Захранвания в промишленото оборудване

За да работи производственото оборудване, са необходими най-различни източници на енергия. В това число влизат и захранванията, които преобразуват променливото напрежение от ел. мрежата на завода в постоянно и го подават към електронните устройства.

Важен е не само изборът на типа захранване, а и също така да се вземат предвид всички изисквания към конкретната система, за която то ще се ползва. Различни видове захранвания са се утвърдили и се ползват в промишлената автоматизация.

Нерегулируемите захранвания могат да се ползват в случаите, когато се търси висока надеждност, ниска цена и изходният ток трябва да е голям. Те са добро решение за индуктивни товари, за които не е необходимо съвсем точно регулиране на нивото и кривата на изходното напрежение.

Такива са постояннотоковите двигатели, светлинната сигнализация, соленоидите и релетата. Макар че нерегулируемите захранвания работят много стабилно, в повечето електронни устройства в промишлеността се ползват линейни или импулсни захранвания.

Линейните захранвания бяха много популярни в миналото, но все още намират приложение в някои случаи, като например когато е необходим голям пусков ток при стартирането на постояннотоков двигател. Тогава големият трансформатор, двуполупериодният изправител, големите кондензатори и регулаторът в тези линейни захранвания ще вършат чудесна работа.

Те са "чист" източник на напрежение с много малки пулсации и шум. Но въпреки предимствата и ниската си цена, размерите, теглото и ниският КПД на линейните захранвания ги оставят на второ място в областта на промишленото оборудване, където безспорният първенец е импулсното захранване.

Макар то да е с по-сложна конструкция и повече електронни компоненти, тъй като трябва да преобразува синусоидалното входно напрежение във високочестотни импулси и после в стабилизирано ниско постоянно напрежение на изхода, размерите му са доста по-малки и е с по-висок КПД.

Повечето импулсни захранвания по обем достигат само 25% от обема на еквивалентните линейни захранвания, а пък са с 25% по-висок КПД. Това прави импулсните захранвания оптимално решение за много голяма част от промишленото оборудване.

Параметри и обща структура
От параметрите на едно захранване очевидно най-важни са напрежението, токът и начинът на регулирането им. В повечето случаи входното напрежение е универсално – от 85 до 264 V променливо, с честота 50/60 Hz, а типичните стойности на изправеното изходно напрежение са 5, 12 и 24 V, като 24 V се използва най-широко в промишленото оборудване.

В захранванията обикновено измененията на изходното напрежение се държат в някакви допустими граници, затова има защита от пренапрежение, която следи изходното напрежение и го връща автоматично към номиналната му стойност. Това е добре, но прекомерното спадане на напрежението също може да бъде проблем, особено когато се захранват 5-волтови TTL схеми.

Поради тази и много други причини винаги е добре да се преглеждат входните характеристики на устройствата, които ще се свързват към захранването. В някои случаи може да се изисква много изчистен от пулсации и шумове изход, в други пък може да е необходимо неговото галванично разделяне от следващото стъпало, което да има отделно захранване.

Що се отнася до изходната активна мощност (във ватове, W) на захранването, тя често се задава неправилно. Необходимата постояннотокова мощност не трябва да се избира произволно, а да се пресмята. За целта е добре да се състави списък на консумиращите устройства, срещу всяко от тях да се запише мощността, която употребява и накрая да се сумира и да се получи общата необходима мощност.

Макар че едно 24-волтово устройство само по себе си употребява малко мощност, когато трябва да се захранят сто или повече такива, консумацията бързо нараства и затова е важно да се направи гореописаното пресмятане. В противен случай още при първия пуск на системата ще се установи, че е необходима по-голяма мощност, а в контролния шкаф вече няма достатъчно място за допълнително или друго, по-голямо захранване. Затова трябва да се изчисли колко е необходимата мощност и да се добави един резерв от поне 25%.

Токовата защита също може да е с определяща роля за захранването. Някои захранвания допускат малък ток на претоварване, а други много голям, до 400%. Ако се очаква захранваните устройства да дърпат голям пусков ток, то токовата защита на самото захранване трябва да се оразмери в съответствие с това.

