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技术控 | 双倍成本,双倍安全——浅谈直流冗余供电

供稿:菲尼克斯(中国)投资有限公司 2019/11/1 10:24:04

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  • 关键词: 菲尼克斯 直流冗余供电
  • 摘要:​提到工业现场供电,我们必须会使用到电源,电源的供电质量和产品性能是确保现场设备稳定运行的关键因素。从现场运行稳定性和更换成本的角度考虑,客户肯定会优先使用故障率低,寿命高的电源,但是从采购成本考虑,只要上述两个参数能够达到现场可用性的标准,那么选择一些折中的电源方案也很常见。但是本文考虑的是另一种情况,即对于现场断电率控制要求极其严格的一些应用。

提到工业现场供电,我们必须会使用到电源,电源的供电质量和产品性能是确保现场设备稳定运行的关键因素。从现场运行稳定性和更换成本的角度考虑,客户肯定会优先使用故障率低,寿命高的电源,但是从采购成本考虑,只要上述两个参数能够达到现场可用性的标准,那么选择一些折中的电源方案也很常见。但是本文考虑的是另一种情况,即对于现场断电率控制要求极其严格的一些应用。

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石化、核电、轨交等行业,一方面对于现场运行安全性的要求极高,另一方面一旦出现停机,就会产生很高的效益损失和维护成本。因此在降低电源自身故障率的基础上还需要加一层保障确保系统最高的可用性,这就要提到“冗余供电”这个概念,其实现方式并不复杂,即使用多台电源输出直接并联的方式(通常一些行业使用两台电源),当一台电源损坏,负载仍然能通过另外的电源来继续得到供电。虽然采购成本成倍增加,但是综合现场运行风险的把控和维护,这些投入也是值得的。

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看到这里,也许有读者会说:“这么简单的原理,无非是多买一台电源将风险减半呗。”真的这么简单吗?越是简单的原理往往在实践的时候出现的问题也会越多。假定我们目前应用是常见的交流输入,24V输出的供电环境,如果直接将多台24V电源输出并联,那么所有电源输出侧的正或者负都将通过物理接线的方式短接到一起,这样会产生什么问题呢?电源的故障方式多种多样,从表象来看即输出供电出现异常,透过现象看本质,发生在电源输出正和负之间可能会有如下几种现象:

1. 无输出但正负之间存在较大阻抗,这时冗余电源之间不会产生相互影响,即使一台电源出现上述现象,其他电源仍然能持续为负载供电而不会造成停机。

2. 输出异常高电压,这是非常危险的现象,异常高压很有可能突破后级负载的耐压承受能力导致负载损毁,继而出现停机甚至安全事故。解决方法是一方面依赖电源自身的过压保护特性,或在负载前级加装过压保护元件,及时切断电源输出以预防电源输出的高压损坏负载。

3. 输出正负出现短路,由于上文提到,在冗余系统下,所有电源的输出正或负都通过物理接线的方式短接。可想而知如果其中一台电源出现正负短路则势必会导致冗余系统中所有电源同时被短路,此时整个冗余供电系统将瘫痪,停机仍然会发生。

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如何避免?问题的根源来自于多台电源的并联其实从本质上并没有实现相互隔离,因而出现多台电源相互干扰的现象。解决方法是需要在电源至负载侧采取必要的手段避免电源之间的干扰,我们称之为解耦。较为简单的方法是在电源输出侧和负载侧串联正向导通二极管从阻止电流反向流入的角度实现解耦。但是二极管在导通过程中由于自身特性会在两端产生压降并产生热量,这会加大能耗,影响电源的输出效率,因此业内出现了MOSFET的技术代替二极管减少压降同时降低发热,提高电源的工作效率。

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解决了解耦的问题,理论上冗余供电系统的构建已经完成,这样系统的供电就完美无缺了么?例如,一个5A的负载如果需要得到冗余供电,一般情况是配置两台5A的电源搭配解耦模块,当一台5A电源出现故障,另外一台电源仍然能够提供负载所需的5A电流供应,但是电源的损坏是偶发事件,常态的运行情况是两台并联的电源会同时给负载进行供电,因此理论上如果每台电源的输出电压相同,则每台电源将会输出2.5A的电流,这就是我们所说的均流。

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世界上不存在两片一模一样的树叶,由于操作因素、环境因素、电源出厂特性的偏差,往往两台电源的电压会出现一定差别,这个时候输出电压偏高的电源则会承受更高的输出压力,从而导致电源温度升高,寿命降低,潜在地提高了电源故障的概率。

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人工调整电源电压确实能暂时解决均流的问题,但是现场的负载运行情况多变,两台电源的电压经常会出现一定范围的上下浮动,如果依赖人工调节,一方面很难对多变的现场情况进行把控,另一方面费时费力,因此我们需要一个方案能够从根本上解决均流的问题。

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小菲倾情推荐如下解决方案:菲尼克斯电气QUINT4代AC/DC电源搭配QUINT4代S-ORING冗余模块。

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QUINT4代S-ORING冗余模块采用MOSFET技术,确保电源输出效率,降低能耗,同时实现解耦和电源输出侧过压保护功能,可以应变一切冗余供电中由于电源故障所产生的安全隐患,QUINT4代AC/DC电源采用独特的并联模式,即使两台电源的输出电压出现一定偏差,两台电源的输出电流也将接近于均等,满足用户现场均流输出的需求,将电源压差造成的影响大大降低。

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我们更加推荐使用菲尼克斯电气的QUINT4+电源,该电源将采用MOSFET技术的冗余模块直接集成至AC/DC电源内部,您无需另外配置冗余模块就能实现冗余供电的构建需求,同时符合SIL3安全等级的认证。

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双倍的成本带来双倍的安全性,希望本文能为读者朋友们在设计冗余供电系统的工作中有所帮助。

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审核编辑(王静)
更多内容请访问 菲尼克斯(中国)投资有限公司(http://c.gongkong.com/?cid=134)

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