Sursele de alimentare numite și unități de alimentare (PSU – Power Supply Units) sau surse de putere (PS – Power Supply) sau surse de alimentare cu comutație (SMPS – Switched Mode Power Supply), pot avea diverse probleme din cauze externe: defectarea sau întreruperea rețelei de distribuție AC, fenomene electrice atmosferice și meteorologice, perturbații generate în dispozitive din mediul de lucru, solicitări mari de energie din rețea în funcție de climă, acțiuni umane (accidentale, terorism, vandalism).
În esență, există 2 tipuri de cerințe legate de putere.
- Asigurarea calității puterii furnizate de PSU, dacă apar perturbări în rețeaua de alimentare AC și în mediul de lucru. Accentul este pe stabilitatea livrării de putere (tensiune și curent de ieșire nominale) și fiabilitatea ridicată.
- Menținerea în funcțiune a sistemele critice alimentate din PSU, la întreruperi în rețeaua AC.
Problemele cele mai frecvente la alimentarea surselor din rețeaua AC:
- Pornirea simultană a multor surse
- Scăderi ale tensiunii de intrare
- Creșteri ale tensiunii de intrare
- Variații tranzitorii de tensiune
- Vârfuri de înaltă tensiune
- Variația frecvenței AC
- Zgomot electric pe de liniile AC
- Întreruperi al rețelei AC
- Temperaturi extreme
- Curent excesiv la ieșire
Pornirea simultană a multor surse de alimentare în sistem
Sistemul de comutare secvențială aplică energie AC, individual, pe rând, surselor de alimentare dintr-un sistem în timpul dorit – (secvență de întârziere). Alimentarea secvențială face pornirea sigură fără activarea siguranțelor întrerupătoare de circuit dacă ar fi o sumă de curenți la pornire, dar permite porniri tranzitorii la aparate de control tehnologic și amplificatoare de putere. Se evită alimentarea simultană ce ar duce la comutare de energie mare și potențial perturbatoare în rețea.
Pornirea secvențială se face controlând prizele AC, dar există surse de alimentare care au control on/off (de exemplu, sursa din PC).
Scăderi de tensiune (Sags): reduceri de scurtă durată ale tensiunii de la rețeaua AC (10% sau mai jos față de tensiunea nominală), ce durează mai multe cicluri. Acesta este un tip comun de perturbare, frecvent întâlnit când există o cerere mare de energie și rețeaua locală de distribuție este suprasolicitată. Scăderile pot cauza blocarea unor sisteme, pierderea datelor și reporniri de aparate sau sistem.
Supra tensiuni (Surges): creșteri de durată relativ scurtă ale tensiunii de alimentare a rețelei (mai mult de 10%), care durează mai multe cicluri. Supratensiunile pe intrare pot duce la funcționarea defectuoasă a surselor, degradarea componentelor din surse și defectarea prematură. O încălzire a sursei mai mare decât cea normală este un indicator al acestui fenomen.
Notă. În procesul de verificare a PSU se folosește strict tensiunea nominală ±10% din intervalul de tensiune de intrare etichetat pe sursa de alimentare. Deci, se testează funcționarea la un interval mai larg de tensiune de intrare (standard IEC 62368), decât cel specificat în foaia produsului. Gama de tensiune de intrare etichetată pe sursa de alimentare trebuie să îndeplinească un standard de testare al reglementărilor de siguranță.
Tensiuni tranzitorii (Transient sau Spikes): sunt supratensiuni foarte rapide, cu energie ridicată care durează câteva milisecunde. Aceste vârfuri pot activa protecții pentru a evita deteriorarea sursei de alimentare, dar pot afecta calitatea tensiunii la ieșire. Fenomenele tranzitorii de nivele mari pot duce la deschiderea unei siguranțe și la oprirea bruscă a funcționării sursei. Evenimente tranzitorii mari pot rezulta natural și dintr-un fulger direct sau în apropiere.
