導軌式開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)和冗余技術(shù)在實(shí)踐中的應用

隨著(zhù)工業(yè)控制系統的不斷大型化、復雜化及綜合化，對于控制系統的能源的提供者—工業(yè)導軌式開(kāi)關(guān)電源的要求也越來(lái)越高了，其集中體現在如何提供大功率的開(kāi)關(guān)電源和如何提高導軌式開(kāi)關(guān)電源的使用的可靠性，為了達到這個(gè)目的，導軌式開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)技術(shù)和冗余功能得到了很大的發(fā)展。市場(chǎng)上也出現了不少具有并聯(lián)和冗余功能的導軌式開(kāi)關(guān)電源。但是在生產(chǎn)實(shí)踐中如何正確地使用和選擇導軌式開(kāi)關(guān)電源來(lái)實(shí)現并聯(lián)和冗余的功能，仍存在不少問(wèn)題。比如說(shuō)：如何能實(shí)現100%的冗余功能，不同功率的電源在并聯(lián)時(shí)會(huì )產(chǎn)生什么樣的問(wèn)題，電源內部的調節性能對并聯(lián)運行的電源產(chǎn)生的影響，并聯(lián)電源安裝位置及排列對電源使用壽命的影響，以及采用不同電源啟動(dòng)時(shí)間對并聯(lián)運行可能帶來(lái)的后果等。本文將對實(shí)踐中使用導軌式開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)和冗余技術(shù)的問(wèn)題作些探討。

1 輸出電壓連接方法對并聯(lián)運行電源的影響

由于在電源設計中，輸出接線(xiàn)端子一般都按單個(gè)電源的最大容量來(lái)計算和選定的，因此電源并聯(lián)運行時(shí)，各電源的輸出端電壓不能直接地連接，這樣連接的終端會(huì )出現過(guò)載現象。PULS電源采用了二個(gè)輸出端子，如圖1所示。從電源單元到負載的連接線(xiàn)應使用相同長(cháng)度和橫截面的導線(xiàn)。同時(shí)輸出電壓必須連接在一個(gè)公共的接線(xiàn)端上。這樣保證每個(gè)電源不會(huì )在傳輸導線(xiàn)上產(chǎn)生不同的電壓降，避免輸出回路電流的產(chǎn)生。采用被動(dòng)式均流技術(shù)的并聯(lián)運行時(shí)各個(gè)并聯(lián)電源的輸出電壓值必須完全一致，為了達到這個(gè)目的，許多可并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電源輸出電壓是可調的，如PULS電源的輸出為24～28V可調。這樣在所有并聯(lián)的電源接上負載以前，各個(gè)開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓就可調整到一致的電壓值。

2 不同的開(kāi)關(guān)電源啟動(dòng)特性對并聯(lián)運行電源的影響

不同的電源的啟動(dòng)特性對電源并聯(lián)運行的正常與否將會(huì )產(chǎn)生很大的影響，由于開(kāi)關(guān)電源在上電后大約需要0.3～1.5s的時(shí)間才能使輸出電壓穩定。而采用啟動(dòng)時(shí)間的差別較大的開(kāi)關(guān)電源時(shí)，往往會(huì )給并聯(lián)運行電路的正常啟動(dòng)帶來(lái)很大的麻煩。如果兩個(gè)開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)工作，其中一個(gè)電源啟動(dòng)時(shí)間比較短，只需0.3s，其電壓很快就穩定下來(lái)，馬上承擔負載的電流;而在第一電源輸出電壓已穩定的情況下另一個(gè)并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源仍處于啟動(dòng)狀態(tài)，不能正常工作，這時(shí)第一個(gè)電源必須承擔全部的負載電流，從而進(jìn)入過(guò)負載狀態(tài)，電源安全裝置起作用，關(guān)斷輸出電壓;恰在此時(shí)，另一個(gè)開(kāi)關(guān)電源進(jìn)入穩定狀態(tài)，輸出電壓承受負載電流，此時(shí)第一個(gè)電源因為輸出電壓已關(guān)斷，第二個(gè)開(kāi)關(guān)電源必須承受所有的負載，則又進(jìn)入過(guò)負載狀態(tài)，引起第二個(gè)開(kāi)關(guān)電源關(guān)斷。在電路設計時(shí)如果沒(méi)有充分考慮到保險措施的話(huà)，往往會(huì )將電源燒壞或者常常要啟動(dòng)多次才會(huì )進(jìn)行正常工作的狀態(tài)。因此電源在并聯(lián)工作時(shí)必須考慮到開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)時(shí)間。一般的經(jīng)驗是開(kāi)關(guān)電源的啟動(dòng)時(shí)間必須小于20%的電源過(guò)負載的時(shí)間，這樣才能保證在并聯(lián)運行時(shí)可靠啟動(dòng)，同時(shí)建議可并聯(lián)的開(kāi)關(guān)電源不要采用Hiccup輸出負載特性，這樣會(huì )給電源的診斷帶來(lái)困難。德國PULS電源集團公司(以下簡(jiǎn)稱(chēng)PULS公司)的新一代產(chǎn)品DIMENSION充分考慮了電源并聯(lián)工作時(shí)特點(diǎn)，加大了電源的過(guò)負載能力，其POWER OVERLOAD具有可維持4秒鐘的150%過(guò)負載能力。這樣，PULS電源并聯(lián)工作是就不必考慮電源的啟動(dòng)時(shí)間的影響，大大方便了使用者和設計者。

