Sursa de alimentare cu putere este cea mai importantă parte a unui aparat sau sistem bazat pe energie electrică. Pot fi sisteme bazate pe fluide − pneumatice sau hidraulice (de exemplu, acționări în automatizări, robotică în medii periculoase) − care nu folosesc direct energie electrică, dar sunt bazate tot pe aceasta.
Eficiența este raportul dintre puterea totală de ieșire și puterea de intrare, exprimată în procente. Acest lucru este specificat în mod normal la sarcină maximă (curent maxim la ieșire) și la tensiunea nominală de intrare.
Eficiența sursei de alimentare este cantitatea de putere furnizată efectivă componentelor raportată la puterea electrică extrasă de la priza de alimentare.
Dacă sursa de alimentare este destinată funcționării continue (24h), curentul nominal nu trebuie să depășească 80% din curentul maxim. Este strâns legat de temperatură. Eficiența curentă (sau puterea) trebuie să se refere întotdeauna la temperatura de funcționare, adică temperatura ambiantă a sursei de alimentare.
Dacă este necesară o sursă de alimentare cu o eficiență de 75% pentru a furniza o putere de 75W unei sarcini, aceasta va absorbi 100W din priză. Ceilalți 25W sunt pierduți sub formă de căldură și alte pierderi. Dacă eficiența e de 90%, se vor consuma 83W pentru a furniza 75W, deci mai puține pierderi înseamnă mai puțină energie de la rețea pentru aceeași putere de ieșire.
Sursele de alimentare nu au o eficiență constantă. Eficiența variază în funcție de diverși factori, în special de temperatură și de nivelul puterii (curentul) pentru sarcină. Sursele din dispozitive își ating eficiența maximă atunci când sunt operate la circa 50% din sarcină.
Temperaturile din mediu care depășesc +40°C trebuie evitate, fiindcă sursa va disipa greu și pe durată limitată căldura proprie, dacă are răcire fără ventilator, iar în final se activează o protecție termică ce reduce curentul de ieșire. Unii producători asigură funcționarea la temperaturi mai ridicate. Temperatura maximă specificată de producător pentru unele dispozitive este de +70°C, dar trebuie consultată specificația: care este sarcina relativă la temperatura de funcționare.
De exemplu, o sursă de alimentare modulară de înaltă calitate 12V / 12,5A / 150W. Temperatura de funcționare: -10°C … +70°C. Fișa de date arată o dependență a sarcinii față de temperatura de funcționare. Se poate constata că sursa livrează la sarcină o putere maximă până la +50°C. La o temperatură ambientală de +70°C, sarcina poate fi alimentată la 50%, adică la jumătate. La +70°C, eficiența de curent al sursei scade de la 12,5A, la 6,25A.
Majoritate surselor din dispozitivele comerciale disponibile sunt create să funcționeze eficient până la +30°C.
TDK Lambda. Seria compactă CUS250M. Surse de alimentare AC/DC. Intrare: 85 … 264VAC. Ieșire: 12V și 24V (ulterior și 15V, 18V, 24V, 28V, 36V și 48V). Dimensiune standard industrială de 2 × 4 inch. Putere 250W, răcire prin convecție și conducție. Gama de temperatură: -20 … +85°C. Eficiență de peste 94%. Curenții foarte mici de scurgere la pământ (<150uA) și curentul de atingere (<10uA pentru clasa I, <70uA pentru clasa II) permit dezvoltarea de aplicații în domeniul medical.
Aceasta înseamnă că trebuie să cumpărați o sursă de putere mai mare, care e mai scumpă. Dar, la un PC are beneficii: cost mai mic la electricitate, PC-ul disipă mai puțină căldură și un zgomot redus la ventilator.
Pierderi în eficiența sursei de alimentare
Nu este posibil să se obțină o eficiență de 100% a sursei de alimentare din cauza pierderilor de energie, dar cu un design adecvat și selectarea componentelor, sunt posibile eficiențe ridicate între 95% și 97%. Pierderile în sursele de alimentare apar din cauza pierderilor de putere ale componentelor pasive și active și sunt mai mari în sursele liniare decât în sursele cu comutație (SMPS).
Pierderi de componente pasive
- Pierderi de rezistență (RI2)
- Pierderi de inductor în miezul magnetic și pierderi rezistive în fire
- Pierderi în condensator
Pierderi de componente active
- Pierderi în MOSFET și diode
MOSFET-urile și diodele dau majoritatea pierderilor de putere, sub formă de căldură, datorate pierderilor de conducție și de comutare. Diodele au pierderi prin căldură, proporționale cu curenții direcți.
