功率分配和控制功能已经成熟成为一个成熟的设计学科。
罗杰说道
Edelson Associates,洛杉矶,CA,美国
电源分配和控制(以及相关的电缆管理功能),虽然不是一个性感的话题,但已经发展成为工业设备设计中一个可识别的、重要的子集。配电和控制子系统(pdu)几乎应用于所有领域,包括医疗、军事、航空航天、通信、制造和测试/测量系统。这些配电和控制系统的复杂性包括简单的拨动开关线控制,通过多个开关阵列控制电源顺序、电压降压和通过双输入自动开关能力实现的电源冗余。远程控制电源和控制/分配功能也可用。后一种功能可以使用互连技术,包括直接连接、调制解调器接口(与计算机或直接电话线)或以太网(TCP/IP)连接到LAN或WAN,或这些功能的组合(图1)。
根据系统的最终目的地,重要的是要确保配电子系统符合交付国的最新法规和测试标准。这些标准包括UL EN60950,信息技术设备上市审批(最新生效日期04/01/03)、美国及加拿大双边标准、TUV认证及欧洲大陆上市。CE标志确保产品符合欧洲低电压指令中更严格的EMC和安全规范。通过确保生产标准符合ISO 9001和新的ISO 9001:2000制造认证,解决了制造质量问题。
选择过程
在考虑更复杂的电源顺序或远程电源控制问题之前,电源控制子系统的选择过程必须解决更普通的问题,如输入/输出电源连接器、过载电路保护、指示灯、EMI/RFI滤波和峰值/浪涌保护。符合IEC 60320或IEC 60309(如图2所示)的电源连接器是最常见的规定,因为IEC连接器系统在世界各地都在使用。使用这些标准电源连接器,以及与受控设备相匹配的适当电缆,允许系统制造商仅储存单一类型的PDU,并仍然将设备交付到世界上几乎任何国家。插座的数量通常限制在10-24个IEC 60320, C13型插座,可选包夹固定设备。本文末尾描述的备用电缆保留系统将允许插座数量增加20%,同样重要的是,电源插头的尺寸不需要在设计周期开始时指定。
电路保护
一般来说,大多数配电/控制子系统将提供电路过载保护,最简单的设计提供手动开/关开关和过载条件下的断路器跳闸。UL 489列出的电磁主断开(用于确保生命和财产保护)长时间延迟曲线断路器通常将提供上述功能,并被额定超过16a(在120 VAC或240 VAC)的系统所需要。一些高端系统使用半导体负载电流传感和控制,从而减少了跳闸时间,提高了过载/正态差灵敏度,同时也增加了成本。电流监测集成到PDU过载功能,无需在设置过程中使用外部仪表,以准确设置总单元负载电流的值。它明显比使用铭牌提供的数据设置跳闸电流的替代方法更准确;这种技术通常假设最坏情况下的设备选项,因此被过度高估。
大多数控制器将提供主断路器电源“ON”状态的指示灯。这个最小的指示器功能可以增加每个相的指示器(在三相系统中),或用于开关插座和未开关组的电源的附加指示器。对于具有远程控制功能的系统,通常还提供其他显示系统状态配置的指示器。
EMI / RFI过滤
功率控制器还应提供EMI/RFI滤波,以减少进出被控设备的传导噪声。在设计良好的系统中,差模(线对线)和共模(线对地)滤波都设计在系统中。合理的插入损耗数等于或超过10mhz时的50db,在100khz范围内下降到10db左右。在这个带宽范围内具有10到30 dB更大插入损耗的单元也可用(同样,成本更高)。如果需要考虑辐射噪声,设计者必须意识到连接受控设备的电源线可以作为辐射能量的重要来源。用金属外壳构建控制器并将其安装在金属机架上将提供额外的屏蔽。为了进一步抑制辐射,整个外壳可能需要屏蔽,或者将不得不使用难以获得屏蔽的电源线。
过载保护
瞬态电压浪涌抑制(TVSS)通常由MOV(金属氧化物压敏电阻)提供;这些器件的额定能量在150 j和400 j之间,瞬态为8-20µ秒。峰值电流额定值通常在10 kA范围内。
功率控制器可用于单相和三相系统,三相系统通常证明了更高的电流控制能力。此外,三相系统有时用于需要使用不同的电源腿来控制电源“上”的设备。选择具有顺序电源“开”和“关”的单相控制器,有时可以允许系统电源来自单相电源,而不是更复杂和昂贵的三相输入。通过电源插座的时间延迟控制,您可以将电源“打开”顺序设置为任何组合的插座,并调整这种差分定时,通常从一秒到数百秒。虽然顺序出口控制可以选择为系统的操作要求,这一特点也允许“开”功率暂态显著减少。通过对高负载设备进行排序,使每个后续单元在前一个单元的输入电流浪涌降至其稳态值后继续供电,系统的“接通”电流被限制在“运行”电流,电流控制需求可降低2至10倍。
远程控制
一些电源控制器甚至为控制功能添加了更多的智能,使系统命令能够远程传输。在选择远程控制选项时,子系统设计人员需要确定直接(硬连线)连接是否合适,传输距离是否需要使用调制解调器控制,或者使用网络LAN/WAN进行连接是否可行。如果指定了调制解调器控制,安全问题可能需要能够个性化电源控制器名称或添加额外的密码保护。如果使用本地或广域网络通信,电源控制器识别和IP地址成为以太网协议的必要部分。子系统设计人员还应该考虑可用命令的复杂性和多样性。我已经列出了密码和单元地址创建,但其他命令可能包括:所有出口开/关;特定插座开/关;出口的排序设置;并自动重新启动一个(或多个)特定插座。出口状态的自动指示可以通过远程命令控制,任何“看门狗”监控电路的整个控制也可以被包括在内。 Watch-dog circuitry is usually included to monitor the control connection and perform an automatic reboot if the connection “locks up”. Control of this feature should include the ability to set the value of the “time-out” period which must be exceeded before the auto-reboot is enabled. If remote command access through modem connection is selected, it is usually prudent to include the capability to disable this feature from the front panel to avoid control conflicts during manual operation of the controller.
其他控制选项
在选择电源控制和配电子系统时可能考虑的其他特性包括通过手动选择或自动电压传感控制内部电路开关的输入电压选择、输入电压降压或两个电源输入之间的自动切换。在电力不足或停电的情况下,一次电源和二次电源之间的自动输入切换,设计人员必须意识到切换响应时间。这个切换时间常数通常在20毫秒到30毫秒之间,因此,必须在受控设备中建立足够的停电能力。
最后,请记住,不小心从配电和控制子系统拉扯电源线与停电一样严重。有三种基本的电缆保留系统可以解决这种“断开”问题:
- NEMA扭锁连接器,
- IEC插头与包夹,或
- 外部脐带保留和管理系统。
前两种技术是非永久性的,允许在没有外部工具的情况下插入和取出电源线,而最后一种技术提供了一种永久性的方法来固定电源线,只能使用扎线钳拆除。IEC捆夹和NEMA扭锁方法在最初购买配电子系统时需要规格说明,并要求在系统设计中此时知道插头类型和尺寸。外部电源线管理系统具有通用电缆约束托盘(图3),带有方形开口的电缆扎带(将插头和电缆固定在适当的位置),并增加了1.75英寸的最大可用连接器数量。电源分配到12个IEC 60320, C13插座。
结论
上述讨论表明,电源分配和控制功能已经从简单的插拔和开关级别成熟到成熟的设计规程。本文的目的是提供设计工程师可用的各种子系统设计方法和功能的视图。
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