Оборудование производства GE Critical Power для систем электропитания, критичных к качеству электроэнергии

Новое бизнес-подразделение GE Critical Power входит в состав глобального концерна General Electric (GE) и специализируется на поставках оборудования электропитания для тех областей, где качество электроэнергии является крайне критичным — таких, например, как АСУ, телекоммуникационное и авиационное оборудование, системы навигации и др.

Краткая история GE и Critical Power

История компании начинается с 1878 г., когда Томас Алва Эдисон (Thomas Alva Edison) основал фирму Edison General Electric Company (EGE), в которой объединил все свои бизнес-направления — от работ по электрификации железных дорог до фундаментальных исследований по термоионной эмиссии (эффект Эдисона).

Постепенно деятельность EGE свелась к массовому производству, включающему в себя всю технологическую цепь: изготовление генераторов переменного тока, электросчетчиков, кабелей, пробок, лампочек и электроприборов. Эдисон видел цель своей жизни, прежде всего, в изобретательстве. Поэтому он продал фирму и, оставаясь в совете директоров, сосредоточился на изобретениях и научных исследованиях.

Основным конкурентом фирмы EGE в конце XIX в. была The Thomson-Houston Company, основанная при участии знаменитого физика Джозефа Томсона, которая специализировалась на инновационных решениях в области электротехники.

Поскольку ни одна из конкурирующих компаний не обладала полным набором патентов и производств, достаточных для создания глобальной электронной промышленности, в 1892 г. было принято решение о слиянии EGE и The Thomson-Houston Company. Новая фирма получила название General Electric Company (GE).

Сразу с момента основания фирмы ее деятельность была сосредоточена в основном на таких направлениях, как освещение, транспорт, промышленные товары, оборудование для передачи электроэнергии, медицинское оборудование.

Дальнейшая история GE связана с внедрением в реальную жизнь инновационных технологий и новейших научных достижений.

Из первых наиболее известных продуктов, разработанных и запущенных фирмой GE в массовое производство, можно отметить: электрические вентиляторы (1890), тостер (1905), серия электрических приборов для приготовления пищи (1907), вольфрамовая нить для ламп накаливания (1910), холодильник (1917). Дальнейшая деятельность GE охватывает все новые и новые направления.

История GE неразрывно связана с именем Джека Уэлча (John Francis «Jack» Welch), который в 1972 г. стал вице-президентом компании, а в 1981 г. был избран председателем совета директоров.

Джек Уэлч практически полностью перестроил бизнес-модель GE. Основная его идея заключалась в том, чтобы предоставить каждому структурному подразделению GE статус самостоятельного предприятия, обязанного активно бороться за прибыль. Руководителям всех подразделений были предоставлены широкие полномочия в принятии решений. Однако при этом выдвигались очень жесткие условия выживания: либо подразделение занимает лидирующие позиции на рынке, либо оно продается или расформировывается. Эту основную идею Уэлч начал планомерно и интенсивно реализовывать на практике: покупались новые предприятия и продавались нерентабельные структуры.

Перечислять все купленные фирмой GE за последние годы компании не имеет смысла. Только за последние 15 лет было приобретено более 150 различных фирм и продано вдвое больше нерентабельных предприятий.

Сфера деятельности многопрофильной международной корпорации General Electric Company (GE) охватывает промышленное производство оборудования для энергетики, авиации, железнодорожного транспорта, медицины, телекоммуникаций, а также предоставление сервисных услуг в этих направлениях. Отделения фирмы расположены более чем в 100 странах по всему миру (рис. 1). Подробно эти фак-ты изложены на сайте GE [2].

В настоящее время структурные подразделения GE объединены по следующим направлениям [1]:

• энергетика (GE Power & Water, GE Energy Management, GE Oil & Gas);
• медицинское оборудование;
• наземный транспорт;
• авиация;
• товары массового потребления (GE Lighting, Intelligent Platforms);
• финансы (GECAS, GE Money Bank).

В России GE осуществляет свою деятельность с 1922 г. [1]. В этот период компания принимала участие в реализации плана ГОЭЛРО, а в начале 30-х годов поставляла первые локомотивы для железных дорог СССР. В 60-е годы GE активно участвовала в модернизации советской системы транспортировки нефти с помощью новых компрессоров и насосов. Официальное представительство GE в Москве работает с 1974 г. На сегодняшний день в России и СНГ представлены все перечисленные выше структурные подразделения.

