Kết nối song song các bộ nguồn: Các phương pháp an toàn để đạt dòng điện cao hơn và đảm bảo dự phòng

Có thể nối các bộ nguồn song song với nhau không? Có, nhưng hầu như không bao giờ theo cách mà mọi người thường thử đầu tiên. Việc nối các cực dương của hai bộ nguồn thông thường với nhau chính là hành động duy nhất có thể làm hỏng cả hai. Tuy nhiên, việc kết hợp hai bộ nguồn một cách an toàn là công việc thường thấy tại các xưởng sửa chữa, bảng điều khiển và dây chuyền sản xuất, vì vậy bạn nên nắm rõ các quy tắc trước khi chạm vào bất kỳ cực nối nào.

Có thể nối các bộ nguồn theo chế độ song song không? Tại sao câu trả lời hiển nhiên lại là “Không”?

Kết nối các cực + và − của hai nguồn điện một chiều thông thường với một tải, và nguồn có điện áp cao hơn sẽ là nguồn chính. Một bộ nguồn chuyển mạch điều chỉnh điện áp cố định: bộ A duy trì 24,0 V, bộ B duy trì 24,2 V. Bộ B không thể đẩy ngược lại đường bus mà bộ A đang duy trì, do đó nó sẽ kích hoạt cơ chế bảo vệ quá dòng, hoặc tệ hơn, hút dòng điện từ bộ A. Hai nguồn điều chỉnh song song đơn giản là sẽ xung đột với nhau: mỗi bộ đọc giá trị trên đường bus, nhận thấy giá trị sai và điều chỉnh theo hướng ngược lại.

Thiết bị có điện áp đầu ra cao nhất tất nhiên sẽ cung cấp dòng điện cho đến khi đạt đến giới hạn của chính nó, sau đó ngừng hoạt động, khiến hệ thống thiếu hụt dòng điện cần thiết (DigiKey, 2016). Chỉ cần sự chênh lệch vài chục milivôn là đủ để gây ra hiện tượng này, và các báo cáo thực tế ghi nhận các trường hợp từ việc ngắt mạch bảo vệ lặp đi lặp lại cho đến hư hỏng thiết bị.

Ở đây, ví dụ về pin không phù hợp. Một tế bào pin đã cạn kiệt sẽ có điện áp giảm xuống và nhận điện tích từ một tế bào pin còn tốt hơn; trong khi đó, bộ nguồn chuyển mạch lại chủ động duy trì mức điện áp cài đặt. Và nếu bạn tìm kiếm các công thức về mạch nối tiếp so với mạch song song, việc nối song song các bộ UPS, hoặc các chế độ kênh bên trong của bộ nguồn thí nghiệm: đó là những chủ đề khác; bài viết này nói về việc kết hợp các đầu ra DC.

Đối với phần lớn độc giả, câu hỏi quan trọng không phải là “tôi có thể làm được không” mà là “cách nào an toàn để đạt được mục tiêu của mình”. Hai trong ba câu trả lời dưới đây hầu như không tốn kém gì.

Ba cách an toàn để kết nối song song các bộ nguồn — và một cách dẫn đến thất bại

Trước hết, hãy phân biệt hai mục tiêu thường bị nhầm lẫn với nhau. Mới hơn có nghĩa là tải thực sự vượt quá khả năng cung cấp của một nguồn và các thiết bị sẽ chia sẻ tải đó. Dự phòng có nghĩa là tải có thể nằm gọn trong một đơn vị, và đơn vị thứ hai sẽ đảm bảo hệ thống vẫn hoạt động nếu đơn vị đầu tiên gặp sự cố. Các lộ trình có phần trùng lặp, nhưng các lựa chọn sản phẩm lại khác nhau: tính dự phòng chính là lúc việc tách biệt phần cứng phát huy tác dụng.

