Введение
Программируемые источники питания постоянного тока уже давно используются при производстве силовой электроники и для тестирования различных аккумуляторных батарей. В ходе множества испытаний и определения характеристик продукта, которые необходимо выполнить, инженеры-испытатели часто сталкиваются с проблемой, куда направить избыточную энергию: например, в результате циклических испытаний аккумуляторов, систем накопления энергии (блоки топливных элементов и т.д.), разряда химических источников тока и при других испытаниях на отжиг компонентов и при стресс-тестах. В типовых решениях обычно используется либо резистивный блок нагрузки (мощный резистор), либо традиционная электронная нагрузка, которая выделяет излишки электроэнергии в виде тепла. Естественно, при таких испытаниях и при моделировании испытательного комплекса необходимо уделять дополнительное внимание температурным режимам, что делает задачу намного сложнее, чем кажется на первый взгляд. Но в то же время данный процесс вызывает вопрос: можно ли всю эту энергию преобразовать и повторно использовать на объекте? Уже сейчас в ряде стран были проведены федеральные реформы, направленные на преимущественное использование 100% экологически чистой электроэнергии к 2030 году. Также вводятся налоговые льготы на использование солнечной энергии и субсидии с грантами на переработку промышленных отходов. Уже довольно давно наблюдается стремление крупных промышленных предприятий стать «зелёными» и работать более эффективно. Рекуперативные электронные нагрузки предлагают энергосберегающую альтернативу резистивным блокам нагрузок, перенаправляя поглощаемую мощность обратно в сеть. Количество электроэнергии, которое предприятие может таким образом экономить ежегодно, является значительным, и эта экономия будет только увеличиваться, если будет увеличиваться число проводимых на нём испытаний. Рекуперативные электронные нагрузки EA Elektro-Automatik (далее EA) имеют КПД порядка 96%, позволяя предприятиям пере-рабатывать бо́льшую часть энергии, которая в противном случае была бы преобразована в тепло. И это уже следующий шаг в развитии программируемых источников питания постоянного тока и электронных нагрузок – преобразование всей используемой энергии и возврат её в местную электросеть. Целью данной статьи является иллюстрация возможностей применения приборов с рекуперацией энергии на различных предприятиях.
Рассеивание избыточной тепловой энергии с помощью резистивных блоков нагрузок и электронных нагрузок
Блок нагрузки постоянного тока имитирует поведение реальной электрической нагрузки, чтобы проверить испытуемый источник энергии и убедиться, что он соответствует техническим характеристикам и другим требуемым критериям, которые были заложены при его проектировании. Также эти нагрузки предназначены для симуляции реальных событий, включая нештатные ситуации, которые могут произойти с тестируемым источником питания, когда он будет эксплуатироваться в реальных условиях, так сказать «в полях»; поглощаемая нагрузкой энергия при таких испытаниях обычно рассеивается в виде тепла. Блоки традиционных нагрузок, на которые подаётся ток от испытуемого источника энергии, могут быть резистивными, реактивными (индуктивными или ёмкостными) или просто ёмкостными.
Самый распространённый блок резистивной нагрузки имитирует нагрузку путём преобразования электрической энергии в тепловую с помощью силовых резисторов. Во время проведения испытаний, настройки, калибровки или проверки работы источника энергии блок нагрузки подключается к выходу тестируемого источника (в данном случае источником энергии здесь может быть генератор, батарея, усилитель или фотоэлектрическая система), к которому при реальной эксплуатации подключалась бы реальная цепь с нагрузкой. Блок нагрузки может смоделировать для источника питания электрические характеристики и события, возникающие при его стандартной эксплуатации, при этом рассеивая избыточную выходную мощность. Данная мощность преобразуется в тепло с помощью мощного резистора или группы резистивных нагревательных элементов в устройстве. В состав такой нагрузки обычно также входят цепи измерения и учёта электроэнергии, контроля нагрузки и защиты от перегрузки. Нагрузка должна максимально близко симулировать реальные требования, которые предъявляются к критически важным энергосистемам. Блоки резистивных нагрузок также востребованы во время работы возобновляемых источников с переменным характером выработки электроэнергии, таких как ветряки: они применяются для рассеивания избыточной энергии, которую электрическая сеть не может принять. По похожему принципу работают тормозные резисторы на рельсовом транспорте, которые принимают на себя избыточную энергию от двигателей при рекуперативном торможении. Такие блоки резистивных нагрузок предлагают изначально недорогое и приемлемое решение, если акустический шум, занимаемое рабочее пространство и эффективность не являются ключевыми факторами для конкретного промышленного применения.
