнометаллических корпусах с заливкой полимерным теплоотводящим компаундом. Название модулей в данном исполнении — МАА900-СКН. Модули рассчитаны на температурный диапазон -40...+85 °С. Поставка опытных образцов с приемкой «5» модулей МАА900-СКН ведется по техническим условиям БКЮС.436610.007

Рис. 9. Внешний вид модульного выпрямителя ВУ-3000

Литература

1. Каталог продукции «Александер Электрик источники электропитания» на диске, осень 2005.

2. Твердов И. В., Мартиросов А. Г., Затулов С. Л. Модернизация сетевых фильтров радиопомех на предприятии «Александер Электрик источники электропитания». // Электронные компоненты. 2005. № 8.

3. Твердов И. В., Нагайцев А. Н., Сагайдаков Н. И. Параллельное включение модулей питания предприятия «Александер Электрик источники электропитания». // Электронные компоненты. 2005. № 9.

4. Колосов В. А. Электропитание стационарной РЭА. М.: Радио и связь. 1992.