Подразделение GE Critical Power было образовано на базе приобретенной в 2011 г. американской компании Lineage Power Holdings [4], которая ведет свою историю от AT&T; company (рис. 3).

В качестве основного лозунга фирмы взяты слова Томаса Эдисона: «Я никогда не работал над изобретениями, которые в моем понимании не могли бы быть полезными обществу».

Основное направление деятельности GE Critical Power связано с оборудованием для тех систем электропитания, в которых необходимо бесперебойное питание с минимальны-ми пульсациями и наводками.

Оборудование для систем электропитания производства GE Critical Power

В таких, например, областях, как медицина, телекоммуникации, аварийные, пожарные и охранные сигнализации, авиация, недопустимы даже малейшие сбои в системах электропитания. GE Critical Power стремится к созданию недорогих и повсеместно доступных систем критического электропитания. Для реализации этой цели компания предлагает полный диапазон продуктов и услуг: от неизолированных микромодулей до крупных энергетических систем.

В инфраструктуре источников питания (ИП) можно выделить четыре основных типа:

• классическая централизованная архитектура электропитания (Centralised Power Architecture, CPA);
• распределенная система питания (Distributed Power Architecture, DPA);
• распределенная архитектура с промежуточной шиной (Intermediate Bus Architecture, IBA);
• факторизованная архитектура электропитания (Factorized power architecture, FPA).

В классическом варианте ИП, выполненный в законченном виде в форме отдельного модуля, преобразовывает сетевое напряжение в набор постоянных напряжений, необходимых для функционирования системы.

Основным недостатком классической архитектуры CPA является неспособность эффективно передавать низкие напряжения при больших токах. Вместе с тем, новые поколения процессоров, чипов, цифровых сигнальных процессоров (DSP) и специализированных интегральных схем (ASIC) становятся все меньше по размерам, что требует снижения напряжений питания и увеличения токов.

В сложных современных электронных устройствах необходимо распределять большие токи по многочисленным низковольтным входам. Чтобы получить максимальное быстродействие процессора и эффективно решать проблемы теплоотвода, разработчики стараются разместить ИП как можно ближе к нагрузке. Эти и другие требования привели к появлению концепции модульного построения ИП и началу промышленного производства распределенных систем электропитания (DPA).

На рис. 4 показана структурная схема системы питания IBA [4].

На центральную входную шину ИП DPA подается постоянное напряжение от мощного AC/DC-преобразователя. Обычно напряжение на центральной шине составляет 12 или 48 В. В крупных вычислительных комплексах постоянное напряжение на центральной шине может быть больше (до 300 В).

Для устройств с разными уровнями низких напряжений используется архитектура питания с промежуточной шиной. В этом случае функции DC/DC-преобразователя поделены между двумя устройствами — изолированными DC/DC и неизолированными DC/DC (Point of Load, POL).

Напряжение центральной шины фильтруется и распределяется через изолированные DC/DC-преобразователи между промежуточными шинами, которые расположены на системных платах рядом с обслуживаемой ими нагрузкой. Кроме того, преобразователь промежуточной шины обеспечивает гальваническую развязку. Чтобы улучшить динамические характеристики, уменьшить наводки и тепловые потери, параметры изолированных DC/DC-преобразователей подбираются под конкретную системную плату (обычно 9, 6 или 12 В).

Неизолированные DC/DC-конвертеры преобразуют напряжение промежуточной шины в напряжение питания, необходимое для конечного устройства и располагаются в непосредственной близости от нагрузки (CPU, ASIC, DSP, FPGA).

Факторизованная архитектура системы электропитания FPA представляет собой модификацию системы питания распределенной архитектуры с промежуточной шиной. В системе FPA используются два законченных устройства: повышающий/понижающий модуль предварительной стабилизации (Pre-Regulator Module), формирующий стабилизированное напряжение промежуточной шины, и модуль трансформации напряжения (Voltage Tansformation Module), понижающий напряжение до необходимых конечной нагрузке уровней и обеспечивающий гальваническую развязку.

