普爾世電源在晶爐控制系統(tǒng)中的直流不間斷冗余應用

一     行業(yè)現(xiàn)狀

當前太陽能的大規(guī)模應用推動光伏行業(yè)整體向前發(fā)展，同時，LED技術又刮起了一股新能源節(jié)能風。隨著砷化鎵在光伏太陽能產業(yè)、光電子領域、微電子領域以及軍事電子領域的應用日益廣泛，生產砷化鎵晶棒的晶爐控制系統(tǒng)愈發(fā)起到舉足輕重的作用。在此基礎上，如何保障對溫度條件要求苛刻的晶爐安全持續(xù)生產，如何為整個控制系統(tǒng)選擇合適又可靠的供電配置顯得至關重要。本案例中，普爾世直流電源和DC UPS冗余方案在單晶爐和多晶爐控制系統(tǒng)中的成功應用使用戶避免了嚴重的經濟損失，并從繁瑣的人工日常監(jiān)控中解放出來，獲得了用戶的高度認可與衷心贊譽。

二     基于晶爐控制系統(tǒng)的方案

1. 問題描述

本方案中，客戶是以砷化鎵、鍺等半導體材料的生產、銷售為主營的高科技企業(yè)。這些半導體材料是太陽能、LED、微電子等行業(yè)不可或缺的原材料。單晶爐內晶體生長是整個生產中的最關鍵的工藝。每個砷化鎵晶體在爐內的生長周期長達4~6天，生長過程中爐內溫度通過控制器調控以階梯方式增長。在此周期中，一旦對控制器的直流供電中斷，控制器的設定溫度就會復位到起始值，導致爐內實際溫度與晶體生長所需溫度無法匹配，致使石英單晶爐或多晶爐內的溫度發(fā)生不規(guī)則變化，進而可能導致晶爐中正在生長的砷化鎵晶體報廢，甚至會引起爐內溫度過高，使得石英爐體膨脹而報廢。其整個過程將造成砷化鎵晶體、石英爐爐體、時間、電力以及人工成本等近百萬元的經濟損失。客戶曾經發(fā)生過幾次停電事故，起因是控制系統(tǒng)前端的AC UPS因本身質量問題而使輸出供電中斷，引起對控制器的直流供電回路中斷進而導致控制系統(tǒng)失控。AC UPS系統(tǒng)的體積大，輸出干擾強，故障率高等附帶缺點也為客戶造成了很大的困擾。如圖1為原交流UPS供電方案。

圖1   交流UPS供電方案接線圖

綜上所述，用戶原供電方案的問題可總結為：

1）              1)原方案只是針對市電斷電有所準備，但是一旦AC UPS本身發(fā)生故障，會使其后單路連接的控制器的直流供電中斷，進而導致全部控制系統(tǒng)癱瘓；

2）              2)由于AC UPS很難做到絕對的“零切換”，市電斷電時，需要一定的切換時間，而如果后續(xù)直流電源沒有一定的緩沖能力，會造成對控制器的供電不夠穩(wěn)定；

3）              3) 如果AC UPS的輸出干擾無法被后續(xù)的直流電源有效屏蔽，可能引起控制器的錯誤關斷或其它誤動作；

4）              4) AC UPS附帶的電池體積龐大，因此整個供電系統(tǒng)只能放置在晶爐柜外，除了安裝非常不方便，其內置風扇還會造成噪聲污染。

2. 需求分析

基于以上種種弊端，普爾世向用戶建議在既有的雙路交流輸入的基礎上，使用穩(wěn)定、高可靠性的直流電源和DC UPS，為相應負載提供穩(wěn)定不間斷的輸入。因為雙路冗余DC UPS無論是在系統(tǒng)外市電缺失的情況下還是其本身發(fā)生故障，都能夠保證自動切換至電池為其后的電路供電，在本方案中即為晶爐控制器供電，從而使控制器完成最后一次工作然后關機，并按要求進行軟硬件通訊，發(fā)送相應信號到上位機，方便工作人員及時發(fā)現(xiàn)和解決回路問題，以此來有效地保護爐體設備不受意外斷電的影響。