3 突變輸出負載對并聯(lián)運行的導軌式開(kāi)關(guān)電源的影響

在并聯(lián)運行時(shí)，電源中為了給它的控制電路供電，須提供一個(gè)輔助電壓，這在啟動(dòng)時(shí)通過(guò)采用一個(gè)電容來(lái)實(shí)現(這也就是為什么電源啟動(dòng)時(shí)有延遲時(shí)間的原因)。當電源的功率部分正常工作后，其控制電路由本身的電源供電，當兩個(gè)電源并聯(lián)運行時(shí)，如果一開(kāi)始帶的負載很少，那么其中一個(gè)電源的功率部分基本關(guān)斷(這不僅對被動(dòng)式或主動(dòng)式均流方法都是一樣的)。這時(shí)這個(gè)電源的內部的輔助電源也關(guān)斷了，當負載突變時(shí)，這個(gè)電源必須像啟動(dòng)狀態(tài)一樣，慢慢地重新建立起來(lái)，這要經(jīng)過(guò)一個(gè)延遲(大約0.5s)才能使電源功率部分正常工作，在這延遲時(shí)間內，只有一個(gè)電源進(jìn)行工作，而且處于負載電流的極限狀態(tài)，這時(shí)往往會(huì )引起過(guò)載保護動(dòng)作，切斷輸出的電壓。因此并聯(lián)運行的電源必須保證在電源空載的情況下，內部輔助電源照常工作，這樣，當出現突變負載時(shí)所有電源能及時(shí)地分擔負載。在并聯(lián)運行時(shí)，并聯(lián)運行的電源應該具有承受較高外來(lái)電壓的能力，不然的話(huà)，一個(gè)較高的外來(lái)電壓將會(huì )損壞并聯(lián)電源。為了避免這種現象的發(fā)生，須考慮串接一個(gè)隔離二極管。PULS公司的DIMENSION充分考慮了突變輸出負載的特點(diǎn)，通過(guò)加大了電源的過(guò)負載能力，來(lái)解決由于負載突變而可能發(fā)生電源瞬間過(guò)負載的問(wèn)題。這樣，PULS電源并聯(lián)工作方法比一般的開(kāi)關(guān)電源的并聯(lián)來(lái)的更加可靠、安全和方便。

4 導軌式開(kāi)關(guān)電源的簡(jiǎn)單的并聯(lián)運行模式

在使用導軌式開(kāi)關(guān)電源時(shí)，為了提供超過(guò)單個(gè)電源所能達到的輸出最大功率，可以通過(guò)電源并聯(lián)的方法來(lái)增加輸出的電流量。簡(jiǎn)單的并聯(lián)運行模式是要求二個(gè)或多個(gè)電源直接并聯(lián)，而不產(chǎn)生任何損壞的現象，其重要的一點(diǎn)就是電源對輸出功率的承受力，所謂的簡(jiǎn)單并聯(lián)并不考慮電流的均流問(wèn)題，而是考慮在啟動(dòng)時(shí)或負載變化時(shí)的并聯(lián)電源可能產(chǎn)生的問(wèn)題。人們將兩個(gè)電源簡(jiǎn)單地并聯(lián)起來(lái)，并將它的輸出電源調整到盡可能一致，這樣在工作實(shí)踐中往往會(huì )出現這種現象：電源1首先承擔全部負載，一直到它的電流極限，然后電源2承受余下的電流，如果這樣并聯(lián)運行作為冗余功能使用，同時(shí)采用不同的輸入源的工作的話(huà)，那么這種方式是受歡迎的，因為它可以對輸入源壽命起延長(cháng)保護作用(如電池等)。如果這樣并聯(lián)運行作為提高輸出總功率，即加大電流量的情況下，這種不均流的工作方式將帶來(lái)不良的后果，因為這樣一個(gè)電源一直工作在滿(mǎn)負載的狀態(tài)下，其電源的壽命大大減少，并聯(lián)電源的可靠性大大降低，這個(gè)電源往往也會(huì )過(guò)早地損壞。所以一般并聯(lián)電源必須合理地分配電流，這里有兩種實(shí)現的方法。