Неизолированные POL-преобразователи имеют меньшие габариты и вес по сравнению с полнофункциональными DC/ DC-преобразователями. Кроме того, они имеют более высокий коэффициент преобразования напряжения. В блоках питания DPA рассеиваемая мощность распределяется по всей системе. Это позволяет значительно сократить затраты на радиаторы и принудительную вентиляцию. Поэтому БП DPA значительно эффективнее для сложных вычислительных систем, чем классические схемы с централизованной архитектурой.

GE Critical Power предлагает все необходимые комплектующие для построения систем электропитания любого типа архитектуры. Базовые серии устройств показаны на рис. 5 [4].

Подробное рассмотрение каждой из групп изделий не представляется возможным в рамках одной статьи. Поэтому приведем лишь краткое описание основных типов изделий, предлагаемых GE Critical Power.

Преобразователи напряжений переменного тока

AC/DC Power Supplies конвертируют переменный ток в постоянный. Фирма производит практически всю линейку преобразователей: бескорпусные, малой (100–200 Вт), средней (200–3000 Вт) и большой мощности (до 20 000 А).

В случаях, когда необходимы источники большой мощности, некоторые модели конвертеров можно подключать параллельно. Для этой цели выпускаются специальные кейсы серии ACE.

Серия CLP

Маломощные, встраиваемые, бескорпусные конвертеры с нерегулируемым выходным напряжением 12 В предназначены для использования в контрольно-измерительном оборудовании и бытовой технике.

Серия CCR

Корпусные, малогабаритные, неохлаждаемые конверторы малой мощности с выходом 12 В используются в системах, где есть принудительные системы охлаждения. Эти модели можно подключать параллельно для создания резервных устройств или для наращивания мощности.

Серия CAR

Полностью законченные, охлаждаемые устройства средней мощности (800–2900 Вт), в корпусах конструктива 1U. Нерегулируемые напряжения для различных моделей: 12, 48 и 54 В. Предназначены для использования в устройствах питания с распределенной архитектурой.

Серия CP

Полностью законченные, охлаждаемые преобразователи средней мощности (2000 Вт) с универсальным входом (100–120 и 200–277 В AC) и программируемым выходом (42– 58 В DC). Конструктив 1RU, 30 W/in. Поддержка шины PMBus и интерфейса RS485.

Основная область применения – устройства электропитания с распределенной архитектурой и промежуточной шиной 48 В (телекоммуникации и центры сбора данных).

В серии выпускается шесть моделей, отличающихся набором аксессуаров и сервисных функций.

Серия EP

Полностью законченные, охлаждаемые конвертеры, предназначенные для жестких условий эксплуатации и оснащенные усовершенствованным микроконтроллером. Все модели серии имеют широкий диапазон выходных напряжений (85–264 В AC) и программируемые выходные напряжения (42–58 В DC). Диапазон рабочих температур –40…+75° С. Конструктив 1Ux1U. Поддержка интерфейса RS485. Конвертеры характеризуются улучшенным воздушным охлаждением за счет двух встроенных вентиляторов.

В серии выпускается пять моделей, отличающихся выходным током. Самая мощная модель рассчитана на работы с выходными токами до 63 А. Устройства предназначены для использования в областях, особо критичных к системам электропитания.

Серия GPS систем электропитания переменного тока большой мощности (GPS Galaxy Power System)

Специально для крупных центров сбора информации и базовых телекоммуникационных центров GE Crytical Energy выпускает системы электропитания, рассчитанные на большие входные напряжения трехфазного переменного тока (380/400/480) и большие выходные токи (кА). Все изделия этой серии работают под управлением нового процессорного блока Galaxy Millennium II controller. Модель GPS4848 Galaxy Power System рассчитана на постоянное выходное напряжение 48 В и токи до 220 А. Модель GPS4827 работает с меньшими выходными токами (50 A) и выходным напряжением 48 В. Модель GPS2436 предназначена для работы с выходным напряжением 36 В и токами до 100 А. Все модели серии GPS могут быть объединены в параллельные модули. При этом выходные токи можно увеличить несколько раз. При параллельном включении моделей GPS4812 суммарный выходной ток может достигать 6400 А.