此外，客戶還希望電源和DC UPS能夠安裝于專門的空間有限的晶爐控制柜內，這就對冗余系統(tǒng)的體積也做了一定的要求。

3. 方案確定

目前普爾世電源給客戶提供的產品包括CS10.244、 UB10.241和YR2.DIODE。CS10.244是輸出為24V的直流電源，最大額定負載為10A； UB10.241為直流不間斷電源，輸出為10A，24V；YR2.DIODE是雙路10A二極管冗余解耦模塊，能夠有效隔離冗余的電源，徹底避免輸出回路間的耦合，實現(xiàn)真正的冗余備用功能。電源，DC UPS，冗余模塊三者構成了最高可靠性的直流回路。以下是普爾世電源產品，圖2為CS10.244, 輸出為24V10A電源，圖3為UB10.241，輸出為24V， 10A  DC UPS。

圖2 CS10.244                                                        圖3   UB10.241

整個直流供電系統(tǒng)還需要配備兩塊鉛酸電池 (12V/12Ah) ，以及為DC UPS配備信號通訊系統(tǒng)。鉛酸電池用來在主回路斷電時為DC UPS供電；信號通訊系統(tǒng)則用來告知客戶在各個使用情況下的回路狀態(tài)，以便對故障電路做出第一時間報警。

       圖4是普爾世為客戶提供的解決方案接線圖。圖中綠燈①亮則表示系統(tǒng)主回路供電正常，DC UPS回路正常；紅燈②亮則表明直流UPS處于電池供電緩沖模式；紅燈③亮則表示電池本身質量測試不通過，需要更換電池。

圖4   典型的雙冗余系統(tǒng)接線圖

由上述方案的選定，再結合用戶的原方案對比可知，PULS普爾世為用戶提供的新方案可以解決以下問題：

1）              1) 不管是市電斷電還是雙路冗余的DC UPS其中一路本身發(fā)生故障，都能夠切換到電池，持續(xù)為其后連接的控制器進行直流供電，并及時作出報警，便于相關人員采取一定措施，避免造成損失；

2）              2) 市電斷電時，由于是直流電源切換到電池，中間不會產生停頓，真正做到“零切換”時間，使其對控制器的供電足夠穩(wěn)定；

3）              3) 直流輸出的干擾相對較小，不易引起控制器的錯誤關斷或其它誤動作；

4）              4) 不僅其附帶電池體積小，而且整個供電系統(tǒng)的體積總和也十分小巧，放置在狹窄的晶爐柜內非常合適，降低了接線的復雜度，免除了不必要的安裝麻煩。

4. 普爾世電源的綜合優(yōu)勢

在本案例中，普爾世的直流不間斷冗余系統(tǒng)還具有一些獨特的優(yōu)勢，因此也為用戶帶來了更多的便利。

4.1穩(wěn)定的UPS輸出電壓

通常的直流不間斷電源在緩沖模式（即電網斷電由電池供電的狀態(tài)）下，輸出電壓會隨著電池的放電而降低，整個放電過程中電壓變化可能超過幾伏，在最后的約五分之一時間里的電壓還可能低于20 伏（如下圖5），并且也無法很好的滿足負載的峰值電流需求。而根據工業(yè)控制器標準（PLC標準）EN 61131-2，要求工業(yè)控制器可耐受的電壓暫降不得超過10ms，電壓最低能降到20.4Vdc，因此普通的電池如長期未經維修或更換，可能無法起到可靠的保障作用。

基于這個原因，普爾世特別在技術方面設計做到了在緩沖模式下的直流不間斷電源UB10.241能夠輸出穩(wěn)定的電壓，保持恒定的輸出電壓22. 5V（如圖6），同時具有4 秒內的50％額外功率，即在保持電壓的條件下，可以輸出150％的額定電流，使負載能夠正常工作，尤其是像晶爐控制器這樣關鍵的重要負載。

