Параллельное соединение источников питания: безопасные методы для обеспечения более высокого тока и резервирования

Можно ли соединять источники питания параллельно? Да, но почти никогда так, как люди пытаются сделать сначала. Соединение «плюсовых» выходов двух обычных источников питания — это единственное действие, которое может вывести из строя оба устройства. В то же время безопасное объединение двух источников питания — обычная практика в ремонтных мастерских, на пультах управления и производственных линиях, поэтому стоит ознакомиться с правилами, прежде чем прикасаться к клеммам.

Можно ли соединять источники питания параллельно? Почему очевидный ответ — «нет»

Подключите клеммы «+» и «−» двух обычных источников постоянного тока к одной нагрузке, и устройство с более высоким напряжением станет главным в системе. Импульсный источник питания регулируется на фиксированное напряжение: блок A поддерживает 24,0 В, блок B — 24,2 В. Блок B не может противостоять напряжению на шине, которое уже поддерживает блок A, поэтому он срабатывает на защиту от перегрузки по току или, что ещё хуже, отбирает ток от блока A. Два стабилизированных источника, включённые параллельно, просто борются друг с другом: каждый считывает напряжение на шине, видит неверное значение и корректирует его в противоположном направлении.

Устройство с наибольшим выходным напряжением, естественно, подает ток до предела своих возможностей, а затем отключается, в результате чего системе не хватает необходимого тока (DigiKey, 2016). Для его запуска достаточно рассогласования напряжения в несколько десятков милливольт, а в отчетах с мест фиксируются как многократные срабатывания защитных устройств, так и повреждения оборудования.

Аналогия с батареей здесь не работает. Напряжение разряженного элемента падает, и он принимает заряд от более исправного; импульсный источник питания же активно поддерживает заданное значение напряжения. А если вы искали формулы для последовательных и параллельных цепей, информацию о параллельном подключении ИБП или о режимах внутренних каналов лабораторного источника питания — это совсем другие темы; данная статья посвящена объединению выходов постоянного тока.

Для большинства читателей важнее не вопрос “смогу ли я”, а “каким безопасным способом я могу достичь своей цели”. Два из трёх приведённых ниже ответов практически ничего не стоят.

Три безопасных способа параллельного соединения источников питания — и один тупиковый вариант

Во-первых, разграничьте две цели, которые постоянно путают. Более актуальная означает, что нагрузка действительно превышает мощность одного источника питания, и устройства распределяют её между собой. Резервирование Это означает, что нагрузка помещается в одном модуле, а второй модуль обеспечивает работоспособность системы в случае выхода из строя первого. Пути частично пересекаются, но выбор продуктов различается: именно в случае избыточности развязка аппаратных компонентов оправдывает себя.

Тупик: прямое жесткое параллельное выполнение. Об этом уже говорилось выше. Материалы, которые являются Системы, изначально разработанные для работы в параллельном режиме, являются допустимыми; они относятся к пути 3. Обычную систему, не имеющую заявленной поддержки параллельной работы, невозможно сделать безопасной, как бы ни старались.

Вариант 1 — Распределить нагрузку вместо тока. Когда два меньших устройства заменяют одно вышедшее из строя более крупное, самым экономичным и безопасным решением зачастую является полный отказ от параллельного соединения: соедините минусовые выводы для общего заземления и подайте питание на одну половину нагрузки с каждого плюса. Никаких дополнительных деталей, никакого циркулирующего тока, и любое из устройств можно отключить для ремонта без отключения другой половины нагрузки. Но есть один нюанс: ваша нагрузка должна четко делиться, например, на две зоны, два двигателя или два блока устройств.

Вариант 2 — Развязать выходы с помощью диодов. Установите по одному силовому диоду на линии «+» каждого источника питания перед общей шиной, чтобы ток протекал только из блока, но никогда не возвращался обратно в него. Если один из блоков выйдет из строя из-за короткого замыкания на выходе, его диод не позволит исправному блоку подавать ток на место неисправности. Используйте диоды Шоттки из-за более низкого прямого падения напряжения и рассчитывайте их номинальные значения как минимум в 1,5 раза выше ожидаемого напряжения и тока для каждого блока. Падение напряжения на диодах составляет примерно 0,3–0,5 В, что заметно на шине 5 В и пренебрежимо мало на шине 24 В. Установите для обоих источников питания практически одинаковое выходное напряжение и будьте готовы к неравномерному распределению нагрузки: соотношение 40:60 является реалистичным и вполне приемлемым для обеспечения резервирования, тогда как идеальное соотношение 50:50 таким образом недостижимо (PULS, 2022). При прохождении реального тока диоды сильно нагреваются. Устанавливайте их на радиатор или металлическую панель, а не закрепляйте термоусадочной трубкой в жгуте проводов.