Устройства автоматического переключения нагрузки на резервный ИП

Устройства Automatic transfer switch предназначены для восстановления электропитания за счет автоматического включения резервного ИП при отклонении значений напряжения, частоты и тока на полезной нагрузке от заранее заданных параметров. Эти устройства в русской терминологии называются автоматическим вводом резерва (АВР).

Устройство и принцип работы АВР хорошо известны. Различные модели АВР отличаются друг от друга значениями тока, напряжения, частоты, времени переключения, типа переключения и аварийного источника питания.

Серия ZTX — это устройства АВР со схемой переключения сеть–дизель, предназначенные для тока 40–400 Аи напряжения 120–480 В. Схема переключения стандартная, без задержки в нейтральном положении.

АВР серии ZTG используют два вида переключателей: стандартное переключение (модель ZTG) и переключение с задержкой в нейтральном положении (модель ZTGD). Рабочие токи 40–3000 А. Напряжение 120–600 В.

У моделей серии ZTGSE/ZTGDSE имеются дополнительные устройства и сервисные функции — такие, например, как разъединитель цепи основного источника, устройство подавления импульсных помех, двухпозиционный переключатель с механической блокировкой, электронное управление, встроенное зарядное устройство, защита от замыкания на землю (GFP), а также контрольно-измерительное оборудование. Модели работают с токами 40–800 А (двух-, трех- или четырехполюсные) и 1000–3000 А (трех- или четырехполюсные).

Все модели серии АВР ZTGSE снабжены микропроцессорной панелью GE Zenith’s MX150, с помощью которой пользователь может программировать переключатель. Эти АВР имеют энергонезависимую память для хранения состояния внутренней конфигурации.

Cерия ZTS имеет микропроцессорный модуль МХ250. В настоящее время доступны следующие модификации этой серии:

• ZTS — рабочие токи 40–4000 А, переключение без задержки в нейтральном положении;
• ZTSD — рабочие токи 40–4000 А, переключение с задержкой в нейтральном положении;
• ZTSCT — рабочие токи 100–4000 А, переключение без разрыва сети;
• ZBTS — рабочие токи 100–4000 А, переключение без задержки в нейтральном положении, байпас;
• ZTSU — рабочие токи 40–4000 А, переключение без задержки в нейтральном положении, резерв — сети общего пользования;
• ZBTSD — рабочие токи 100–4000 А, переключение с задержкой в нейтральном положении, байпас;
• ZBTSCT — рабочие токи 100–4000 А, переключение без разрыва сети, байпас.

Новая серия ZTS-MV — это устройства АВР последнего поколения GE Critical Energy, предназначенные для использования в наиболее критичных к сбоям электроснабжения областях: здравоохранение, силовые министерства и ведомства, авиация и железнодорожный транспорт, органы государственного управления, центральные узлы связи и серверы, охранные, пожарные и полицейские сигнализации, АСКРО и т. п.

Модели этой серии предназначены для работы в диапазоне напряжений 5–15 кВ, с токами 600–3000 А.

Серия ZT3000 предназначена для использования в случаях двойного резервирования источников электропитания и обеспечивает режимы переключения «сеть–сеть–генератор» или «сеть–генератор–генератор». Устройства рассчитаны на работу с токами 40–4000 А и напряжениями 120– 600 В. В зависимости от модели в этой серии используются как обычный переключатель, так и переключатель с задержкой в нейтральном положении.

Модификация GE Zenith ZT3100 предназначена для работы с двумя резервными ИП и одним основным.

Источники бесперебойного питания

GE Critical Power предлагает Uninterruptible Power Supplies (UPS или ИБП) в однофазном и трехфазном вариантах, различных конфигураций и мощности. На рис. 6 показаны ИБП, их наименования, класс и мощность.