Pierderile dinamice în MOSFET-uri și pierderile de comutare a diodei apar în timpul tranziției între stările ON și OFF, deoarece trebuie consumată putere pe măsură ce dispozitivele își schimbă stările.
Chiar dacă sunt scumpe, componente de calitate superioară și caracteristici mai bune produc ieșiri mai bune, cu mai puține ondulații, zgomot electric redus, dar și mai puțină căldură și o mai bună reglare a tensiunii.
Notă. Ce este intrarea universală? Intrarea universală înseamnă că domeniul de intrare al sursei de alimentare este între 85 … 264VAC și poate funcționa la 50 și 60Hz. Aceste surse de alimentare pot fi utilizate oriunde, la rețea de 110 sau 230VAC. Aplicațiile echipamentelor din teren, pot funcționa cu tensiuni de intrare variate, AC sau DC: 85 … 264 VAC, respectiv 124 … 370VDC. Sub aspect tehnic, sursele de alimentare au eficiențe mai mari atunci când la intrare sunt conectate la 230VAC, în comparație cu 110VAC. Sursele de alimentare cu intrare universală sunt mai complexe și mai costisitoare, sunt mai mari și au o eficiență mai mică față de sursele cu o singură tensiune de intrare.
Dispozitivele mobile (telefoane, tablete, laptopuri și altele) au surse cu intrare universală (zise adaptoare), singura grijă fiind modelul de ștechăre pentru priza de perete.
(https://www.sunpower-uk.com/glossary/what-is-universal-input/)
TDK Lambda. Seria HWS-100A-5/ME. Sursă de alimentare AC/DC, medicală de înaltă calitate și înaltă durabilitate, funcționare non-stop. Intrare: 85 … 265 VAC, 120 … 370 VDC. Ieșire: 24 VDC. Putere: 100 W@50°C, răcire prin convecție. Gama de temperatură: -10 … +70°C. Eficiență: 86% (tipic).
Notă. Factori luați în considerare la proiectarea sau la alegerea sursei de alimentare universale:
- Cost
- Dimensiuni
- Eficiență
- Mediu de lucru, în special gama de temperatură
- Corecția factorului de putere (PFC)
- Perturbări prin interferență electromagnetică
(https://www.pfc-engineering.com/our-services/power-factor-correction/)
(https://www.monolithicpower.com/en/power-factor-correction)
Trei probleme importante legate de sursele de alimentare:
- Temperatura afectează sursa și reduce eficiența
- Factorul de putere afectează sursa și rețeaua AC
- Armonicele afectează rețeaua AC
Temperatura afectează sursa și reduce eficiența
Un mediu cu temperatură ridicată reprezintă una dintre cele mai mari amenințări pentru eficiența și fiabilitatea sursei de alimentare. Poate scădea sau opri furnizarea de curent și scurtează durata de viață a sursei, dar faptul că trebuie compensată temperatura ridicată a sursei poate crește greutatea și dimensiunea sursei (prin radiatoare și ventilatoare), afectând întregul design. Energia electrică irosită sub formă de căldură (în wați), va duce la o creștere a temperaturii ambientale în cadrul unui sistem.
Temperaturi ridicate pot cauza defectarea izolatorilor și slăbirea conexiunilor mecanice și, astfel, pot scurta durata de viață a sursei. Conectorii sunt supuși la dilatări termice afectând impedanța la punctul de conectare.
Limite de temperatură de funcționare
TDK-Lambda. Seria DRB, surse pe șină DIN. Putere de la 15W la 480W. Intrare: 85 … 264 VAC. Variante ce admit intrare: 350 … 575VAC, Ieșiri 12V, 24V, 48V. Ieșire reglabile: 11,4 … 15VDC, 22,5 … 29VDC, 45 … 56VDC. Gama de temperatură: -25 … +70°C. Sarcina scade linear peste +55°C. Eficiență 89 … 94%. Seria este ideală pentru automatizări industriale, clădiri și controlul proceselor.
Depășirea temperaturii minime sau maxime pentru o sursă de alimentare duce la degradarea performanțelor (eficiența, ondulația, respectare EMI), reduce durata de utilizare sigură și defectarea totală.
Funcționarea sub temperatura minimă
Temperaturile scăzute duc la reducerea capacităților condensatoarelor electrolitice, cum ar fi cele care țin tensiunea după redresor sau cele utilizate la ieșirea sursei. O reducere a capacităților poate duce la creșterea ondulației și chiar la pornirea eșuată.
Dispozitivele NTC sunt utilizate ca dispozitive de protecție a curentului pentru dispozitivele electrice și electronice, care limitează ușor și eficient curenții anormali, inclusiv un curent de pornire la momentul pornirii. Dacă temperatura scade prea mult, valoarea lor crește până la un punct încât reduc eficiența sau inhibă funcționarea.