Вариант 3 — Использование оборудования, предназначенного для совместного использования. В каталогах промышленных устройств для монтажа на DIN-рейку источники питания подразделяются на обычные устройства и устройства, предназначенные для параллельной работы. Модели, поддерживающие параллельную работу, оснащены функцией распределения тока: клеммами CS/share, соединительным звеном для распределения падения напряжения или явным указанием “параллельная работа до N устройств”. Модули резервирования устанавливаются между двумя или более источниками питания и шиной, развязывают их и добавляют контакт реле DC-OK для мониторинга; современные модули на DIN-рейке используют MOSFET вместо диодов для снижения нагрева и потерь напряжения (серия DRDN20/40 компании MEAN WELL поддерживает резервирование 1+1 и 1+N при токе 20 А или 40 А с двумя контактами DC-OK) (С БЛАГИМИ НАМЕРЕНИЯМИ, 2020). Этот подход требует затрат и предполагает комплексное проектирование; в следующем разделе рассказывается, как его выбрать.

Выбор схемы резервирования источников питания: 1+1 против N+1 и как понимать технические характеристики, касающиеся возможности параллельного подключения

Когда целью является обеспечение избыточности, на первый план выходят две схемы нумерации, к которым предъявляются разные требования к продуктам.

1+1 против N+1: сколько источников питания и какой номинальной мощности

Резервирование 1+1 использует два одинаковых источника питания, каждый из которых способен самостоятельно выдерживать всю нагрузку, а также предусматривает развязку. Поскольку ни один из блоков никогда не вынужден работать с нагрузкой, превышающей его номинальные характеристики, схема «1+1» работает с обычными источниками питания, не рассчитанными на параллельную работу, при условии, что они развязаны (PULS, 2022).

Избыточность N+1 устанавливает один запасной экземпляр сверх необходимого количества. Поскольку баланс в группе соблюдается только в том случае, если устройства делят между собой ток, Система N+1 требует использования компонентов, явно предназначенных для параллельной работы. Обычная единица не может выполнять эту роль (PULS, 2022). После включения параллельного соединения следует рассматривать 90% от суммарной номинальной мощности в качестве максимального допустимого значения (С БЛАГИМИ НАМЕРЕНИЯМИ, без даты).

Как определить, можно ли подключить источники питания параллельно

Изучите техническое описание, как чек-лист:

• Интерфейс обмена данными. CS-терминалы или терминалы совместного использования, соединяемые между блоками с помощью проводов (в некоторых сериях их называют P, LP или PLINK), либо документально подтвержденная функция совместного использования с регулировкой нагрузки, не требующая прокладки проводов.
• Явная параллельная оценка. “Параллельная работа до N устройств” с указанием максимального количества; большинство производителей ограничивают количество устройств в массиве от четырёх до шести.
• Контакт DC-OK / сигнализации. Без этого невозможно сообщить ПЛК о том, что один из модулей вышел из строя.
• Молчание означает «нет». Если в таблице технических характеристик указаны перегрузка в режиме «hiccup», пульсации и диапазон рабочих температур, но нигде не упоминается возможность параллельного подключения, следует рассматривать устройство как предназначенное исключительно для автономной работы. Именно так обстоит дело с большинством компактных источников питания для монтажа на DIN-рейку мощностью 15–480 Вт: это качественные устройства, по одному на каждую шину.

Правила подключения имеют такое же значение, как и номинальные характеристики. Разница в выходном напряжении между устройствами должна быть не более 0,2 В, а соединять устройства между собой следует короткими проводами большого сечения. до подключив одну пару проводов к нагрузке. Кроме того, общая нагрузка должна превышать примерно 10% номинальной мощности одного устройства: при нагрузке ниже этого значения сигналы «Power-Good» и сигналы тревоги могут вести себя некорректно, даже если никаких неисправностей нет (С БЛАГИМИ НАМЕРЕНИЯМИ, без даты).