Ngõ cụt: song song cứng trực tiếp. Đã đề cập ở trên. Các vật tư mà là Các hệ thống được thiết kế để chạy song song là hợp lệ; đó là Phương án 3. Một nguồn cấp thông thường không có hỗ trợ chạy song song được công bố thì không thể đảm bảo an toàn chỉ bằng cách cố gắng nhiều hơn.

Phương án 1 — Chia tải thay vì chia dòng điện. Khi hai thiết bị nhỏ hơn thay thế cho một thiết bị lớn hơn bị hỏng, giải pháp an toàn và tiết kiệm nhất thường là không nối song song: nối các cực âm lại với nhau để tạo điểm tham chiếu chung và cấp một nửa tải từ mỗi cực dương. Không cần linh kiện bổ sung, không có dòng điện tuần hoàn, và có thể bảo trì bất kỳ thiết bị nào mà không cần ngắt nửa tải còn lại. Điểm cần lưu ý: tải của bạn phải được chia rõ ràng thành, ví dụ như, hai khu vực, hai động cơ hoặc hai nhóm thiết bị.

Phương án 2 — Tách nguồn ra bằng đi-ốt. Lắp một đi-ốt công suất vào đường dây + của mỗi bộ nguồn trước thanh dẫn chung, để dòng điện chỉ chảy ra khỏi thiết bị, không bao giờ chảy ngược trở lại. Nếu một thiết bị bị hỏng với đầu ra bị đoản mạch, đi-ốt của nó sẽ ngăn không cho thiết bị còn hoạt động đổ dòng vào điểm sự cố. Nên sử dụng loại đi-ốt Schottky để có điện áp sụt giảm thuận thấp hơn và chọn loại có định mức ít nhất gấp 1,5 lần điện áp và dòng điện dự kiến cho mỗi thiết bị. Sự sụt áp qua các đi-ốt khoảng 0,3–0,5 V, con số này đáng kể trên đường nguồn 5 V nhưng có thể bỏ qua trên đường nguồn 24 V. Cài đặt điện áp đầu ra của cả hai bộ nguồn gần như bằng nhau và dự kiến tỷ lệ phân chia không đều: tỷ lệ chia 40:60 là thực tế và phù hợp cho mục đích dự phòng, trong khi tỷ lệ chia đều 50:50 không thể đạt được theo cách này (PULS, 2022). Khi hoạt động ở dòng điện thực tế, các đi-ốt sẽ nóng lên. Hãy lắp chúng lên bộ tản nhiệt hoặc tấm kim loại, không nên bọc chúng trong dây cáp bằng màng co.

Phương án 3 — Sử dụng phần cứng được thiết kế để chia sẻ. Các danh mục sản phẩm DIN-rail công nghiệp phân loại các bộ nguồn thành các thiết bị thông thường và các thiết bị được thiết kế để hoạt động song song. Các mẫu có khả năng hoạt động song song được trang bị tính năng chia sẻ dòng điện: các đầu nối CS/share, liên kết chia sẻ droop, hoặc ghi rõ “hoạt động song song lên đến N thiết bị”. Các mô-đun dự phòng được đặt giữa hai hoặc nhiều bộ nguồn và đường bus, giúp cách ly chúng với nhau và bổ sung một tiếp điểm rơle DC-OK để giám sát; các mô-đun DIN hiện đại sử dụng MOSFET thay vì đi-ốt để giảm nhiệt và tổn thất điện áp (dòng sản phẩm DRDN20/40 của MEAN WELL hỗ trợ dự phòng 1+1 và 1+N ở mức 20 A hoặc 40 A với hai tiếp điểm DC-OK) (CÓ Ý TỐT, 2020). Phương án này tốn chi phí và được thiết kế toàn diện từ đầu đến cuối; phần tiếp theo sẽ đề cập đến cách lựa chọn phương án này.

Lựa chọn cấu hình nguồn điện dự phòng: 1+1 so với N+1, và cách đọc thông số kỹ thuật về khả năng hoạt động song song

Khi mục tiêu là đảm bảo dự phòng, có hai phương án đánh số chủ yếu, và chúng đặt ra các yêu cầu khác nhau đối với sản phẩm.

1+1 so với N+1: có bao nhiêu nguồn cung cấp và mức xếp hạng như thế nào

Cơ chế dự phòng 1+1 sử dụng hai bộ nguồn giống hệt nhau, mỗi bộ đều có khả năng chịu tải toàn bộ một mình, kèm theo cơ chế tách rời. Vì không có bộ nguồn nào bị yêu cầu phải vượt quá công suất định mức của nó, nên phương pháp “1+1” có thể hoạt động với các bộ nguồn thông thường (không được thiết kế để hoạt động song song), miễn là chúng được tách rời (PULS, 2022).

Dự phòng N+1 lắp đặt thêm một thiết bị dự phòng so với số lượng cần thiết. Bởi vì hệ thống chỉ đạt được trạng thái cân bằng khi các thiết bị chia sẻ dòng điện, N+1 yêu cầu các thiết bị được chứng nhận rõ ràng là phù hợp cho hoạt động song song. Một đơn vị thông thường không thể đảm nhận vai trò này (PULS, 2022). Sau khi ghép song song, lấy 90% của công suất định mức tổng hợp làm giới hạn tối đa có thể sử dụng (CÓ Ý TỐT, (không ghi năm).

Làm thế nào để xác định liệu một nguồn cấp có thể được kết nối song song hay không

Hãy đọc bảng thông số kỹ thuật như một danh sách kiểm tra:

• Giao diện chia sẻ dòng điện. CS hoặc các thiết bị chia sẻ tín hiệu được kết nối bằng dây giữa các đơn vị (một số gia đình gọi chúng là P, LP hoặc PLINK), hoặc một chức năng chia sẻ droop đã được ghi chép rõ ràng mà không cần dây kết nối.
• Một hệ thống xếp hạng song song rõ ràng. “Hoạt động song song tối đa N thiết bị” với số lượng tối đa; hầu hết các nhà sản xuất đều giới hạn số lượng thiết bị trong một mảng từ bốn đến sáu thiết bị.
• Một tiếp điểm DC-OK / báo động. Nếu không có nó, bạn sẽ không thể thông báo cho PLC biết rằng một thiết bị đã ngừng hoạt động.
• Im lặng có nghĩa là “không”. Nếu bảng thông số kỹ thuật liệt kê các thông số như quá tải ở chế độ giật, độ dao động và dải nhiệt độ nhưng không đề cập đến việc kết nối song song, hãy coi thiết bị đó là loại chỉ hoạt động đơn lẻ. Đó là tình trạng chung của hầu hết các bộ nguồn DIN-rail mỏng thuộc dải công suất 15–480 W: đây là những thiết bị tốt, mỗi bus chỉ nên lắp một chiếc.

Các quy tắc nối dây cũng quan trọng không kém thông số kỹ thuật. Hãy đảm bảo chênh lệch điện áp đầu ra giữa các thiết bị không vượt quá 0,2 V, và kết nối các thiết bị với nhau bằng dây ngắn, có đường kính lớn trước đó kết nối một cặp dây dẫn với tải. Ngoài ra, hãy đảm bảo tổng tải luôn ở mức cao hơn khoảng 10% so với công suất định mức của một thiết bị: nếu thấp hơn mức đó, các tín hiệu “power-good” và cảnh báo có thể hoạt động bất thường dù thực tế không có sự cố nào xảy ra (CÓ Ý TỐT, (không ghi năm).

Nguồn điện hỗ trợ chế độ song song, hay nguồn điện thông thường kết hợp với mô-đun dự phòng?

Đối với tủ mới, hãy mua theo thông số kỹ thuật: bộ nguồn hỗ trợ kết nối song song cho cấu hình N+1, và đối với cấu hình 1+1 thì có thể chọn cặp bộ nguồn hỗ trợ kết nối song song hoặc các bộ nguồn thông thường kết hợp với mô-đun dự phòng. Đối với tủ đã được lắp đặt sẵn, giải pháp nâng cấp gần như luôn là sử dụng bộ nguồn thông thường kết hợp với mô-đun: bạn vẫn giữ nguyên diện tích lắp đặt và tận dụng được các tiếp điểm DC-OK của mô-đun. Có một cảnh báo từ các nhà sản xuất mô-đun mà bạn nên lưu ý: một bộ nguồn có chức năng song song không tự động sẵn sàng cho dự phòng, vì các mạch chia sẻ dòng điện chủ động thường thiếu bảo vệ chống dòng điện ngược. Nếu một thiết bị được kết nối song song bị hỏng và gây ra ngắn mạch đầu ra, nó có thể làm sụt áp trên đường dẫn (bus) trừ khi có gì đó ngắt kết nối nó. Đó chính xác là những gì các đi-ốt hoặc mô-đun dựa trên MOSFET cung cấp (CÓ Ý TỐT, 2020). Đồng thời, nếu có thể, hãy cấp nguồn cho từng hệ thống dự phòng từ một nguồn điện xoay chiều riêng biệt, để trường hợp mất một pha không làm cả hai thiết bị ngừng hoạt động cùng lúc (PULS, 2022).

Tại sao các bộ nguồn nối song song lại gặp sự cố: Sự lan truyền lỗi, bẫy tải nhẹ và các biện pháp kiểm tra tại hiện trường

Mọi sự cố xảy ra với hệ thống song song đều bắt nguồn từ một nguyên tắc: dòng điện phải được chia sẻ, chứ không chỉ đơn thuần là được phép. Nếu không có sự phân chia tải, thiết bị có điện áp cao nhất sẽ phải gánh vác toàn bộ tải cho đến khi đạt đến giới hạn và ngừng hoạt động. Có hai cơ chế khắc phục vấn đề này (DigiKey, 2016):

• Chia sẻ Droop (thụ động) Hãy để điện áp đầu ra giảm nhẹ khi dòng điện tăng lên, nhờ đó thiết bị bị quá tải sẽ giảm điện áp và các thiết bị còn lại sẽ bù đắp phần thiếu hụt. Cách làm này đơn giản và bền bỉ; đổi lại, độ ổn định của điện áp sẽ kém hơn.
• Chia sẻ tích cực nối các vòng lặp của các thiết bị lại với nhau thông qua một dây chung để chúng điều chỉnh cùng một cường độ dòng điện. Cách này mang lại sự cân bằng chặt chẽ hơn, nhưng do phải đi thêm dây và thiếu chức năng bảo vệ ngược nên nó phải được kết hợp với cơ chế tách biệt khi mục tiêu là đảm bảo dự phòng.

Một đi-ốt hoặc một mô-đun được lắp đặt giữa mỗi nguồn cấp và đường dẫn chính chính là yếu tố biến chế độ “song song” thành chế độ “dự phòng” — nó ngăn chặn dòng điện ngược chảy vào đầu ra bị chập mạch của thiết bị bị hỏng.

Nếu bỏ qua bước tách rời, chỉ cần một sự cố duy nhất cũng đủ để biến cặp dự phòng của bạn thành một sự cố ngừng hoạt động trên toàn hệ thống.

