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技術控 | 雙倍成本,雙倍安全——淺談直流冗余供電

供稿:菲尼克斯(中國)投資有限公司 2019/11/1 10:24:04

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  • 關鍵詞: 菲尼克斯 直流冗余供電
  • 摘要:?提到工業現場供電,我們必須會使用到電源,電源的供電質量和產品性能是確保現場設備穩定運行的關鍵因素。從現場運行穩定性和更換成本的角度考慮,客戶肯定會優先使用故障率低,壽命高的電源,但是從采購成本考慮,只要上述兩個參數能夠達到現場可用性的標準,那么選擇一些折中的電源方案也很常見。但是本文考慮的是另一種情況,即對于現場斷電率控制要求極其嚴格的一些應用。

提到工業現場供電,我們必須會使用到電源,電源的供電質量和產品性能是確保現場設備穩定運行的關鍵因素。從現場運行穩定性和更換成本的角度考慮,客戶肯定會優先使用故障率低,壽命高的電源,但是從采購成本考慮,只要上述兩個參數能夠達到現場可用性的標準,那么選擇一些折中的電源方案也很常見。但是本文考慮的是另一種情況,即對于現場斷電率控制要求極其嚴格的一些應用。

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石化、核電、軌交等行業,一方面對于現場運行安全性的要求極高,另一方面一旦出現停機,就會產生很高的效益損失和維護成本。因此在降低電源自身故障率的基礎上還需要加一層保障確保系統最高的可用性,這就要提到“冗余供電”這個概念,其實現方式并不復雜,即使用多臺電源輸出直接并聯的方式(通常一些行業使用兩臺電源),當一臺電源損壞,負載仍然能通過另外的電源來繼續得到供電。雖然采購成本成倍增加,但是綜合現場運行風險的把控和維護,這些投入也是值得的。

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看到這里,也許有讀者會說:“這么簡單的原理,無非是多買一臺電源將風險減半唄。”真的這么簡單嗎?越是簡單的原理往往在實踐的時候出現的問題也會越多。假定我們目前應用是常見的交流輸入,24V輸出的供電環境,如果直接將多臺24V電源輸出并聯,那么所有電源輸出側的正或者負都將通過物理接線的方式短接到一起,這樣會產生什么問題呢?電源的故障方式多種多樣,從表象來看即輸出供電出現異常,透過現象看本質,發生在電源輸出正和負之間可能會有如下幾種現象:

1. 無輸出但正負之間存在較大阻抗,這時冗余電源之間不會產生相互影響,即使一臺電源出現上述現象,其他電源仍然能持續為負載供電而不會造成停機。

2. 輸出異常高電壓,這是非常危險的現象,異常高壓很有可能突破后級負載的耐壓承受能力導致負載損毀,繼而出現停機甚至安全事故。解決方法是一方面依賴電源自身的過壓保護特性,或在負載前級加裝過壓保護元件,及時切斷電源輸出以預防電源輸出的高壓損壞負載。

3. 輸出正負出現短路,由于上文提到,在冗余系統下,所有電源的輸出正或負都通過物理接線的方式短接。可想而知如果其中一臺電源出現正負短路則勢必會導致冗余系統中所有電源同時被短路,此時整個冗余供電系統將癱瘓,停機仍然會發生。

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如何避免?問題的根源來自于多臺電源的并聯其實從本質上并沒有實現相互隔離,因而出現多臺電源相互干擾的現象。解決方法是需要在電源至負載側采取必要的手段避免電源之間的干擾,我們稱之為解耦。較為簡單的方法是在電源輸出側和負載側串聯正向導通二極管從阻止電流反向流入的角度實現解耦。但是二極管在導通過程中由于自身特性會在兩端產生壓降并產生熱量,這會加大能耗,影響電源的輸出效率,因此業內出現了MOSFET的技術代替二極管減少壓降同時降低發熱,提高電源的工作效率。

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解決了解耦的問題,理論上冗余供電系統的構建已經完成,這樣系統的供電就完美無缺了么?例如,一個5A的負載如果需要得到冗余供電,一般情況是配置兩臺5A的電源搭配解耦模塊,當一臺5A電源出現故障,另外一臺電源仍然能夠提供負載所需的5A電流供應,但是電源的損壞是偶發事件,常態的運行情況是兩臺并聯的電源會同時給負載進行供電,因此理論上如果每臺電源的輸出電壓相同,則每臺電源將會輸出2.5A的電流,這就是我們所說的均流。

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世界上不存在兩片一模一樣的樹葉,由于操作因素、環境因素、電源出廠特性的偏差,往往兩臺電源的電壓會出現一定差別,這個時候輸出電壓偏高的電源則會承受更高的輸出壓力,從而導致電源溫度升高,壽命降低,潛在地提高了電源故障的概率。

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人工調整電源電壓確實能暫時解決均流的問題,但是現場的負載運行情況多變,兩臺電源的電壓經常會出現一定范圍的上下浮動,如果依賴人工調節,一方面很難對多變的現場情況進行把控,另一方面費時費力,因此我們需要一個方案能夠從根本上解決均流的問題。

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小菲傾情推薦如下解決方案:菲尼克斯電氣QUINT4代AC/DC電源搭配QUINT4代S-ORING冗余模塊。

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QUINT4代S-ORING冗余模塊采用MOSFET技術,確保電源輸出效率,降低能耗,同時實現解耦和電源輸出側過壓保護功能,可以應變一切冗余供電中由于電源故障所產生的安全隱患,QUINT4代AC/DC電源采用獨特的并聯模式,即使兩臺電源的輸出電壓出現一定偏差,兩臺電源的輸出電流也將接近于均等,滿足用戶現場均流輸出的需求,將電源壓差造成的影響大大降低。

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我們更加推薦使用菲尼克斯電氣的QUINT4+電源,該電源將采用MOSFET技術的冗余模塊直接集成至AC/DC電源內部,您無需另外配置冗余模塊就能實現冗余供電的構建需求,同時符合SIL3安全等級的認證。

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雙倍的成本帶來雙倍的安全性,希望本文能為讀者朋友們在設計冗余供電系統的工作中有所幫助。

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審核編輯(王靜)
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