Источник питания с поддержкой параллельного подключения или обычный источник питания с модулем резервирования?

Для нового шкафа приобретайте оборудование в соответствии с техническими требованиями: источники питания с поддержкой параллельного подключения для конфигурации N+1, а для 1+1 — либо пару устройств с поддержкой параллельного подключения, либо обычные блоки, подключенные через модуль резервирования. Для шкафа, уже установленного в помещении, решением при модернизации почти всегда является использование обычных источников питания в сочетании с модулем: вы сохраняете занимаемую площадь и получаете доступ к контактам «DC-OK» модуля. Стоит всерьёз отнестись к одному предупреждению производителей модулей: блок питания с функцией параллельного подключения не всегда готов к резервированию, поскольку в активных схемах распределения тока, как правило, отсутствует защита от обратного тока. Если параллельно подключённый блок выйдет из строя из-за короткого замыкания на выходе, он может вызвать сбой шины, если его не отсоединить. Именно это и обеспечивают диоды или модуль на основе MOSFET (С БЛАГИМИ НАМЕРЕНИЯМИ, 2020). По возможности подключайте каждый резервный источник питания к отдельному источнику переменного тока, чтобы отключение одной фазы не привело к одновременному выходу из строя обоих устройств (PULS, 2022).

Почему выходят из строя блоки питания, включенные параллельно: общие неисправности, «ловушки» малой нагрузки и проверки в полевых условиях

Каждая неисправность параллельной установки сводится к одной идее: ток должен быть общий, а не просто допускается. Без распределения нагрузки устройство с наибольшим напряжением несет нагрузку до тех пор, пока не достигнет предела своих возможностей и не отключится. Эту проблему устраняют два механизма (DigiKey, 2016):

• Обмен данными по методу Друппа (пассивный) позволяет напряжению на выходе слегка проседать при увеличении тока, так что при перегрузке одного устройства его напряжение снижается, а остальные компенсируют этот провал. Просто и надежно; компромисс заключается в менее строгом регулировании.
• Активный обмен соединяет контуры устройств общим проводом, благодаря чему они регулируются на один и тот же ток. Обеспечивается более точная сбалансированность, однако из-за дополнительной проводки и отсутствия защиты от обратного тока эту схему необходимо сочетать с развязкой, если требуется обеспечить резервирование.

Именно диод или модуль, установленный между каждым источником питания и шиной, превращает “параллельное” соединение в “резервированное” — он блокирует обратную подачу тока на закороченный выход вышедшего из строя блока.

Если не обеспечить развязку, то даже один сбой превратит вашу резервированную пару в сбой, затронувший всю систему.

Проверки на месте: сигнализация о малой нагрузке, «горячая» замена и признаки неисправности диодной схемы

Если комбинированная конфигурация работает некорректно, проверьте список по порядку:

1. Сначала изолируйте. Отсоедините шину, подключите каждый источник питания к отдельной нагрузке и проверьте напряжение и сигнал “DC-OK” на каждом из них. Это позволит отличить “один неисправный блок” от «неисправной комбинации».”
2. Соблюдайте правило «легкой нагрузки». При значении ниже примерно 10% от номинального значения отдельного устройства сигналы «Power-Good» и «Alarm» могут формироваться некорректно, а распределение нагрузки — стать неравномерным; это задокументированное поведение, а не неисправность устройства (С БЛАГИМИ НАМЕРЕНИЯМИ, без даты). Садитесь в автобус или игнорируйте сигнал тревоги, но будьте уверены, что вы знаете, что именно делаете.
3. Правильно измерьте диодную схему. Напряжение на шине в режиме холостого хода должно быть примерно на 0,3–0,5 В ниже заданных значений источников питания. Если показатель соответствует полному заданному значению, это означает, что диод закорочен и данный блок больше не является изолированным. Нагрев диодов при умеренной нагрузке свидетельствует о том, что детали выбраны с недостаточным расчетом или отсутствуют радиаторы — это наиболее распространенная причина неисправностей при самостоятельной сборке.
4. Не выполняйте «горячую» замену, если это не предусмотрено технической документацией. Извлечение и замена модуля на общей шине, находящейся под напряжением, безопасны только в том случае, если аппаратное обеспечение рассчитано на это. В установке с диодами сначала необходимо сбросить нагрузку или отключить питание шины.
5. Ни в коем случае не смешивайте в одной группе разные бренды, модели или номинальные мощности. Различные уставки и профили пульсаций исключают возможность совместного использования ещё до начала работы; если параметры устройств должны различаться, распределите нагрузку (путь 1).