圖5   其他UPS輸出電壓曲線                             圖6   PULS DC UPS輸出電壓曲線

 4.2 優(yōu)秀的電池管理技術

普爾世精確的電池管理技術能夠避免電池過充、欠充或深度放電，有效地延長電池的使用壽命。

熟悉電池管理的人都知道，在一定環(huán)境溫度下，電池有一定的滿充電壓，與該滿充電壓完全一致時，電池可以達到最長的使用壽命。傳統(tǒng)的雙電池串聯(lián)充電方案由于電池特性不盡相同，很容易造成其中某一電池的過充或欠充（如圖7）。而普爾世電源的DC UPS獨有的單電池供電方案，只需要對單個電池充電和管理（如圖8），能更準確地監(jiān)測充電截止電壓以保護電池，延長其使用壽命，為用戶節(jié)約大量維護及更換的成本。

圖7 一般的電池充電系統(tǒng)                    圖8   PULS電池充電系統(tǒng)

另外，普爾世DC UPS可以根據現(xiàn)場的環(huán)境溫度設定滿充電壓，電池相應被充電至該電壓，保證電池最優(yōu)的使用壽命。盡管如此，普爾世 DC UPS也可以選配其它廠家電池，用戶不會因此受到電池品牌限制的困擾。

4.3  強大的自身保護能力

普爾世電源產品都有很強的過載能力以及保護能力。例如，普爾世電源具有短路保護，過溫保護，過載保護和過壓保護等能力。DC UPS除此之外還具有電池極性反向保護，錯誤電池電壓保護，電池深度放電保護的功能。其中輸出過壓保護能預防對負載產生大電壓沖擊，保護負載免受傷害，尤其是控制器等關鍵負載。因此，不僅能夠保證電源本身的使用壽命，對用戶方的設備和操作人員亦可進行全方面的保護。

4.4  卓越的電源綜合特性

在市場上以產品特點“簡約、強勁、穩(wěn)健、高效”而著稱的普爾世電源，其優(yōu)勢還在于其電源本身高技術含量的綜合性能。以本案例中的CS10.244為例：其重量僅為700g，轉換效率達到91.3%（輸入230V AC，輸出24V，10A）；更為重要的是它以60*124*117 mm的靈巧尺寸，不僅能夠順利地置入狹窄的晶爐控制柜，降低接線的復雜度，甚至還節(jié)省出更多的空間；其獨特而卓越的系統(tǒng)散熱可以增強內部零件的使用壽命，提高產品的轉換效率與可靠性，從電能利用率和后期維護角度為客戶節(jié)約了不容忽視的成本；它本身超過15年（輸入230V，輸出24V，10A，環(huán)境溫度為25℃）的預期使用壽命，又能夠大大增加了用戶更換的周期。此外，CS10.244的使用環(huán)境溫度為0℃—70℃，60℃以上才需要適當降額。綜合看來它是一款足以適應各種惡劣復雜應用環(huán)境的高可靠電源產品。

三     總結

普爾世電源的卓越技術，高可靠性，高效率，強大的輸出能力，配套電池的長壽命，最快捷的更換維修時效，最優(yōu)質的服務不但能為客戶帶來最穩(wěn)定的電力輸出，最高的可用性以及方便的后期維護性，也為客戶帶來了最滿意的使用效果。

普爾世電源是一家專業(yè)生產DIN導軌式工控電源的德國公司，在導軌式工控電源市場具有先進的生產研發(fā)技術和領先的全球市場份額。在中國的產業(yè)升級和出口復蘇的大環(huán)境下，作為世界公認的工控電源領域的技術領袖，普爾世電源時刻密切關注國內整體行業(yè)的走向，并全力支持國內的工控行業(yè)的技術升級。