4.1 采用被動(dòng)式均衡電流的并聯(lián)運行模式

被動(dòng)式均衡電流的并聯(lián)運行模式特點(diǎn)是：當輸出電流增大時(shí)，其輸出電壓會(huì )微量的減少，其輸出電壓是所謂的軟特性：輸出電壓隨著(zhù)輸出電流的增加而稍微下降。其電源在空載到滿(mǎn)負載之間的輸出電壓的波動(dòng)大約為4%～5%額定電壓即1V左右。這樣當二個(gè)電源并聯(lián)時(shí)，由于不同的電流負載產(chǎn)生了不同的輸出電壓，一個(gè)是有稍高輸出的電壓的電源首先承受負載電流，隨著(zhù)電流量的增加，這個(gè)電源輸出電壓略降，低于另一個(gè)電源的輸出電壓，這樣另一電源承受負載電流，通過(guò)這樣階梯式交替的方法達到均衡電流的作用。均衡電流的平衡程度如何，取決于所有并聯(lián)電源的輸出電壓的初始調節和設置值。必需指出，這個(gè)方法的實(shí)現其輸出電源必須采用一個(gè)共同的接線(xiàn)端。

一般來(lái)講，在大多數應用場(chǎng)合中，具有輸出電壓的軟特性下降曲線(xiàn)的開(kāi)關(guān)電源基本上能滿(mǎn)足并聯(lián)運行的均流的要求。PULS電源SL強力型系列采用了這種被動(dòng)式的并聯(lián)工作方式，為了方便用戶(hù)的使用，PULS電源上面具有輸出電壓特征的選擇開(kāi)關(guān)，即單個(gè)運行或并聯(lián)運行的選擇開(kāi)關(guān)。開(kāi)關(guān)打開(kāi)“S”狀態(tài)時(shí)，這時(shí)輸出電壓特征是硬特性，輸出電壓的大小與輸出的電流無(wú)關(guān)。當打開(kāi)“P”狀態(tài)時(shí)，即為并聯(lián)運行方法，電源輸出電壓特征軟特性。開(kāi)關(guān)電源的輸出電壓值隨輸出電流增加而減少，以達到均衡電流的目的。這樣PULS電源給并聯(lián)運行或單個(gè)運行提供了一個(gè)經(jīng)濟而又可靠的性?xún)r(jià)比高的導軌式開(kāi)關(guān)式電源。

4.2 采用主動(dòng)式均衡電流的并聯(lián)運行模式

主動(dòng)式均衡電流的并聯(lián)模式必須采用一根附加的均流線(xiàn)，這根均流線(xiàn)作為反饋信號傳送到電源的控制器來(lái)調節每個(gè)電源在所有的條件下提供相同的輸出電流，這時(shí)，電源電壓輸出的軟特征是不需要的，輸出電壓在任何場(chǎng)合下不受電流大小的影響，所以與被動(dòng)式均衡電流相比，其輸出電壓精度高，同時(shí)與輸出電路的類(lèi)型無(wú)關(guān);但是對于開(kāi)發(fā)和安裝來(lái)說(shuō)，費用較高，因為在電源內部需要一個(gè)精確度較高的電流測試線(xiàn)路和一個(gè)附加的電流調節器，同時(shí)也多一個(gè)接線(xiàn)端口。PULS電源的SL40.301三相24/40A的電源采用這種技術(shù)，所有的電源經(jīng)過(guò)均流線(xiàn)和地線(xiàn)相連接，如圖4所示。