Если напряжение на шине нестабильно или защита постоянно срабатывает даже при использовании совместимых блоков и правильной проводке, остановитесь: проблема возникла не в параллельной схеме, а в самих блоках или в проводке, расположенной выше по цепи.

Что означают «параллельные источники питания» при их продаже или хранении на складе

Когда заказчик спрашивает, “можно ли соединить параллельно” два источника питания на 24 В, он редко ожидает ответа «да» или «нет». Обычно этот вопрос означает одно из трёх: нагрузка превысила мощность одного устройства; одно устройство вышло из строя, а на полке лежат два более маломощных; либо нельзя допустить остановки оборудования. Каждый из этих случаев требует своего ответа и, соответственно, своего заказа.

Этот вопрос вписывается в логику ремонта и замены. Вышел из строя блок питания на 40 А, запасной будет готов только через две недели, а у технического специалиста есть два устройства на 20 А. Здесь речь идет о «Варианте 1» (распределение нагрузки) или «Варианте 2» (диодная схема): оба являются допустимыми схемами типа «1+1», при этом каждое устройство может принимать на себя свою половину нагрузки или всю нагрузку целиком, соответственно. Поэтому перед составлением предложения уточните цель (мощность, замена или время безотказной работы). От цели зависит, нужен ли заказчику один более мощный блок, согласованная пара с развязкой или пара с номинальной мощностью, работающая параллельно, с модулем резервирования.

С точки зрения стратегии формирования запасов это означает, что следует отдавать предпочтение парам, а не крупногабаритным изделиям. Вместо одного крупного SKU на каждый диапазон напряжения следует хранить на складе согласованные пары стандартных источников питания наряду с компонентами, обеспечивающими безопасность их совместного использования. Это означает наличие модуля резервирования (или набора диодов), ответвленного предохранителя или миниатюрного автоматического выключателя на каждый выход источника питания, а также шинных клемм, рассчитанных на короткую и толстую параллельную проводку. Дистрибьютор, предлагающий полный ассортимент, может отправить блок питания на DIN-рейке, модуль, ответвленную защиту и клеммную колодку в одном заказе. Важно также четко определять границы. Для нагрузки, которая комфортно укладывается в номинальные параметры одного устройства, правильным советом будет использовать один блок питания плюс запасной, а не параллельную пару. А резервирование 1+1 удваивает доступность, но никогда не увеличивает мощность.

Если вам нужна помощь в преобразовании этого в спецификацию, отправьте свои технические характеристики и чертежи шкафов в наш услуга по подбору товаров; мы подбираем источники питания для DIN-рейки, модули резервирования и средства защиты к ним. Мы можем провести выборочные испытания данной комбинации, прежде чем вы примете решение о заказе партии, поэтому пришлите нам данные о нагрузке, и мы подскажем, какая комбинация будет оптимальной. Компания OMCH продает как отдельные компоненты, так и готовые комбинации, поскольку именно в таких комбинациях параллельные источники питания действительно работают.

Ссылки

1. PULS. “Параллельное подключение и резервирование источников питания — в чём разница?” 2022 г. https://www.pulspower.com/cam/blog/parallel-connection-and-redundancy-of-power-supplies-what-is-the-difference/
2. MEAN WELL Enterprises. “Резервирование функций и применение источников питания”. 2020 г. https://www.meanwell.com/newsInfo.aspx?c=5&i=847
3. С ДОБРЫМИ НАМЕРЕНИЯМИ. “Каковы требования к параллельным соединениям? В чём заключаются различия между параллельным и резервированным подключением?” (часто задаваемые вопросы официального дистрибьютора). https://meanwellpowersupplies.com/technical-articles/faq/what-are-the-requirements-of-parallel-connections-what-are-the-differences-between-parallel-and-redundant/
4. DigiKey. “Правильная настройка параллельных источников питания для распределения тока нагрузки — иначе возможен сбой системы”. 2016 г. https://www.digikey.com/en/articles/properly-configure-parallel-power-supplies
5. OMCH. “Служба подбора продукции”.” https://www.omch.com/product-selection/
6. OMCH. “Компоненты промышленной автоматизации”.” https://www.omch.com/