Относительно недавно появились программируемые электронные нагрузки, в которых используются активные схемы для динамического моделирования изменяющихся профилей нагрузки, таких как постоянное напряжение (CV), постоянный ток (CC), постоянная мощность (CP) и постоянное сопротивление (CR). Традиционная электронная нагрузка – прибор, который поглощает энергию, используя транзисторы для имитации омического сопротивления. Это является преимуществом такой нагрузки – электронная нагрузка может работать в течение длительного времени и плавно изменять поглощаемую мощность, а также другие характеристики, что значительно повышает качество и точность измерений при испытаниях. И, как следствие, даёт лучшие результаты при тестировании параметров источников постоянного напряжения и тока, таких как батареи, вторичные источники питания, конденсаторы или турбины. Здесь уже настройки системы могут быть более гибкими, и отсутствуют ограничения, которые накладываются обычной резистивной нагрузкой (так называемой пассивной) с неизменным значением сопротивления.
Наиболее «расточительные» на электроэнергию применения
Но, независимо от возможностей настройки и программирования электронной нагрузки, она всё равно должна рассеивать избыточную энергию в виде тепла. И это не всегда простая задача. Обычно это достигается с помощью конвекционного охлаждения с использованием либо принудительного обдува (т.е. вентиляторов), либо жидкости (т.е. подключения нагрузки к внешнему контуру водяного охлаждения). Наиболее распространённым рассеивающим модулем в электронной нагрузке является блок, в котором серия силовых резисторов с конвекционным охлаждением рассеивает энергию в виде тепла, тратя её 100% впустую. Пример такого блока резисторов, который используется в обычной электронной нагрузке, показан на рис. 1. Есть у него ряд недостатков: это постоянный акустический шум, который приводит к значительному увеличению окружающего шума на производстве. Более того, любая активная система охлаждения сопряжена с дополнительными затратами энергии: включённый кондиционер, работающие вентиляторы или активный водяной контур охлаждения.
Рис. 1. Блок силовых резисторов электронной нагрузки с принудительным вентиляторным охлаждением
Существует довольно много испытаний, в которых потребляется огромное количество энергии. При промышленных испытаниях батарей и топливных элементов требуется, чтобы испытуемый элемент был разряжен перед транспортировкой, дабы гарантировать возможность безопасной интеграции этих элементов в более крупную систему накопления энергии.
Испытания, при которых потенциально полезная энергия рассеивается в тепло, не ограничиваются только разрядкой аккумуляторов или топливных элементов. При тестировании на работоспособность многих устройств (например, источников питания постоянного тока, двигателей, инверторов, химических источников тока, топливных элементов и т.д.) требуется, чтобы блоки резистивной нагрузки с вентиляторным охлаждением выполняли многодневные непрерывные циклы рассеивания тепла и обеспечивали выполнение необходимых испытаний для оборудования (например, 5000 часов наработки для автокомпонентов, 10 000 часов для систем резервного питания и т.д.). Эти циклы наработки на отказ выполняются путем тестирования продуктов и компонентов в нормальных условиях, в ускоренных режимах или даже при экстремальных условиях окружающей среды, перед тем как приступить к следующим этапам тестирования, например, на производительность.
Лаборатории, в которых проводятся подобные испытания, довольно дороги в оснащении и содержании, и многие предприятия проводят тестирование на их базе круглосуточно.
На рис. 2 показан пример типовой лабораторной установки для проверки аккумуляторных батарей.
Рис. 2. Пример типовой лабораторной установки для проверки аккумуляторных батарей
С точки зрения испытаний и измерений важно провести качественные тесты, чтобы параметры батареи действительно подтверждались и соответствовали заявленным характеристикам на протяжении всего её срока службы. Для этого требуется тестируемое устройство (в нашем случае – батареи), климатическая камера для проведения стресс-тестов и термического анализа, автоматизированное испытательное оборудование (это может быть, например, программируемый источник питания, электронная нагрузка и стойка с измерительным оборудованием), а также необходимое программное обеспечение, которое
будет управлять процессами и вести аналитику данных.
Использование рекуперативных электронных нагрузок
Во время проведения испытаний с аккумуляторами, системами контроля тяги, двунаправленными зарядными устройствами для электромобилей и с топливными элементами требуется не только источник тока, но и приёмник. Например, аккумулятор необходимо заряжать и разряжать, чтобы проверить двунаправленную передачу энергии к аккумулятору электромобиля и от него при рекуперативном торможении. Обычно эти испытания проводятся с использованием двух разных приборов: программируемого источника питания постоянного тока и электронной нагрузки (или пассивной нагрузки в виде резистивного блока). Тогда как, вместо обычной, для этого можно было бы использовать рекуперативную электронную нагрузку, которая может преобразовывать мощность разряда (P = U × I) в полезную для сети предприятия электроэнергию (рис. 3).
Рис. 3. Распределение электроэнергии с рекуперативным прибором в цепи предприятия
Это становится выгодно по двум пунктам:
- снижаются общая потребность в электроэнергии на предприятии и связанные с ней затраты;
- рекуперация позволяет значительно снизить выделение устройством тепла, что, в свою очередь, снижает потребление энергии оборудованием, которое необходимо для охлаждения данных устройств.