Zgomot electric (Electrical noise): este o colecție de fluctuații aleatorii, spontane, ale curenților și tensiunilor. Zgomotul electric este asociat unui semnal electric nedorit cu o frecvență în general mai mică de 200 kHz. Trebuie remarcat faptul că perturbațiile de zgomot sunt diferite de distorsiunile armonice și tranzitorii, deoarece nu acționează ca forme de undă. Zgomotul electric poate fi:
Zgomot de mod comun – o perturbare care apare între liniile de alimentare și pământ (adică fază-pământ sau nul-pământ). O parte a curentului de retur curge înapoi spre pământ (ground), iar curentul trimis pe fază (line) și returul pe nul (neutral) sunt asimetrici. Contramăsuri: filtre de mod comun.
Zgomot de mod normal (diferențial) – o perturbare care apare între fază și nul. Curentul pe fază (line) și curentul său de retur pe nul (neutral) sunt egali. Contramăsuri: mărgele de ferite pe cabluri, condensatoare și filtre 3-terminale.
Zgomotul de mod comun afectează grav echipamentele electrice, dar ambele pot provoca întreruperi și deteriorarea de alimentare, dacă nu se iau contramăsuri.
Notă. Surse de zgomot electric.
Zgomot electric extern
Zgomot electric intern
Sursele externe de zgomot electric pot apărea în mediul de lucru și intră în surse prin cabluri de alimentare (acționează ca antene). Pentru a evita ca zgomotul extern să afecteze semnalul se folosesc rute protejate și ecranări ale cablurilor, carcasa metalică a PSU și legătura adecvată la pământ. Exemple de zgomote externe: comutări de sarcini electrice inductive, surse de iluminare defecte (pâlpâiri), fenomene electrice atmosferice, explozii solare.
Sursele interne apar în componente: zgomot termic natural și direct asociat cu fluxul de electroni în interiorul conductoarelor electrice. Exemple de zgomote interne: agitație termică aleatorie a electronilor, zgomot de comutare în piese electronice.
Derivă de frecvență (Frequency Drift): tensiunea de intrare AC are în UE, frecvența standard de 50Hz ±0,5Hz. Sursele de alimentare au redresoare pe intrare, ce nu implică frecvența rețelei, deci nu va fi afectată funcționarea. Nu va fi un efect observabil asupra surselor PSU și pot funcționa eficient pe ambele frecvențe: 50 sau 60 Hz. De aceea, în specificațiile sursei apare gama: 47 ~ 63Hz.
Poluarea armonică (Harmonic Pollution): Armonicele sunt curenți sau tensiuni sinusoidale cu frecvențe multipli întregi ai frecvenței fundamentale a puterii (50/60 Hz), ce duc la distorsionarea tensiunii AC, la supraîncălzirea conductoarelor și funcționarea anormală a unor componente (transformatoare, condensatoare PFC). Curenții armonici apar datorită sarcinilor neliniare (dispozitive electrice în care tensiunea și curentul nu sunt sincrone: bobine, condensatoare).
Notă. Ce efecte au armonicele? Unul dintre efectele majore ale armonicelor sistemului de alimentare este creșterea curentului în sistem. În special, armonica a 3-a, determină o creștere bruscă a curentului de secvență zero și, prin urmare, crește curentul în conductorul neutru, deci pierderi prin căldură.
Recomandarea de inginerie ER G5/4 (Harmonic Standard ER G5/4, version 2020), stabilește niveluri de planificare pentru compatibilitate cu distorsiunile de tensiune armonică, ce trebuie utilizate în procesul de conectare a echipamentelor neliniare.
Scăderi de putere în rețeaua AC (Brownout): sunt similare cu scăderile de tensiune AC, dar pe un interval mai lung de timp, de câteva minute, ore sau chiar zile. Puterea rețelei e redusă, iar tensiunea scade cu 10-25 %. În timpul întreruperii, sistemele pot opri/reporni sau se pot opri complet (de exemplu, pompele de recirculație în centrale termice).