Filtrul EMI este afectat de temperaturile componentelor. În afara intervalului de temperatură specificat, filtrul nu va atenua în mod eficient emisiile și va determina neconformitatea sursei cu reglementările EMI.
Funcționarea peste temperatura maximă.
Fiabilitatea și durata de viață a multor componente sunt direct legate de temperatura lor de funcționare. Componentele, cum ar fi condensatorii electrolitici ai unei surse de alimentare, pot vedea reduceri drastice ale duratei de viață așteptate din cauza funcționării peste temperatura lor nominală. În cazul în care creșterea temperaturii provoacă o creștere a curentului de ondulare, se poate aștepta ca temperatura condensatoarelor de ieșire să crească datorită puterii disipate în rezistența serie echivalentă (ESR).
Studiile afirmă că o creștere cu 10°C a temperaturii peste temperatura ambiantă ar trebui să reducă la jumătate durata de viață a condensatoarelor electrolitice din aluminiu.
Factorul de putere (PF) din sistemele electrice este adesea menționat, dar, uneori, nu este pe deplin înțeles.
Definiția factorului de putere (PF): Într-un circuit AC pur rezistiv, formele de undă de tensiune și curent sunt în fază, schimbând polaritatea în același moment în fiecare ciclu. Dacă sunt prezente sarcini reactive (condensatoare sau inductoare), energia stocată în aceste sarcini are ca rezultat o diferență de timp între curent și tensiune, deoarece energia stocată nu este disponibilă sincron pentru a fi furnizată la sarcină și apare ca putere aparentă. Dacă PF e mai mic de 1,0 se consideră ca factor de putere întârziat.
În unele regiuni se impune corecția factorului de putere peste un nivel de putere al sursei, ceea ce crește prețul prin adăugarea PFC la o sursă.
Metode de creștere a factorului de putere și a tipurilor de sarcină
Proiectanții de sisteme electrice vor să crească PF cât mai aproape de 1,0 posibil prin încorporarea de dispozitive „corectoare PF” în surse sau în sistem.
Metodele de corecție depind dacă sarcina este liniară sau neliniară.
Sarcină liniară – Exemplu: motoare cu inducție și transformatoare pot fi corectate prin adăugarea unei rețele pasive de condensatoare sau inductoare. Condensatoarele stochează energia electrică ce poate fi utilizată pentru a alimenta câmpurile magnetice interne și pentru a reduce puterea aparentă necesară (kVAR).
Sarcină neliniară – Exemplu: echipamente care au redresoare, o formă de descărcare cu arc (lămpile fluorescente), aparate de sudură electrice, cuptoare cu arc etc. Acest tip de sarcină va distorsiona curentul absorbit în un sistem. Curentul în sarcini neliniare este întrerupt de dispozitivele de comutare din interiorul echipamentului. Comutarea are ca rezultat prezența în curent a unor componente de frecvență care scad factorul de putere. Pentru sarcini neliniare, poate fi încorporată corecția activă sau pasivă a factorului de putere pentru a contracara distorsiunea și a crește PF. Dispozitivele de corectare a PF pot fi instalate în exterior: la o substație centrală, răspândite în sistemul de distribuție, fie în interiorul consumatorului de energie așa cum apare o sursă AC-DC. (https://www.cliffordpower.com/wp-content/uploads/2020/01/IS_40_Power_Factor.pdf)
Există două cauze principale ale factorului de putere scăzut:
Defazarea: apare când undele de tensiune și undele de curent sunt defazate, din cauza elementelor de circuit reactive: inductoare sau condensatoare.
Distorsiunea: Este modificarea formei sinusoidale originale a undei, fiind cauzată de circuite neliniare, cum ar fi cele redresoare. Aceste unde neliniare au conținut de armonice, ceea ce distorsionează tensiunea din rețea AC.
În timpul conversiei AC la DC, dispozitivele electronice de putere sunt pornite în timpul unei fracțiuni din fiecare 1/2 ciclu, determinând ca tensiunea și curentul să fie absorbite în impulsuri pentru a obține ieșirea necesară DC.
Această variație mare de tensiune (tensiune de ondulare), necesită un condensator, ca un rezervor, conectat în paralel cu puntea de diode pentru netezirea ondulației tensiunii. Condensatorul este încărcat într-un timp foarte scurt. Astfel, apar o serie de vârfuri scurte de curent în condensator, care nu seamănă deloc cu un sinusoidă.