Кроме того, это обеспечивает максимальную гибкость при работе, модернизации или обновлении лабораторных и производственных помещений.
Преимущества двунаправленных источников питания от EA Elektro-Automatik
Двунаправленные источники питания от EA сочетают в себе как рекуперативную электронную нагрузку, так и программируемый источник питания в одном корпусе, поэтому вместо рассеивания избыточной энергии на тепло можно её преобразовывать с помощью функционала рекуперативной нагрузки двунаправленного ИП и отдавать обратно в сеть предприятия.
В этом случае в источнике питания энергия через DC-DC-конвертер передаётся на инвертор постоянного тока, который, в свою очередь, синхронизируется с распределительной сетью предприятия для повторного использования энергии (рис. 4). Таким образом, мы получаем один прибор вместо двух, да ещё и с возможностью передачи отработанной электроэнергии обратно в сеть предприятия вместо рассеивания её в тепло. Давайте более подробно рассмотрим новые серии таких силовых модулей от EA: это EA-PU, EA-PUB и EA-PUL. Отличительная особенность серии ЕА от других серий источников питания и нагрузок – это отсутствие дисплея и органов управления на лицевой части приборов: всё управление осуществляется удалённо с помощью цифровых интерфейсов, так как предполагается, что данные модули будут масштабироваться и встраиваться в комплексные испытательные стенды с другим измерительным оборудованием.
Рис. 4. Принцип передачи энергии обратно в сеть в двунаправленном источнике питания
Внешний вид таких модулей представлен на рис. 5. В серии представлены силовые модули в виде программируемого источника питания EA-PU (PU – Power Unit, силовой модуль), двунаправленного источника питания
EA-PUB (PUB – Power Unit Bidirectional, силовой модуль двунаправленный) и рекуперативной электронной нагрузки EA-PUL (PUL – Power Unit Load, силовой модуль нагрузочный). Данные серии предлагаются с выходной мощностью 60 кВт и в корпусе высотой 6U для монтажа в стойку.
Рис. 5. Внешний вид силовых модулей EA-PU/PUB/PUL
Различные силовые модули серии EA-PU/PUB/PUL имеют разные диапазоны выходных токов и напряжений (см. табл. 1). Благодаря широкому диапазону входных напряжений эти устройства универсальны по подключению к разным сетям питания и относительно просты в плане интеграции в системы тестирования.
Таблица 1. Основные серии модулей EA-PU/PUB/PUL, а также их модели и параметры
Помимо функционала рекуперативной электронной нагрузки, двунаправленные источники питания данной серии имеют автоматический выбор диапазона (так называемая автодиапазонность), что позволяет этим блокам работать в очень широких диапазонах напряжений и токов, и, таким образом, для разных задач может использоваться всего один прибор вместо нескольких. В этих модулях есть встроенный генератор сигналов произвольной формы, с помощью которого можно легко моделировать импульсы постоянного тока и напряжения определённой заданной формы. Это значительно упрощает и сокращает время динамических тестов испытуемого оборудования. Все силовые модули поддерживают современные цифровые интерфейсы управления, включая RS-232, Profibus, CAN/CANOpen, DeviceNet, Modbus, Ethernet, Profinet и EtherCAT.
Модули интерфейсов легко меняются с помощью слота интерфейсной карты на задней стороне прибора, что позволяет легко переключаться между популярными промышленными протоколами связи (рис. 6).
Рис. 6. Модуль интерфейса связи (слева) легко устанавливается в слот цифрового интерфейса силового модуля EA (справа) и может быть легко заменён в зависимости от того, какой протокол связи используется
Перспективы применения данных приборов велики, так как требования к автоматизированным системам тестирования предъявляются всё более жёсткие и растёт уровень сложности испытаний при масштабировании таких испытательных комплексов. Преимущества внедрения двунаправленных источников питания EA заключаются в следующем:
- снижение энергопотребления и оптимизация энергетической инфра-структуры предприятия;
- более развитый функционал уст-ройств в меньшем объёме;
- снижение акустических шумов за счёт меньшего количества вентиля-торов охлаждения;
- снижение затрат на кондиционирование и отведение тепла из помещений, где эксплуатируются данные источники питания;
- внутренние компоненты нагреваются менее интенсивно, что позволяет увеличить срок службы прибора.
Рекуперативные электронные нагрузки и двунаправленные источники питания могут помочь значительно снизить эксплуатационные расходы испытательных центров за счёт разумного и эффективного использования электроэнергии. ●
© СТА-ПРЕСС, 2023
Автор – сотрудник фирмы ПРОСОФТ
Телефон: (495) 234-0636
E-mail:
info@prosoft.ru
автоматизация
автоматизация
автоматизация
автоматизация