5 導軌式開(kāi)關(guān)電源的冗余運行模式

為了提高供電電源的可靠性，在許多工業(yè)應用場(chǎng)合都采用冗余電源的方案，這就是說(shuō)在并聯(lián)的電源中至少有一個(gè)電源處于后備狀態(tài)。這樣當并聯(lián)電源中任一電源發(fā)生損壞時(shí)，這個(gè)后備電源自動(dòng)切換到工作狀態(tài)，已保證并聯(lián)電源繼續提供設計的總功率，這種冗余方案稱(chēng)為N+1冗余，為了進(jìn)行更高地提高可靠性，也可采用N+M的冗余方案，所有M個(gè)電源都處于后備狀態(tài)，即使M個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)，并聯(lián)電源仍能正常工作，提供給負載所需的功率。為了保證冗余電源運行模式的高可靠性，其電路的設計要考慮的問(wèn)題比一般并聯(lián)電源的方案多得多。比如說(shuō)，必須考慮任何一個(gè)電源不應長(cháng)期在功率極限或電流極限狀態(tài)下工作。這樣產(chǎn)生的熱量會(huì )影響壽命和提高損壞的概率，在最壞的狀況下，冗余決不允許輸出回路的電壓短路的現象出現，這會(huì )引起負載回路的短路，完全不能實(shí)現冗余功能。因此為了100%地實(shí)現冗余功能，各個(gè)電源之間必須互相隔離，這一般可采用串接一個(gè)隔離二極管來(lái)實(shí)現，如采用PULS公司生產(chǎn)的SLR01、SLR02隔離二極管模塊。同時(shí)PULS公司還生產(chǎn)將隔離二極管集成在開(kāi)關(guān)電源的冗余電源，如PULS公司的SLR2、SLR5和SLR10的冗余電源。在實(shí)現冗余工作方案是，必須考慮設備的檢測能力，以提高系統工程的安全性。當冗余電源中任何一個(gè)電源出現故障時(shí)，必須要有一個(gè)顯示信號，及時(shí)地觀(guān)察到哪個(gè)電源壞了，以便盡快地進(jìn)行現場(chǎng)處理。因此冗余電源中，任一電源的工作狀態(tài)需有一個(gè)檢測裝置。PULS公司的隔離二極管模塊上都有各個(gè)電源的狀態(tài)顯示燈，并有一個(gè)與控制器相連接的斷電器觸點(diǎn)。能將電源的工作狀態(tài)及時(shí)地送入控制系統中，實(shí)現監控。在制定冗余電路方案時(shí)，電源的輸入電壓與電網(wǎng)連接時(shí)，冗余電源的輸入電源應連接在不同的相線(xiàn)上，這樣當一個(gè)相線(xiàn)出現問(wèn)題時(shí)，連接在其他相線(xiàn)上的電源仍能繼續工作，這樣大大提高了冗余電源系統的可靠性。對于三相電源來(lái)講，開(kāi)關(guān)電源必須具有缺相工作功能，即三相電源能在兩相狀態(tài)下工作，以提供冗余電源的可靠性。

圖5表示了一個(gè)采用PULS電源實(shí)現的5+1的冗余電源的方案。其輸出功率為3 600W/24V/150A的并聯(lián)式冗余電源。這個(gè)方案采用了6個(gè)SL30.100和3個(gè)SLR02的冗余模塊。3個(gè)SLR02的冗余模塊將所有的電源工作狀態(tài)串接起來(lái)，成為一個(gè)綜合信號送入控制系統進(jìn)行監控。每個(gè)SLR02的冗余模塊都能顯示所連接的電源工作狀態(tài)，隔離二極管也防止了輸出回路的短路現象的出現。

6 結語(yǔ)

本文對如何正確采用導軌式開(kāi)關(guān)電源并聯(lián)和冗余技術(shù)，對各種可能在實(shí)際應用發(fā)生問(wèn)題作了探討。值得一提的是，最近德國PULS普世電源公司推入市場(chǎng)的DIMENSION概念性電源，不僅其效率高> 95%，體積小，比一般同類(lèi)導軌式開(kāi)關(guān)電源小60%以上，引起了市場(chǎng)巨大的反響，同時(shí)它獨創(chuàng )的超強的過(guò)載能力不僅解決了瞬時(shí)過(guò)載問(wèn)題，而且在實(shí)現并聯(lián)和冗余功能中遇到的不同啟動(dòng)時(shí)間問(wèn)題，突變輸出負載的問(wèn)題，被動(dòng)式均衡并聯(lián)輸出電壓變動(dòng)問(wèn)題，主動(dòng)式均衡并聯(lián)電路設計復雜問(wèn)題，乃至冗余電路可能發(fā)生的短路問(wèn)題都成功地得到了解決。該產(chǎn)品無(wú)疑大大的方便了用戶(hù)的使用，又大大提高了系統的可靠性，在導軌式開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的新開(kāi)發(fā)的道路上又領(lǐng)先了一大步。