Основни насоки при прехода към високо-ефективни захранвания
Тази промяна има някои недостатъци, но и много още положителни страни, освен по-високия КПД. Самият той се променя в зависимост от товара, така че трябва да се проверява колко е минималният КПД, осигуряващ нормална работа при най-неблагоприятни условия. Трябва да се внимава, когато за КПД е посочено да не превишава дадена стойност. Макар и да не е задължително написаното да е невярно, то може да породи нереалистични очаквания.

Генерацията на топлина е страничен продукт на захранванията с нисък КПД, затова колкото по-висок е КПД, толкова по-малко топлина се отделя. От това има и допълнителна полза – спестява се място и намаляват по размер компонентите, осигуряващи охлаждането.

Тъй като се отделя по-малко топлина, размерите на захранванията също могат да бъдат намалени чрез използването на компоненти, които са по-малки и могат да се монтират по-близко един до друг. Свободата на избор на вариант на монтажа се увеличава, тъй като не е нужно да се отделя толкова внимание на циркулацията на въздушния поток и на охлаждането.

Усъвършенстването на технологиите вече позволява вграждането на средства и функции за диагностика и профилактична поддръжка, което иначе не би било възможно или пък би било неразумно скъпо. Сред тези средства и функции са включването на аларми при прехвърляне на някакви прагови стойности или наличието на дисплеи, показващи напрежението, тока, времето на работа, температурата, или пък броячи, отчитащи общото време на служба. Освен всичко друго, по-новите модели са разработени въз основа на по-нови версии на стандартите.

И накрая трябва да се обърне внимание на захранванията във вид на обособен блок, които се свързват към обща захранваща шина и служат като резервен източник. За отбелязване също са и умните захранвания с множество изходи, всеки от които с вградена токова защита. Всички тези видове захранвания могат да са особено полезни в случаите, когато в рамките на една система, за отделни нейни части, има различни изисквания по отношение на захранването.

Нови импулсни захранвания
По традиция, в машиностроенето са се използвали големи линейни захранвания, които е трябвало да се справят с резките кратковременни натоварвания и съответно голямото потребление на ток от товара на машините.

Но с развитието на технологиите голяма част от това гладно за ток оборудване стана енергийно по-ефективно и даде възможност на производителите на машини да заменят по-големите и по-тежки линейни захранвания с импулсни и да се възползват от предимствата на последните.

Има нови видове импулсни захранвания, които могат да работят както с променливо, така и с постоянно напрежение на входа. Има и много, оборудвани с релеен изход за състоянието, към който може да се свърже светлинна или звукова сигнализация в качеството й на аларма в случай на проблеми.

Освен по-малките размери, по-малкото отделяне на топлина и по-ниската цена, някои импулсни захранвания разполагат и с резерв от мощност (работа в усилен режим), който поема краткотрайното пиково потребление на ток в случай на нужда.

С този резерв за кратък интервал от време захранванията могат да осигурят с 50% повече ток отколкото е записаната в спецификацията номинална стойност. А това може да спести значителни средства, тъй като няма нужда да се купува захранване с по-високи показатели само и само да се осигури високия пусков ток на някои машини.

С развитието на схемните решения в промишленото оборудване и на средствата за управлението му, нуждата от постояннотокова мощност започва да става все по-доминираща. По-старите линейни захранвания обикновено бяха с КПД 40-60%. Днешните импулсни захранвания с комутация на тока в първичната страна са с КПД над 90%, като повишението на КПД води до по-висока надеждност.

Като се започне от толерансите на размаха на входното напрежение и се стигне до регулирането и следенето на изхода, новите захранвания са проектирани така, че да имат дълъг експлоатационен живот. Не е необичайно да се види средно време между откази по-голямо от 600 000 часа.

По-модерните захранвания дават и по-голяма свобода на монтажа в контролния шкаф. Много от предлаганите днес импулсни захранвания с комутация на тока в първичната страна могат да работят по целия свят при различни мрежови напрежения и в най-разнообразни системи.