Care este diferența dintre brownout și blackout?
Întreruperea brownout e o scădere de nivel în intervale de timp și pe zone, în timp ce întreruperea blackout este o oprire completă a energiei electrice. Compania de utilități știe când încep și când se termină întreruperile brownout.
Defecțiuni grave ale rețelei AC: o întrerupere a rețelei de alimentare AC este o pierdere completă și bruscă a puterii de câteva milisecunde sau mai mult, suficientă pentru a bloca sistemele electronice moderne fără capacități încorporate de asigurare a rezervei de energie.
Notă. O întrerupere bruscă și totală (blackout) de alimentare de energie electrică este cauzată de un dezechilibru între generarea și consumul de energie. Întreruperile totale pot dura câteva minute sau, în cel mai rău caz, pot dura ore, zile sau chiar săptămâni. Încetarea alimentării cu putere electrică poate bloca sistemele electronice moderne fără surse de rezervă (UPS, generator cu motor).
Întreruperile de alimentare cu putere sunt cauzate de o serie de factori:
Vreme extremă: vânturi puternice, zăpadă, ploaie și inundații ce pot deteriora infrastructuri și necesită timp de reparat.
Atacurile la infrastructură: avarii prin vandalism sau furt de cabluri (cupru), acte de terorism.
Fenomene spațiale: erupții solare și furtuni electromagnetice cu impact devastator prin energia uriașă ce lovește comunicațiile și infrastructurile electrice.
Atacurile cibernetice: rețelele energetice moderne sunt interconectate inteligent pentru control descentralizat de la distanță. Conectivitatea crește vulnerabilitățile securității cibernetice.
MEAN WELL — Seria RSP-150. Sursa AC/DC, 150W. Modele cu o ieșire: 3.3, 5,7.5, 12, 13.5, 15, 24, 27, 48 VDC. Ondulații & zgomot: 100mVpp – 250mVpp. Timp de setare: 600ms, 30ms la sarcină maximă. Intrare: 85 – 264VAC sau 120-370VAC. Frecvența: 47-63Hz. Eficiența: 81.5% (la 3.3 VDC) – crește la 90% (la 48 VDC). Gama temp. -40 …+85°C. Protecții: la scurtcircuit, la supracurent cu limitare la curent constant 105 – 135%; supratensiune la ieșire 110 -135% și cădere ieșire la 0 VDC; supratemperatură: cădere ieșire la 0 VDC și revenire la scăderea temperaturii. PFC activ. Control on/off de la distanță.
PROBLEME FRECVENTE
- Temperatura de lucru depășește intervalul specificat
În condiții de utilizare normale, temperatura de funcționare a sursei de alimentare este în gama 0 … 40°C, dar în condiții extreme, temperatura excedă acestui interval.
Probleme de performanță
Majoritatea componentelor e afectată de temperatura de lucru, deci gama de temperatură e definită pentru a menține performanța completă. În afara acestui interval, comportamentul componentelor nu mai poate fi garantat, puterea livrată (curentul la ieșire) scade la creșterea temperaturii, iar stabilitatea tensiunii la ieșire, eficiența sursei, ondulația și zgomotul electric vor crea probleme.
MEAN WELL — Seria LRS-150. Sursa AC/DC, 150W. Modele cu o ieșire: 12, 15, 24, 36, 48 VDC. Ondulații & zgomot: 150mVpp – 200mVpp. Timp de setare: 500ms, 30ms la sarcină maximă. Intrare: 85 – 132VAC sau 170-264VAC. Frecvența: 47-63Hz. Eficiența: 87.5% (la 12 VDC) – crește la 90% (la 48 VDC). Gama temp. -30 …+70°C. Protecții: la scurtcircuit, la supracurent tip hiccup la nivelul 110 – 140%; supratensiune la ieșire 110 -135% și cădere ieșire la 0 VDC; supratemperatură: cădere ieșire la 0 VDC și revenire la scăderea temperaturii. PFC activ. Control on/off de la distanță.