Apariția sarcinilor electronice neliniare, așa cum sunt sursele cu comutație − în care tensiunea AC este convertită într-o tensiune DC, a modificat modul în care puterea era extrasă tradițional dintr-o undă sinusoidală normală AC.
Ce sunt armonicile în electricitate?
Curenții de sarcină neliniari variază foarte mult de la o formă de undă sinusoidală la alta; adesea sunt pulsuri discontinue. Aceasta înseamnă că încărcările neliniare sunt extrem de ridicate în conținut armonic.
Armonicele sunt curenți sau tensiuni cu frecvențe ce sunt multipli întregi ai frecvenței fundamentale de putere, 50Hz. Dacă prima frecvență fundamentală este de 50Hz, atunci a 2-a este de 100Hz, iar a 3-a este de 150Hz.
Sursele de alimentare monofazate (de exemplu, cele din calculatoare) și balasturile din corpurile de iluminat sunt bogate în armonica a 3-a și multiplii lor impari. Chiar și la curenții de fază perfect echilibrați, curenții armonici din firul neutru (N) al rețelei AC pot totaliza 173% din curentul de fază. Acest lucru duce la supraîncălzirea neutrelor.
Se ajunge ca firele neutre din alimentarea AC a echipamentelor electronice să fie supradimensionate la cel puțin 173% din puterea conductorilor de fază pentru a preveni problemele. ITIC (Information Technology Industry Council) recomandă, de asemenea, să reducă transformatoarele, încărcându-le la cel mult 50% până la 70% din kVA de pe plăcuța de identificare, conform unui calcul de bază, pentru a compensa efectele de încălzire armonică.
Care este efectul armonicilor în sistemul AC?
Simplu spus, există două efecte de bază: armonicile de curent cauzează curent nedorit și supraîncălzire. Armonicile de tensiune cauzează funcționarea defectuoasă a echipamentului.
Dispozitivele care pot provoca perturbări armonice includ redresoare, startere și surse de alimentare cu comutație, toate acestea fiind neliniare. Proliferarea echipamentelor electronice (calculatoare, sisteme UPS, unități de memorie cu viteză variabilă, controlere logice programabile și altele asemenea) au făcut ca sarcinile neliniare să fie o parte semnificativă a multor sisteme.
Notă. Aceasta este o problemă foarte mare și pentru sursa de alimentare și pentru rețeaua electrică AC. Puterea reactivă nu folosește, dar centrala electrică trebuie să genereze energie electrică mai mult decât puterea aparentă.
Prezența unei armonice de ordinul 3 provoacă o formă de undă distorsionată (roșu).
Notă: Regulamentul 2019/1782 al Comisiei UE, din 1 octombrie 2019 de stabilire a cerințelor de proiectare ecologică pentru sursele de alimentare externe. Două cerințe sunt de bază: consumul propriu al sursei în starea de așteptare a utilizării și corecția factorului de putere. După anul 2011, conform Eco 244/2009 toate sursele pentru LED-uri, de peste 25W trebuie să aibă PFC de 0,90.
(https://commission.europa.eu/energy-climate-change-environment/standards-tools-and-labels/products-labelling-rules-and-requirements/energy-label-and-ecodesign/energy-efficient-products/external-power-supplies_en)
Sarcina completă a unei surse de alimentare. Fișa tehnică a fiecărei surse de alimentare menționează despre aplicarea unei sarcini complete și a unei sarcini minime. Dacă furnizează curentul nominal (poate fi curentul maxim) la tensiunea nominală, atunci sarcina conectată este sarcina completă. Cea mai importantă valoare care să preocupe utilizatorii este sarcina minimă de încărcare. Aceasta este valoarea necesară pentru ca multe surse de alimentare (cu sau fără comutație) să funcționeze corect. Dacă nu are sarcina minimă adecvată, sursa de alimentare pare să se pornească și să se oprească rapid. Lăsând o ieșire fără încărcare pe ea, sursa nu intră în regimul normal fiindcă nu poate urmări ieșirile care trebuie să fie stabilizate.
Notă: Nu aplicați o sarcină la valoarea sarcinii maxime pentru o perioadă lungă de timp, deoarece poate duce la supraîncălzirea sursei de alimentare și activarea protecției, scăzând curentul deși mediul nu este la temperatură maximă.
TDK − Ghid de selecție a surselor de alimentare
TDK este un furnizor global și lider recunoscut al produselor de conversie a puterii potrivite pentru multe aplicații, industriale și energetice, medicale și asistență medicală, testare și măsurare, semifabricate și TIC/difuzare.
Detalii: https://product.tdk.com/en/products/power/switching-power/ac-dc-converter/index.html
Constantin Savu
Director General
Ecas Electro
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro este distribuitor al produselor TDK.
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro