Добрый день, уважаемые коллеги.

Меня зовут Олег Негреба, и я работаю в компании АЕДОН руководителем лаборатории перспективных исследований. Наша компания занимается разработкой и производством источников и систем электропитания самого различного назначения.

С завидной регулярностью к нам поступают вопросы об организации систем электропитания импульсных нагрузок. Даже достаточно опытные разработчики таких систем часто встают перед выбором – сгладить импульсы тока батареей конденсаторов и использовать источник электропитания, рассчитанный на среднюю мощность нагрузки или использовать более мощный источник, способный полноценно обеспечивать электропитание нагрузки в течение рабочих импульсов без батареи конденсаторов, усредняющей импульсный ток.

Кроме этого, разработчики почти всегда склоняются к централизованной системе электропитания, т.е. используют один мощный источник для питания всех импульсных нагрузок, требующих одно и то же входное напряжение, а не разбивают их на группы, чтобы питать каждую группу от отдельного источника.

Сегодня я расскажу о серии практических экспериментов на эту тему, которые мы провели после обращения от группы разработчиков очень уважаемого предприятия.

Итак, к нам обратились разработчики одного из отечественных предприятий с вопросом:

Имеется импульсная нагрузка со следующими параметрами:

Напряжение питания нагрузки

Uн=8 В;

Длительность импульсов нагрузки

tи=1 мс;

Ток потребления нагрузки в течение импульсов

Iи=80 А (640 Вт);

Скважность импульсов нагрузки

5

И собственно вопрос – Источник какой мощности оптимален для электропитания этой нагрузки и есть ли необходимость в использовании накопительных конденсаторов для усреднения импульсной мощности?

Экспериментировать мы стали с преобразователями напряжения серии МДМ-А, специально разработанными для электропитания импульсных нагрузок.

Поскольку средняя мощность нагрузки в этом примере составляет всего 640/5=128 Вт, то для начала мы взяли в работу серийный преобразователь на 340 Вт МДМ340-1Ф7,5ТУА с подстроенным до 8 В выходным напряжением.  Этот модуль мы подключили к входной сети 300 В и к резистивной нагрузке, коммутируемой управляемым с генератора полевым транзистором. На рисунке 1 показана схема проведения испытаний, а на рисунке 2 – внешний вид испытуемого модуля и его нагрузки.

Рисунок 1. Схема проведения испытаний
Рисунок 1. Схема проведения испытаний
Рисунок 2. Внешний вид модуля и его нагрузки
Рисунок 2. Внешний вид модуля и его нагрузки

1. В первую очередь мы оценили качество выходного напряжения модуля при работе на требуемую нагрузку (Iи=80 А, tи=1 мс, скважность=5) с использованием минимальной выходной ёмкости (внутренние выходные штатные конденсаторы + Свых=2х100 мкФ, алюминиевые электролитические конденсаторы). На рисунке 3 показана форма выходного напряжения модуля в таких условиях.

Рисунок 3. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел
Рисунок 3. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел

Из представленной осциллограммы видно, что в течение импульсов нагрузки модуль работает с перегрузкой по выходному току, что приводит к просадке его выходного напряжения с 8 до примерно 5,8 В. Ёмкости внутренних и внешних выходных конденсаторов недостаточно для сглаживания импульсного тока. 

2. Дополнительное усиление выходной ёмкости Свых полимерными конденсаторами 6х470 мкФ =2800 мкФ (рисунок 4) привело к незначительному снижению величины переходных отклонений (рисунок 5).

Рисунок 4. Батарея дополнительных полимерных конденсаторов 6 х 470 мкФ
Рисунок 4. Батарея дополнительных полимерных конденсаторов 6 х 470 мкФ

 

Рисунок 5. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел
Рисунок 5. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел

3. Далее, для перехода в режим работы без усреднения импульсной мощности нагрузки в модуле была загрублена до 85 А защита от перегрузки по выходному току, а также были заменены на более мощные выходные выпрямители и выходной дроссель.

Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля без дополнительной батареи полимерных конденсаторов показана на рисунках 6 и 7. 

Рисунок 6. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел
Рисунок 6. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел

 

Рисунок 7. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля (канал 1 – 0,5 В/дел, закрытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 0,2 мс/дел
Рисунок 7. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля (канал 1 – 0,5 В/дел, закрытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 0,2 мс/дел

4. Дополнительное усиление выходной ёмкости Свых полимерными конденсаторами 6х470 мкФ =2800 мкФ привело к снижению величины переходных отклонений, но результат всё ещё остался неудовлетворительным (рисунки 8, 9).

Рисунок 8. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля с дополнительными полимерными конденсаторами (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел
Рисунок 8. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля с дополнительными полимерными конденсаторами (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел
Рисунок 9. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля с дополнительными полимерными конденсаторами (канал 1 – 0,5 В/дел, закрытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 0,2 мс/дел
Рисунок 9. Осциллограмма выходного напряжения доработанного модуля с дополнительными полимерными конденсаторами (канал 1 – 0,5 В/дел, закрытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 0,2 мс/дел

Делаем промежуточный вывод:

Увеличение тока нагрузки модуля МДМ340-1Ф7,5ТУА с ограниченных техническими условиями 30 А постоянного тока до запредельных 80 А импульсного тока, во-первых, приводит к практически квадратичному росту омических потерь, что существенно снижает КПД системы электропитания, во-вторых, снижает её надёжность, т.к. компоненты модуля во время импульсов нагрузки работают с перегрузкой, и, в-третьих, такая конфигурация системы электропитания всё равно не обеспечивает приемлемых значений переходных отклонений выходного напряжения в моменты фронта и спада импульсов нагрузки, к тому же величину переходных отклонений выходного напряжения дополнительно увеличивает падение напряжения в выходных цепях модуля, включая его штыри и в цепи питания нагрузки.

5. В рассматриваемом случае целесообразно разбить нагрузку на две группы по 40 А импульсного тока и использовать для питания каждой группы по отдельному модулю МДМ340-1Ф08ТУА с загрубленной примерно до 45 А защитой от перегрузки по выходному току. В таком случае будут наиболее эффективно обеспечены показатели эффективности, надёжности и переходных отклонений выходного напряжения системы электропитания.

На осциллограммах (рисунки 10 и 11) показаны указанные переходные отклонения выходного напряжения серийного модуля МДМ340-1Ф7,5ТУА с подстроенным до 8 В выходным напряжением при работе на импульсную нагрузку 40 А, 1 мс, скважность=5 с двумя внешними алюминиевыми электролитическими конденсаторами ёмкостью по 100 мкФ. 

Рисунок 10. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел
Рисунок 10. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 – 2 В/дел, открытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 1 мс/дел
Рисунок 11. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 – 0,5 В/дел, закрытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 0,2 мс/дел
Рисунок 11. Осциллограмма выходного напряжения модуля (канал 1 – 0,5 В/дел, закрытый вход) и тока нагрузки (канал 2 – 50 А/дел). Развёртка – 0,2 мс/дел

Переходные отклонения выходного напряжения модуля в таких условиях составляют около +5 % / - 9 %, модуль работает с близким к максимальному КПД, а средняя мощность тепловых потерь составляет около 10 Вт (10 мА потребление на холостом ходе и 89,2 % КПД при выходном токе 40 А), что заметно снижает требования к теплоотводу от модуля по сравнению с исходным вариантом, когда нагрузка не разделена.

Кратковременный провал напряжения во время переднего фронта нагрузки с 8 В до 7,3 В и соответствующую ему нелинейность мощности нагрузки можно учитывать в математических расчётах и вносить в них необходимую коррекцию.

Вот так, в очередной раз мы продемонстрировали себе и потребителю, что, во-первых, импульсные нагрузки целесообразно разбивать на группы и питать каждую группу от отдельного источника, а во-вторых, в большинстве таких приложений однозначное преимущество имеет вариант питания нагрузки без усреднения импульсной мощности.

Комментарии (22)


  1. Hlad
    02.06.2022 08:54
    +18

    Начинаем считать. Нужно в течение 1 мс выгружать 80А@8В. 640Вт за 1 мс — это энергия 0,64Дж. Эту энергию надо запасти в конденсаторах. E=(U^2) * C/2, откуда C = 2*E/(U^2). Подставляя значения, получим 2*0,64/64 = 0,02Ф или 20 тысяч микрофарад. Это ёмкость, в которой в принципе можно запасти 0,64Дж, при разряде до нуля. Дальше — ещё интереснее: нужно, чтобы за время импульса напряжение не просело ниже какого-то уровня. Допустим, не ниже 7В. То есть, после того, как потребитель высосет свои 0,64Дж, в кондёрах должно остаться ещё 0,49 Дж. Получается, что для того, чтобы конденсаторы сами по себе что-то решали, нужна ёмкость порядка 37 тысяч микрофарад. По хорошему — в этом опыте надо было ставить электролит на 33 тысяч микрофарад, и дополнительно накидывать тысяч пять микрофарад тантал-полимеров и пару сотен микрофарад керамики на сдачу. В этом случае были бы хоть какие-то шансы на то, что конденсаторы чем-то помогут. Это без учёта омических потерь и т.д. В статье мы видим, как доблестные инженеры Аедона пытаются справиться сначала электролитами на 200 мкФ (в ДВЕСТИ раз меньше, чем нужно), потом досыпают ещё 2800мкФ (итоговая ёмкость — 3000 мкФ, в 12 раз меньше, чем нужно), и удивляются, что конденсаторы не помогают?

    Насколько помню, все вышеупомянутые формулы изучаются в старших классах школы. Возникает справедливое сомнение в квалификации инженеров компании.


    1. Negreba Автор
      02.06.2022 09:28
      +1

      Всё так, почти верно. Там, конечно, ещё и сам модуль будет свою энергию поддавать в нагрузку во время импульса, с учётом работы в режиме перегрузки это ещё примерно 0,4 Дж.

      В этом эксперименте мы наглядно показали потребителю, что в его заданном объёме работать в режиме усреднения не получится. На необходимость использования десятков тысяч микрофарад в системах с усреднением мощности мы также регулярно обращаем внимание потребителей и такой набор "банок" я показывал в статье в "Силовой Электронике" https://power-e.ru/power_supply/elektropitaniya-afar-chast-2/:



      1. sden77
        02.06.2022 09:36
        +3

        тогда было бы логично показать, какой ёмкости конденсаторов хватило бы для получения ощутимого эффекта сглаживания пульсаций и насколько эта ёмкость соотвтствует расчетной (имхо)


      1. Hlad
        02.06.2022 09:37
        +5

        Тогда в статье категорически не хватает последнего эксперимента: той самой батареи конденсаторов, со словами «вот такая ёмкость минимально необходима...». Без него, увы, статья выглядит, как памятник вопиющей инженерной неграмотности.


        1. GarryC
          02.06.2022 09:59
          +1

          А он (последний эксперимент) действительно необходим ? Автор показал, что при "разумных" значениях конденсатора задачу не решить (хотя согласен, что расчетным путем провести подобный эксперимент проще), а "неразумные" решения рассматривать не стал, предложив альтернативу. Так что насчет памятника Вы, по моему, погорячились.


          1. Hlad
            02.06.2022 10:08
            +1

            Эмм, а почему вы считаете, что 33 тысячи мкФ — это неразумная ёмкость? Для рабочего напряжения в 12 или 16 вольт — это относительно небольшие конденсаторы, которые вполне можно впихнуть вместо второго модуля, который предложил топикстартер. И обойдётся этот конденсатор примерно в сто раз дешевле второго модуля питания. Опять таки, можно батареей набрать из более мелких номиналов, так даже правильнее будет.


            1. GarryC
              02.06.2022 10:33

              Я видел электролит на 100 000 мкФ и увиденное меня нисколько не порадовало. Хотя это было 30+ лет назад и, вполне возможно, конденсаторы уменьшились в размерах и цене, хотя насчет "в сто раз дешевле" - все таки преувеличение, не упоминая габариты обоих решений.
              У каждого разработчика свои представления о разумном и его антитезу, особенно если разработчик рекламирует производимую серийную продукцию.
              Но это все спорные моменты, мне просто не понравилась Ваша реплика о "вопиющей инженерной безграмотности", не вполне справедливая.


              1. Hlad
                02.06.2022 10:43
                +1

                100 000 микрофарад на сколько вольтах? Там очень большая зависимость размеров от напряжения.


                1. GarryC
                  02.06.2022 10:45

                  Конечно на 6.3В, ведь это был 30+ лет назад.


                  1. Hlad
                    02.06.2022 11:04

                    Возможно, это был неполярный конденсатор. Электролит на 33 тысячи мкФ имеет достаточно скромные размеры. Посмотрите, например, UKW1C333MRD


                    1. Negreba Автор
                      02.06.2022 13:34

                      только сколько он проработает с такой пульсацией тока? )


                      1. wilczek
                        02.06.2022 22:48

                        Полагаю, долго. Вот навскидку - 10 конденсаторов типа UHW1A562MHD - 5600.00х10В, 3.3А эфф. тока пульсаций каждый. Итого - суммарная емкость сборки 56000 мкФ, эфф. ток пульсаций - 33А, цена вопроса - 22 бака, размер - 65х40х25мм. Имеем - ожидаемые рмс ток пульсаций при условии, что 340 Вт БП имеет импульсную мощность 400 Вт, т.е. 50 А выходного тока, - <20А, пульсации - ~0.5В. Вуаля.


    1. diakin
      02.06.2022 10:19

      Ну можно без энергии )
      1 фарад равен ёмкости конденсатора, при которой заряд 1 кулон создаёт между его обкладками напряжение 1 вольт: 1 Ф = 1 Кл / 1 В.
      Iи=80 А, tи=1 мс, скважность=5) 80 a= 80 Q/сек За 1 мс заряд будет 0.8 кулон. Соответственно на конденсаторе 1 ф при разряде током 80А за 1 мс напряжение уменьшится на 0.8 вольта


      1. diakin
        02.06.2022 11:12

        Вру, 0.08 кулон, соответственно 0.08 вольта


    1. aamonster
      02.06.2022 11:39

      Эксперимент там, где легко считается – это, конечно, странно.
      Но, кстати, если поставить конденсатор достаточной ёмкости – возникает вопрос (помимо цены и габаритов): как себя поведёт БП сразу после включения, когда ему надо этот конденсатор заряжать.


      1. Hlad
        02.06.2022 11:45

        Кстати, как ни странно, допустимая ёмкостная нагрузка в документации на упомянутый модуль никак не нормируется в даташите, кстати.


        1. Negreba Автор
          02.06.2022 11:55

          по ТУ 8000 мкФ


          1. Hlad
            02.06.2022 12:00

            Если добавите эту информацию в даташиты — будет заметно удобнее.


  1. Hlad
    02.06.2022 09:36
    +1

    del, не туда


  1. dvserg
    02.06.2022 09:51

    А что по теме с использованием суперконденсаторов (ионисторов)?


    1. Hlad
      02.06.2022 09:54
      +1

      У них с пиковым током всё очень плохо, как правило.


      1. SADKO
        02.06.2022 10:00

        И живут они не долго.