Componentele surselor de alimentare pot avea coeficient de temperatură pozitiv (PTC) sau negativ (NTC). Dacă temperatura crește, valoarea unui parametru crește la componente PTC și scade la componentele NTC. Variații de temperatură, la componentele PTC, fie NTC pot duce la schimbarea eficienței surselor de alimentare.
Sursele de alimentare funcționează și sub limita minimă de temperatură, dar problemele mari apar la temperatura peste limita maximă. La temperaturi scăzute se reduce capacitatea condensatoarelor electrolitice, iar componentele NTC de protecție (de exemplu, termistorul care limitează curentul la pornire (inrush current)) își cresc mult rezistența și limitează curentul de intrare reducând eficiența sau poate interzice pornirea surselor de alimentare.
În plus, față de problemele de performanță evidente, pot apărea probleme ascunse, cum ar fi emisiile electromagnetice crescute (EMI). În afara intervalului de temperatură, materialele magnetice din filtrele EMI vor fi afectate de temperaturi și nu vor limita în mod eficient emisiile, iar sistemul nu poate respecta reglementările EMI.
MEAN WELL — Seria WDR-240. Sursa AC/DC, 240W. Modele cu o ieșire: 24, 48 VDC. Ondulații & zgomot: 150mVpp. Timp de setare: 800ms, 150ms la sarcină maximă. Intrare: 150 – 550VAC sau 254-780VAC. Frecvența: 47-63Hz. Eficiența: 91%. Gama temp. -30 …+70°C. Protecții: la scurtcircuit, la supracurent cu limitare la curent constant 105 – 130%; supratensiune la ieșire 110 -137% și cădere ieșire la 0 VDC cu auto revenire; supratemperatură: 90-/+5°C, cădere ieșire la 0 VDC și revenire la scăderea temperaturii. PFC activ. Control on/off de la distanță. Montare pe șină DIN.
Probleme de fiabilitate și durată de viață
La supratemperatură într-o sursă de alimentare acționează un sistem de protecție care oprește sursa de alimentare sau o trece într-un regim de limitare a puterii livrate, cât timp temperatura internă depășește o valoare sigură. Un circuit monitorizează temperatura internă și începe procesul de oprire la temperaturi ridicate.
Temperatura poate crește spre limita de temperatură, dar rămâne crescută pe durate mari de lucru. Astfel se va reduce durata de viață a condensatoarelor electrolitice și a altor componente. Temperaturile scăzute reduc fiabilitatea îmbinărilor lipite, a condensatorilor ceramici, pot fisura componente SMT.
Chiar dacă sursa mai lucrează dincolo de limitele de temperatură sunt probleme de performanță și în final apar defectarea fatală a componentelor și reducerea duratei de viață.
- Tensiunea de intrare depășește intervalul specificat
Limitele tensiunii de intrare
Plăcuțele de identificare ale surselor de alimentare arată că tensiunile de intrare pot fi în game (numite) universale: 100-240 VAC, 85-270 VAC, 170-250 VAC, 120-370 VAC etc.
În aplicație, tensiunea de intrare AC trebuie să fie în gama specificată. Nu se admite varianta „destul de apropiată”, deoarece pot apărea defecțiuni, dacă sursa de alimentare este operată în afara limitelor sale.
MEAN WELL — Seria DRS-480. Sursa de securitate cu funcții multiple: Sursa AC/DC 480W, DC-UPS, încărcător baterie Pb, Ni-Ion, monitorizare. Modele cu o ieșire: 24, 36, 48 VDC. Ondulații & zgomot: 240 – 480mVpp. Timp de setare: 2400ms, 1000ms la sarcină maximă. Intrare: 90 – 305VAC sau 127-431VAC. Frecvența: 47-63Hz. Eficiența: 93.5%. Gama temp. -30 …+70°C. Protecții: la scurtcircuit, la supracurent cu limitare la curent constant 105 – 135%; supratensiune la ieșire 135 -154% și cădere ieșire la 0 VDC; supratemperatură: cădere ieșire la 0 VDC și revenire la scăderea temperaturii. UPS activat în 10ms. Semnalizări stări: AC ok, DC ok, încărcare ok, baterie ok. Control MODBus sau CANBus. Montare pe șină DIN.
