Пусковые токи и как с ними бороться

Современные тенденции снижения массы и габаритов приборов привели к тому, что практически в каждом устройстве применяют импульсные источники питания, ведь они превосходят трансформаторные не только по вышеперечисленным характеристикам, но также и в качестве получаемого постоянного напряжения, имеют широкие возможности регулировки выходного напряжения и тока, а также традиционно оснащены защитой от перегрузки по выходному току, но во всем есть и обратная сторона.

Давайте постараемся разобраться, где тут подводные камни.

Наверное, многие уже сталкивались с такой ситуацией: купили новый светодиодный экран хорошей площади, с маленьким шагом пикселей, посчитали максимальную нагрузку, вроде влезаете в действующие дистрибьюторы и коммутацию. И вот приехали на площадку, повесили, включаете основной автомат, с характеристикой «С» (чуть позже разберем данный параметр), а его сразу выбивает. В чем же проблема? Вроде и автомат с запасом, и КЗ на линии нет… Ответ на данный вопрос очень прост: дело в том, что у каждого блока питания в момент включения есть так называемый пусковой ток (Inrush Current), его величина может в десятки раз превышать ток, потребляемый при максимальной нагрузке.

Что же делать в такой ситуации? Многие приходят к следующим вариантам решения данной проблемы:

Повысить номинал автоматических выключателей.
Использовать автоматические выключатели категории «D».
Включать не все приборы сразу, а постепенно.
Давайте разберем отрицательные стороны таких методов.

Повышение номинала автомата. Выключатель на 16А, ставим на 32А. Да, работать будет, но, во-первых, вы рискуете перегрузить проводник (кабель), идущий до прибора. 16А автомат спасет кабель 3х2,5, а вот 32А автомат перегреет его с легкостью. А во-вторых, сама проблема пускового тока остается и возможно подгорание контактов автомата в момент включения и выключения.

Следующий вариант — это поставить автомат с другой категорией. Категория — это буква на автомате, чаще всего «С», но также бывают «А», «B» и «D».
«А» и «B» разбирать не будем, они применяются там, где недопустимы даже кратковременные перегрузки, а пусковые токи практически отсутствуют.

«С» — самые распространенные. Для того, чтобы произошло срабатывание соленоида электромагнитного расцепления, установленного в таком приборе, нужно, чтобы проходящий через него поток электронов превысил номинальную величину в 5 раз. Срабатывание теплового расцепителя при пятикратном превышении номинала аппарата защиты происходит через 1,5 сек.

«D» — эти автоматы имеют наиболее высокую перегрузочную способность. Для срабатывания электромагнитной катушки, установленной в аппарате такого типа, нужно, чтобы номинал по электротоку защитного автомата был превышен как минимум в 10 раз. Срабатывание теплового расцепителя в этом случае происходит через 0,4 сек. Они служат больше для подстраховки от КЗ, т.к. тот же кабель с перегрузкой нагреется скорее всего быстрее, чем биметаллические пластины внутри автомата. Помимо этого, такие выключатели гораздо труднее приобрести и их стоимость достаточно высокая.

Поочередное включение. Как это осуществить? Первый способ: щелкать автоматами по 1 (опять же если их не выбивает), второй способ: включать по 1 усилителю (модулю экрана, кабинету активного массива, световому прибору). И вроде да, все хорошо, запустились, но что, если свет отключат в момент концерта? Повторный запуск займет достаточно много времени.
Попробуем разобраться как более профессионально бороться с данной проблемой. Для начала разберемся откуда берутся эти пусковые токи. Рассмотрим схему простейшего импульсного блока питания.

До включения блока питания конденсатор C1 полностью разряжен и напряжение на нем равно нулю, в то время как в рабочем режиме оно достигает амплитудного значения напряжения сети, равного, при входном напряжении 220 В, около 310 В. Поскольку напряжение на конденсаторе измениться мгновенно не может, то в момент включения схемы обязательно должен произойти бросок тока из-за необходимости заряда конденсатора фильтра и этот ток надо куда-то рассеять, часть конечно потеряется в проводниках и рассеется в тепло, но большую часть придется поглотить блокам питания, а некоторые, к сожалению, на это неспособны, соответственно это чревато выходом из строя не только автоматических выключателей, но и самих блоков питания.

Максимальное значение пускового тока зависит не только от электрических характеристик элементов схемы, но и от момента включения ее в сеть. Наихудшим случаем считается подключение к сети в моменты, когда ее напряжение равно амплитудным значениям (пик синуса). В такой ситуации пусковой ток может превышать номинальный в 600 раз! Соответственно если блок питания всего 6 ампер, то в неудачное время включения Вы можете получить ток в проводниках в 3600А, хотя и время будет совсем небольшим (1мс), но такой импульсный ток способен хорошо нагреть контакты в вилках, розетках, автоматических выключателях, реле и т.д. Если в цепи присутствуют прослабленные контакты, то возможно образование дуги, которая просто-напросто выжжет данное соединение.

Для предотвращения появления большого пусковой тока чаще всего устанавливают термистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. В момент включения, когда сопротивление термистора велико, пусковой ток мал. После запуска источника питания ток, протекающий через термистор, разогревает его, что приводит к снижению его сопротивления и, как следствие, к уменьшению влияния на работу схемы

Еще одна проблема, это параллельное подключение большого количества блоков питания.


Из формулы видно, что, подключая большое количество блоков питания, мы понижаем защитное сопротивление цепи.

Ко всему прочему, есть еще одна проблема, мало кто о ней пишет и мало, кто о ней знает. Это момент выключения оборудования. Дело в том, что импульсники работают в широком значении напряжений обычно от 90 до 270 вольт и в момент расцепления, заряд на конденсаторе еще накоплен и получается воздушное сопротивление, блок питания начинает потреблять еще больший ток, чтобы стабилизировать выходное напряжение и происходит дугообразование, которое способно «склеить» контакты расцепителя. Об этом тоже стоит помнить.

Из всего вышесказанного очевидно, что проблему пусковых токов необходимо как-то решать. Давайте рассмотрим некоторые способы:

Использование выключателей нагрузки вместо автоматических выключателей.
Выключатель нагрузки — аппарат коммутационный, в котором конструктивно отсутствует расцепители максимального тока и «перегрузки», но он может коммутировать цепи под нагрузкой. Т.е. мы приходим практически к тому же, что поставить больший номинал, только меньше подгораний контактов.

Использовать реле с дугогасящей камерой и специальными контактами, понижающими риск образования дуги.
У таких реле, как правило, в инструкции прописаны токи включения активной и индуктивной нагрузки. Камера содержит дугогасительное устройство, выдувающее устройство, которое выдувает электрическую дугу в дугогасительное устройство, и множество выполненных в форме ламелей элементов гашения электрической дуги, между которыми образованы проточные каналы. Проточные каналы соответственно имеют участок рассеивания. Участки рассеивания соседних проточных каналов выполнены с различными наклонами, так что выдуваемый воздух отклоняется проточными каналами в различных направлениях. Т.е. камера просто рассеивает дугу от контактов.

Именно такие реле мы применяем в наших стандартных секвенсорах и DMX свитчерах.

Минус данной системы в том, что активной нагрузки данное реле выдерживает 8000ВА, а индуктивной всего 1450ВА. Т.е. потребуется достаточно большое количество каналов для организации питания большого экрана.

Использование контакторов или магнитных пускателей.
Они имеют хорошо подпружиненные контакты и применяются как раз в схемах с большими пусковыми токами. Из минусов – большие габариты и масса устройств.

Рекомендуемый нами способ, это использование секвенсоров и свитчеров нашего производства с функцией «Safe Start».
Принцип действия устройства заключается в том, что подача напряжения происходит в два этапа:

Производится открытие полупроводникового ключа с последовательно подключенным резистором при переходе тока через ноль, тем самым уменьшая электромагнитные помехи и предотвращая высокие броски тока.
Затем включается силовое реле минимум через 3 периода при частоте сети 50Гц, и отключатся полупроводниковый ключ. Т.к. изначально ток течет через полупроводниковый ключ и токоограничивающий резистор, при подключении силового реле отсутствует искрообразование на силовых контактах, тем самым значительно продлевается срок службы реле. Реле служит для коммутации большой нагрузки без нагрева полупроводникового ключа и токоограничивающего резистора и обеспечивает непосредственное подключение потребителя к сети.
Выключение происходит в обратной последовательности, т.е. включается полупроводниковый ключ с последовательно подключенным резистором, выключается силовое реле, затем выключается полупроводниковый ключ.

Данная система позволяет значительно повысить срок службы импульсных блоков питания, а соответственно и всего оборудования и позволяет нагрузить 16А автоматический выключатель полностью, согласно его номиналу.

Проблема пусковых токов выпрямительных устройств не нова. В свою очередь мы, компания EDS, потратили значительное количество времени, чтобы постараться устранить данную проблему для сферы проката и инсталляции профессионального оборудования, проанализировав создав устройства, не имеющие аналогов на отечественном и зарубежном рынке. Надеемся, что наши устройства будут полезны для Вас и будут надежно оберегать Ваше оборудование.