Захранванията, на входа си, са или с превключвател между двете най-разпространени мрежови напрежения, или с автоматично настройване, или по принцип са с много широк диапазон на входното напрежение и могат да работят по всеки от стандартите без настройка.

Заедно с това, тези захранвания предлагат и регулируемо изходно напрежение, което позволява да бъдат ползвани по най-различни предназначения. Например има такива с изход 12 VDC, които могат да се настроят да работят на 5 VDC за захранване на логически схеми или пък на 18 VDC.

Захранване на електродвигатели
Двигателите по принцип консумират много енергия. Те могат да причинят колебания в захранването, които да повредят други устройства, свързани към същото захранване. Много от трудностите при експлоатацията на системи с двигатели произтичат тъкмо от проблеми със захранването.

Напрежение. Важно е да се подбере правилно изходното напрежение на захранването. Ако е твърде ниско, захранваното устройство няма да работи пълноценно. Ако е твърде високо, може да повреди двигателя и/или контролера.

Задължително трябва да се провери, че изходното напрежение на захранването не превишава номиналното захранващо напрежение на контролера. Трябва да се провери същото и за захранващото напрежение на двигателя, освен ако не е наличен контролер, който ограничава тока.

Ток. Потреблението на ток зависи от двигателя. Ако подаваното захранващо напрежение е в границите на допустимите за двигателя стойности, последният ще дърпа ток с безопасна големина. За да се предпази захранването от претоварване, изходният му ток трябва да е поне колкото тока, консумиран от двигателя.

Трябва да се има предвид, че в спецификациите на стъпковите двигатели параметрите се дават “пофазно”. За да се изчисли токът, който употребява един стъпков двигател, посочената пофазна стойност трябва да се умножи по 2.

Предпазване на електрониката. Трябва добре да се познават и разбират характеристиките на използваните компоненти и свързването им трябва внимателно да се премисля. Трябва да има добро съгласуване между двигателя и контролера.

При евентуален опит да се дръпнат 3 A от контролер, който може номинално да осигури 2 A, това вероятно ще доведе до изгаряне на контролера. Захранването трябва да подава безопасно напрежение към контролера. Ако се подадат 24 V към контролер, предназначен за работа на 12 V, това ще бъде фатално за него. Същата проверка трябва да се направи и за двигателя.

Освен ако е наличен контролер, който поддържа тока постоянен, то подаването на двойно по-голямо захранващо напрежение към двигателя ще удвои и тока през двигателя, при което има риск да изгори както двигателят, така и контролерът. Не трябва да се прави свързване към вериги под напрежение. Първо се правят всички връзки в системата и чак тогава към нея се подава напрежението.

Предпазване на проводниците. Претоварени от голям ток проводници могат бързо и силно да се загреят, изолацията им да прогори и да се подпали нещо наоколо. Винаги трябва да се ползват проводници с достатъчно голямо напречно сечение, което може без проблеми да понесе тока, който се очаква да протича.

Ако номиналният изходен ток на захранването е по-голям от този, който проводникът може да понесе, трябва допълнително да се монтира предпазител. Ако от едно по-голямо захранване се подава напрежение към няколко вериги, то на всяка от тях трябва да се монтира предпазител, за да се защитят проводниците.

При проектирането на захранвания е желателно да се предвидят защити паралелно на входа на мрежовото напрежение и поне да се сложат допълнително някакви предпазители с подходящо заземяване на изхода.

За да се предотвратят проблеми, добре е да има отделни предпазители на изходите захранващи външни устройства – подаващи сигнал към цифрови входове като датчиците, или подаващи цифров сигнал навън като соленоидите. 

Но най-често захранванията имат вградена токова защита. В случай на рязко увеличение на тока тази защита ще се задейства и ще предотврати сработването на изходните предпазители. Има редица схемни решения, с които, чрез намаляване на напрежението, да се ограничи изходния ток на захранването, когато той надхвърли определен праг – обикновено от 5% до 20% над максималната стойност.

Щом причината за претоварването по ток бъде отстранена, токовата защита автоматично възстановява изходното положение.