MEAN WELL — Seria HDR-60. Sursa AC/DC, 60W. LPS (Limited Power Source). Modele cu o ieșire: 5, 12, 15, 24, 48 VDC. Ondulații & zgomot: 80 – 240mVpp. Timp de setare: 500ms, 50ms la sarcină maximă. Intrare: 85 – 264VAC sau 120-370VAC. Frecvența: 47-63Hz. Eficiența: 85 – 91%. Gama temp. -30 …+70°C. Protecții: la scurtcircuit, la supracurent tip hiccup la nivelul 105 – 160%; supratensiune la ieșire 115 -135% și cădere ieșire la 0 VDC. Montare pe șină DIN. Ultra Slim design. Răcire liberă.
Tensiune de intrare depășește valoarea maximă
Majoritatea surselor PSU au o protecție la depășirea accidentală tensiunii de intrare maxime (de exemplu, la revenirea tensiunii AC din rețea după o întrerupere). Dacă tensiunea de intrare AC persistă în depășirea unui maxim, defecțiunile componentelor sunt destul de diferite. De exemplu, redresoarele de pe intrare (AC/DC) probabil vor fi străpunse sau se va deschide o siguranță, deci sursa de alimentare nu poate funcționa. Inductoarele care sunt proiectate pentru a stabiliza AC și a reduce interferența, se pot arde dacă sunt supratensionate și vor întrerupe circuitul primar.
Cyber Power Systems — Comutarea de la distanță, în timp real, a puterii în prize individuale Comutarea secvențială de la distanță, în timp real, a prizei individuale, permite ca fiecare priză să fie pornită și oprită pentru a controla centralizat echipamentele conectate. Protecția la suprasarcină poate întrerupe automat puterea dispozitivelor atunci când încărcarea depășește limita produsului. Se previne și minimizează daunele cauzate de supracurent. Consum de energie ultra-scăzut. Produsul consumă tipic 4,5 W, economisind energia electrică. Funcționează la temperaturi ridicate (45-60°C), păstrând funcționarea optimă a sistemului. Carcasa metalică de calitate industrială cu material robust și durabil pentru a proteja componentele interne, pentru a rezista la deteriorări în medii industriale dificile și pentru a prelungi durata de viață a produsului.
Tensiune de intrare mai mică decât cea minimă
Tensiunea de intrare sub limita minimă poate provoca defecțiuni ale componentelor. Puterea sursei se menține, dar cresc curenții prin multe componente. Siguranța pe intrare, redresorul, inductoarele și alte componente vor fi solicitate de mai multă putere, iar temperatura internă crește și duce la defectare. Componentele magnetice, cum ar fi bobine de corecție a factorului de putere (PFC), vor fi parcurse de curent mai mare și inductanța lor scade sau se vor satura complet.
- Curentul de ieșire depășește intervalul nominal
OCP (protecție la supracurent la ieșire)
Curentul de ieșire este unul din cele mai importante criterii la selectarea surselor de alimentare (PSU). Sursele de alimentare trebuie să livreze un curent suficient în aplicație, ținând cont de dimensiuni și costuri.
Aplicațiile cu sarcini inductive (motoare, transformatoare, relee) sau capacități mari pe intrare necesită timp de câteva secunde, un curent de pornire mai mare, de 4 până la 8 ori decât curentul normal de funcționare. Sursele de alimentare se aleg sau se proiectează să fie capabile să producă curenți mai mari decât cei nominali în sarcină.