Kiểm tra thực địa: cảnh báo tải nhẹ, thay thế nóng và các triệu chứng liên quan đến mạch đi-ốt

Khi một cấu hình kết hợp hoạt động không đúng, hãy kiểm tra danh sách theo thứ tự:

1. Trước tiên, hãy cách ly. Ngắt kết nối đường dây chính, nối từng nguồn cấp điện vào tải riêng của nó, rồi kiểm tra điện áp và tín hiệu DC-OK trên từng nguồn. Cách này giúp phân biệt giữa “một thiết bị bị lỗi” và “sự kết hợp không đúng”.”
2. Hãy tuân thủ quy tắc tải nhẹ. Khi mức định mức của một thiết bị cụ thể giảm xuống dưới khoảng 10%, các tín hiệu “power-good”/báo động có thể không được kích hoạt chính xác và việc chia sẻ nguồn có thể trở nên mất cân bằng; đây là hiện tượng đã được ghi nhận trong tài liệu, không phải do thiết bị bị hỏng (CÓ Ý TỐT, (không ghi ngày tháng). Hãy lên xe buýt hoặc phớt lờ tiếng còi báo động, nhưng hãy biết rõ mình đang làm gì.
3. Đo mạch đi-ốt đúng cách. Điện áp bus khi không tải nên thấp hơn giá trị cài đặt của nguồn cấp khoảng 0,3–0,5 V. Nếu chỉ số hiển thị bằng giá trị cài đặt tối đa, điều đó có nghĩa là một đi-ốt bị chập mạch và thiết bị đó không còn được cách ly. Tình trạng đi-ốt quá nóng khi tải ở mức vừa phải cho thấy các linh kiện có công suất không đủ hoặc thiếu bộ tản nhiệt — đây là nguyên nhân hỏng hóc phổ biến nhất trong các dự án tự làm.
4. Không được thay thế thiết bị khi đang hoạt động trừ khi có hướng dẫn cụ thể. Việc tháo và thay thế một thiết bị trên một đường bus chung đang hoạt động chỉ an toàn khi phần cứng đó được thiết kế để chịu được điều kiện đó. Trên hệ thống sử dụng đi-ốt, hãy ngắt tải hoặc tắt nguồn đường ray trước.
5. Không bao giờ được trộn lẫn các thương hiệu, mẫu mã hoặc mức xếp hạng trong cùng một nhóm. Các giá trị đặt và đường cong dao động khác nhau sẽ làm mất khả năng chia sẻ ngay từ đầu; nếu các thiết bị phải khác nhau, hãy chia tải (Đường dẫn 1).

Nếu điện áp trên bus không ổn định hoặc thiết bị bảo vệ liên tục ngắt mạch ngay cả khi các thiết bị đã được ghép nối phù hợp và hệ thống dây dẫn được lắp đặt đúng cách, hãy dừng lại: vấn đề đã không còn nằm ở hệ thống ghép song song mà đã chuyển sang các thiết bị hoặc hệ thống dây dẫn ở phía thượng nguồn.

Ý nghĩa của các bộ nguồn song song khi bạn bán hoặc nhập kho chúng

Khi khách hàng hỏi liệu hai nguồn điện 24 V “có thể được nối song song” hay không, họ hiếm khi chỉ muốn nghe câu trả lời “có” hay “không”. Câu hỏi này thường hàm ý một trong ba trường hợp sau: tải đã vượt quá công suất của một thiết bị duy nhất; một thiết bị đã hỏng và còn hai thiết bị nhỏ hơn đang nằm trên kệ; hoặc máy móc không được phép ngừng hoạt động. Mỗi ý định này sẽ dẫn đến một câu trả lời khác nhau và một đơn đặt hàng khác nhau.

Vấn đề này nằm trong logic sửa chữa và thay thế. Một bộ nguồn 40 A bị hỏng, bộ dự phòng phải đợi hai tuần nữa mới có, và kỹ thuật viên có hai bộ 20 A. Đây là trường hợp thuộc Lộ trình 1 (chia tải) hoặc Lộ trình 2 (bộ ghép điốt): cả hai đều là các phương án hợp lệ theo kiểu 1+1, trong đó mỗi bộ có thể chịu một nửa tải hoặc toàn bộ tải, tùy theo từng trường hợp. Vì vậy, hãy hỏi rõ mục tiêu (công suất, thay thế hoặc thời gian hoạt động) trước khi báo giá. Mục tiêu sẽ quyết định liệu khách hàng cần một thiết bị lớn hơn, một cặp thiết bị phù hợp có bộ tách tải, hay một cặp thiết bị song song có mô-đun dự phòng.

