Нужно ли усреднять импульсную нагрузку на источник электропитания?
Добрый день, уважаемые коллеги.
Меня зовут Олег Негреба, и я работаю в компании АЕДОН руководителем лаборатории перспективных исследований. Наша компания занимается разработкой и производством источников и систем электропитания самого различного назначения.
С завидной регулярностью к нам поступают вопросы об организации систем электропитания импульсных нагрузок. Даже достаточно опытные разработчики таких систем часто встают перед выбором — сгладить импульсы тока батареей конденсаторов и использовать источник электропитания, рассчитанный на среднюю мощность нагрузки или использовать более мощный источник, способный полноценно обеспечивать электропитание нагрузки в течение рабочих импульсов без батареи конденсаторов, усредняющей импульсный ток.
Кроме этого, разработчики почти всегда склоняются к централизованной системе электропитания, т.е. используют один мощный источник для питания всех импульсных нагрузок, требующих одно и то же входное напряжение, а не разбивают их на группы, чтобы питать каждую группу от отдельного источника.
Сегодня я расскажу о серии практических экспериментов на эту тему, которые мы провели после обращения от группы разработчиков очень уважаемого предприятия.
Итак, к нам обратились разработчики одного из отечественных предприятий с вопросом:
Имеется импульсная нагрузка со следующими параметрами:
Напряжение питания нагрузки | Uн=8 В; |
Длительность импульсов нагрузки | tи=1 мс; |
Ток потребления нагрузки в течение импульсов | Iи=80 А (640 Вт); |
Скважность импульсов нагрузки | 5 |
И собственно вопрос — Источник какой мощности оптимален для электропитания этой нагрузки и есть ли необходимость в использовании накопительных конденсаторов для усреднения импульсной мощности?
Экспериментировать мы стали с преобразователями напряжения серии МДМ-А, специально разработанными для электропитания импульсных нагрузок.
Поскольку средняя мощность нагрузки в этом примере составляет всего 640/5=128 Вт, то для начала мы взяли в работу серийный преобразователь на 340 Вт МДМ340–1Ф7,5ТУА с подстроенным до 8 В выходным напряжением. Этот модуль мы подключили к входной сети 300 В и к резистивной нагрузке, коммутируемой управляемым с генератора полевым транзистором. На рисунке 1 показана схема проведения испытаний, а на рисунке 2 — внешний вид испытуемого модуля и его нагрузки.
Рисунок 1. Схема проведения испытаний
Рисунок 2. Внешний вид модуля и его нагрузки
1. В первую очередь мы оценили качество выходного напряжения модуля при работе на требуемую нагрузку (Iи=80 А, tи=1 мс, скважность=5) с использованием минимальной выходной ёмкости (внутренние выходные штатные конденсаторы + Свых=2×100 мкФ, алюминиевые электролитические конденсаторы). На рисунке 3 показана форма выходного напряжения модуля в таких условиях.
Рисунок 3. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 — 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 — 50 А/дел). Развёртка — 1 мс/дел
Из представленной осциллограммы видно, что в течение импульсов нагрузки модуль работает с перегрузкой по выходному току, что приводит к просадке его выходного напряжения с 8 до примерно 5,8 В. Ёмкости внутренних и внешних выходных конденсаторов недостаточно для сглаживания импульсного тока.
2. Дополнительное усиление выходной ёмкости Свых полимерными конденсаторами 6×470 мкФ =2800 мкФ (рисунок 4) привело к незначительному снижению величины переходных отклонений (рисунок 5).
Рисунок 4. Батарея дополнительных полимерных конденсаторов 6×470 мкФ
Рисунок 5. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 — 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 — 50 А/дел). Развёртка — 1 мс/дел
3. Далее, для перехода в режим работы без усреднения импульсной мощности нагрузки в модуле была загрублена до 85 А защита от перегрузки по выходному току, а также были заменены на более мощные выходные выпрямители и выходной дроссель.
Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля без дополнительной батареи полимерных конденсаторов показана на рисунках 6 и 7.
Рисунок 6. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля (канал 1 — 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 — 50 А/дел). Развёртка — 1 мс/дел
Рисунок 7. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля (канал 1 — 0,5 В/дел, закрытый вход) и тока нагрузки (канал 2 — 50 А/дел). Развёртка — 0,2 мс/дел
4. Дополнительное усиление выходной ёмкости Свых полимерными конденсаторами 6×470 мкФ =2800 мкФ привело к снижению величины переходных отклонений, но результат всё ещё остался неудовлетворительным (рисунки 8, 9).
Рисунок 8. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля с дополнительными полимерными конденсаторами (канал 1 — 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 — 50 А/дел). Развёртка — 1 мс/дел
Рисунок 9. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля с дополнительными полимерными конденсаторами (канал 1 — 0,5 В/дел, закрытый вход) и тока нагрузки (канал 2 — 50 А/дел). Развёртка — 0,2 мс/дел
Делаем промежуточный вывод:
Увеличение тока нагрузки модуля МДМ340–1Ф7,5ТУА с ограниченных техническими условиями 30 А постоянного тока до запредельных 80 А импульсного тока, во-первых, приводит к практически квадратичному росту омических потерь, что существенно снижает КПД системы электропитания, во-вторых, снижает её надёжность, т.к. компоненты модуля во время импульсов нагрузки работают с перегрузкой, и, в-третьих, такая конфигурация системы электропитания всё равно не обеспечивает приемлемых значений переходных отклонений выходного напряжения в моменты фронта и спада импульсов нагрузки, к тому же величину переходных отклонений выходного напряжения дополнительно увеличивает падение напряжения в выходных цепях модуля, включая его штыри и в цепи питания нагрузки.
5. В рассматриваемом случае целесообразно разбить нагрузку на две группы по 40 А импульсного тока и использовать для питания каждой группы по отдельному модулю МДМ340–1Ф08ТУА с загрубленной примерно до 45 А защитой от перегрузки по выходному току. В таком случае будут наиболее эффективно обеспечены показатели эффективности, надёжности и переходных отклонений выходного напряжения системы электропитания.
На осциллограммах (рисунки 10 и 11) показаны указанные переходные отклонения выходного напряжения серийного модуля МДМ340–1Ф7,5ТУА с подстроенным до 8 В выходным напряжением при работе на импульсную нагрузку 40 А, 1 мс, скважность=5 с двумя внешними алюминиевыми электролитическими конденсаторами ёмкостью по 100 мкФ.
Рисунок 10. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 — 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 — 50 А/дел). Развёртка — 1 мс/дел
Рисунок 11. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 — 0,5 В/дел, закрытый вход) и тока нагрузки (канал 2 — 50 А/дел). Развёртка — 0,2 мс/дел
Переходные отклонения выходного напряжения модуля в таких условиях составляют около +5% / — 9%, модуль работает с близким к максимальному КПД, а средняя мощность тепловых потерь составляет около 10 Вт (10 мА потребление на холостом ходе и 89,2% КПД при выходном токе 40 А), что заметно снижает требования к теплоотводу от модуля по сравнению с исходным вариантом, когда нагрузка не разделена.
Кратковременный провал напряжения во время переднего фронта нагрузки с 8 В до 7,3 В и соответствующую ему нелинейность мощности нагрузки можно учитывать в математических расчётах и вносить в них необходимую коррекцию.
Вот так, в очередной раз мы продемонстрировали себе и потребителю, что, во-первых, импульсные нагрузки целесообразно разбивать на группы и питать каждую группу от отдельного источника, а во-вторых, в большинстве таких приложений однозначное преимущество имеет вариант питания нагрузки без усреднения импульсной мощности.