OCP (Over Current Protection – Protecție la supracurent) se activează și protejează la solicitări mari de curent pe durate mari de timp. Limitarea nivelului curentului protejează sursa, dar limitează defectările în sarcină. Protecția la scurtcircuit pe ieșire protejează sursa. Uzual, curentul maxim admis la ieșirea surselor de alimentare este setat la aproximativ 1,2 – 1,5 ori față de cel nominal.
Crește puterea disipată de sursă odată cu creșterea curentului de ieșire. Curentul suplimentar la ieșire duce la pierdere de putere disipată prin căldură în componente, deci scade eficiența și durata de viață a sursei.
Tensiunea de ieșire scade odată cu creșterea curentului de ieșire. Dacă curentul de ieșire depășește cu mult valoarea nominală, tensiunea de ieșire poate scădea prea mult și nu se asigură funcționarea aplicațiilor.
Puține surse de alimentare pot crește tensiunea de ieșire odată cu creșterea curentului de ieșire. Dacă curentul de ieșire depășește cu mult valoarea nominală și tensiunea de ieșire crește prea mult va fi afectată sarcina care are propria tensiune maximă admisă.
De reținut! Unele surse în comutație trebuie să aibă o sarcină minimă (curent minim) specificată pentru a funcționa corect. Dacă curentul de ieșire este mai mic decât cel nominal, eficiența surselor de alimentare va fi foarte scăzută, iar temperatura componentelor va crește, ducând la defectări.
Notă. Testarea EMC/EMI indică dacă un dispozitiv este compatibil cu mediul său electromagnetic (EMC) și determină dacă PSU va produce neintenționat interferențe electromagnetice (EMI), ce pot afecta alte dispozitive în situații reale. Există câteva filtre în interiorul surselor de alimentare care ajută la controlul EMI pentru a îndeplini cerințele de reglementare. În mod normal, valoarea filtrelor asigură că sursele de alimentare pot trece testul EMI necesar. Dacă curentul de ieșire depășește pe cel nominal, filtrele vor funcționa în alt regim, ce poate duce la eșecul testului EMC.
EMC este o abreviere pentru compatibilitate electromagnetică. Aceasta înseamnă interoperabilitatea sau capabilitatea unui dispozitiv electronic de a funcționa într-un mediu electric fără a interfera cu alte dispozitive electronice (emisie) și fără a fi interferat de alte dispozitive din vecinătatea acestuia (imunitate). EMC este împărțit în două domenii principale: interferența electromagnetică (EMI) și susceptibilitatea electromagnetică (EMS). Aceste două zone sunt din nou împărțite în două categorii de fenomene: fenomene conduse și fenomene radiate.
Constantin Savu
Director General
Ecas Electro
Dl. Constantin Savu este inginer electronist cu o experiență de peste 30 ani în domeniul componentelor electronice și al selectării acestora pentru aplicații. Fiind bun cunos cător al componentelor și al tehnologiei de fabricație a modulelor electronice cu aplicații în domeniile industrial și co mercial, coordo nează direct producția la firma de profil Felix Electronic Services.
ECAS Electro | www.ecas.ro
ECAS Electro asigură aprovizionarea cu surse de alimentare MEAN WELL și de la alți producători.
Detalii tehnice:
Ing. Emil Floroiu (emil@floroiu.ro)
birou.vanzari@ecas.ro
Referințe:
950032B – Tenth Power Problem White Paper.pdf (gryphon-inc.com)
https://www.tdk.com/en/tech-mag/noise/08
https://www.riello-ups.co.uk/questions/48-what-s-the-difference-between-a-voltage-sag-and-a-surge
Brownout vs. Blackout: What’s the Difference? | NEC Co-op Energy (neccoopenergy.com)
Basics of power-supply self-protection – Power Electronic Tips
Power Problems – Critical Power Supplies
FAQ-MEAN WELL Switching Power Supply Manufacturer
What are the Engineering Recommendations G5/4 – Power Quality Analysers