Đối với chiến lược quản lý hàng tồn kho, điều này gợi ý nên kết hợp các thiết bị thay vì chọn loại có công suất quá lớn. Thay vì chỉ có một mã hàng (SKU) lớn cho mỗi dải điện áp, hãy dự trữ các cặp nguồn tiêu chuẩn phù hợp cùng với các linh kiện giúp đảm bảo an toàn khi kết hợp chúng. Điều đó có nghĩa là mỗi đầu ra của nguồn phải có một mô-đun dự phòng (hoặc bộ diode), một cầu chì nhánh hoặc cầu dao mini, cùng với các đầu nối thanh cái có kích thước phù hợp cho hệ thống dây song song ngắn và dày. Một nhà phân phối đầy đủ dòng sản phẩm có thể giao nguồn điện DIN-rail, mô-đun, thiết bị bảo vệ nhánh và khối đầu nối trong một đơn hàng. Ranh giới hợp lý cũng rất quan trọng. Đối với tải nằm thoải mái trong phạm vi định mức của một thiết bị, lời khuyên đúng đắn là sử dụng một nguồn điện duy nhất cộng với một nguồn dự phòng, chứ không phải một cặp song song. Và dự phòng 1+1 giúp tăng gấp đôi tính sẵn sàng, chứ không bao giờ tăng công suất.

Nếu bạn cần hỗ trợ để chuyển đổi tài liệu này thành bảng danh mục vật tư, vui lòng gửi bản thông số kỹ thuật và bản vẽ tủ đến bộ phận của chúng tôi dịch vụ tư vấn lựa chọn sản phẩm; chúng tôi cung cấp các bộ nguồn lắp trên thanh DIN, mô-đun dự phòng và các giải pháp bảo vệ tương ứng. Chúng tôi có thể tiến hành thử nghiệm mẫu cho tổ hợp này trước khi quý khách quyết định đặt hàng số lượng lớn; vì vậy, hãy gửi cho chúng tôi thông số tải và chúng tôi sẽ tư vấn cho quý khách biết tổ hợp nào là phù hợp nhất. OMCH bán cả các linh kiện riêng lẻ lẫn các bộ kết hợp, bởi vì chính nhờ sự kết hợp này mà các bộ nguồn song song mới thực sự hoạt động hiệu quả.

Tài liệu tham khảo

1. PULS. “Kết nối song song và dự phòng nguồn điện – Sự khác biệt là gì?” 2022. https://www.pulspower.com/cam/blog/parallel-connection-and-redundancy-of-power-supplies-what-is-the-difference/
2. MEAN WELL Enterprises. “Chức năng dự phòng và ứng dụng của bộ nguồn.” 2020. https://www.meanwell.com/newsInfo.aspx?c=5&i=847
3. MEAN WELL. “Các yêu cầu đối với kết nối song song là gì? Sự khác biệt giữa kết nối song song và kết nối dự phòng là gì?” (Câu hỏi thường gặp dành cho nhà phân phối ủy quyền). https://meanwellpowersupplies.com/technical-articles/faq/what-are-the-requirements-of-parallel-connections-what-are-the-differences-between-parallel-and-redundant/
4. DigiKey. “Cấu hình đúng cách các bộ nguồn song song để chia sẻ dòng tải, nếu không sẽ có nguy cơ hệ thống bị hỏng.” 2016. https://www.digikey.com/en/articles/properly-configure-parallel-power-supplies
5. OMCH. “Dịch vụ lựa chọn sản phẩm.” https://www.omch.com/product-selection/
6. OMCH. “Các linh kiện tự động hóa công nghiệp.” https://www.omch.com/