Использование новых технологий позволяет получать следующие преимущества по сравнению с другими моделями:

Изолированные DC/DC-преобразователи (Isolated DC/DC Converters)

Конвертеры постоянного тока преобразуют одно постоянное напряжение в другое. В состав любого конвертера входит силовая часть и управляющий контроллер, обеспечивающий стабильное выходное напряжение. Различают два типа конвертеров: изолированные и неизолированные. В изолированных силовая часть гальванически развязана с управляющим контроллером. В большинстве современных изолированных DC/DC-преобразователях используются схемы с разрывом «земляной петли» и изолированное питание сигнальной линии управляющего микроконтроллера. Кроме того, в таких конвертерах используются дополнительные схемы подавления синфазных помех и защита от высоковольтных воздействий. Изолированные DC/DC-конвертеры используются как в классических централизованных схемах, так и в системах питания с распределенной архитектурой.

GE Critical Power в течение десятков лет является одним из ведущих производителей DC/DC-преобразователей. Разные серии, выпускаемые компанией, отличаются конструктивом, выходным током и дополнительными опциями. Среди многочисленного разнообразия моделей DC/DC-конвертеров необходимый модуль можно подобрать с помощью утилиты Module Selector. Достаточно задать такие параметры, как входные и выходные токи и напряжения, температурный интервал, габаритные размеры (рис. 7), и программа покажет таблицу с модулями, удовлетворяющими этим требованиям (рис. 8).

Неизолированные DC/DC-конвертеры

Non-Isolated DC/DC Converters не имеют гальванической развязки. В таких устройствах вход и выход имеют, по крайней мере, одну общую точку. Как правило, это земляная шина. Из-за отсутствия гальванической развязки стоимость неизолированных конвертеров заметно ниже по сравнению с изолированными.

GE Critical Power имеет широкую номенклатуру неизолированных преобразователей с различными входными и выходными параметрами. В основном, это POL-модули, используемые в ИП с распределенной архитектурой.

В линейке неизолированных преобразователей производства GE используются как аналоговые, так и цифровые интерфейсы управления с поддержкой протокола PMBus (Power Management Bus).

Как правило, POL-модули располагают в непосредственной близости к нагрузке, что позволяет значительно уменьшить погрешности регулировки и колебания напряжения во время переходных режимов работы. Современные схемы управления, используемые в конвертерах производства GE обеспечивают возможность настройки выходных напряжений с высокой точностью во всем интервале входных напряжений и во всех точках рабочего диапазона температур.

Следует отметить, что POL-модули имеют очень высокий показатель эффективности (до 98%). Они могут работать при высоких температурах без дополнительных устройств охлаждения. Другая полезная функция POL-модулей заключается в возможности программируемого изменения напряжения на нагрузке в различные интервалы времени. Это позволяет поочередно выводить на рабочий режим различные исполнительные устройства.

Серия DLynx

В данной серии выпускаются аналоговые и цифровые POL-модули в стандарте DOSA. Входное напряжение 3–14,4 В, регулируемое выходное напряжение 0,6–5,5 В. В этой серии имеются разные модели, рассчитанные на выходные токи 2–40 А. Диапазон рабочих температур –40…+85° С.

Вывод ON/OFF позволяет выбрать интерфейс управления: аналоговый (Analog interface) или по шине PMBus (Digital interface). Можно выбирать различные режимы работы модуля:

• управление только через аналоговый интерфейс (команды через цифровой интерфейс игнорируются);
• управление только через PMBus- интерфейс (игнорируется аналоговый интерфейс);
• управление как через PMBus, так и через аналоговый интерфейс.

Одна из проблем в неизолированных DC/DC-конвертерах связана с переходными процессами при изменении выходных токов. Резкие скачки тока в нагрузке проявляются в том, что напряжение на выходе тоже изменяется скачкообразно. Система стабилизации убирает эти выбросы, но она не может срабатывать мгновенно. В результате напряжение на выходе будет выглядеть в виде затухающего импульса. Стандартное решение этой проблемы заключается в подключении дополнительных конденсаторов параллельно нагрузке. Это позволяет снизить амплитуду импульса выходного напряжения, но одновременно увеличивает его длительность.

В модулях серии DLynx для компенсации этого процесса используется специальная технология Tunable Loop™. На практике использование этой технологии реализуется чрезвычайно просто. На корпусе моделей этой серии есть выводы для подключения дополнительного резистора и дополнительной емкости (рис. 9).

Выбор дополнительных резисторов и емкостей для различных режимов работы разных моделей осуществляется с помощью отладочного средства Tunable Loop Selection Tool.

Другое отладочное средство — POL Programming Tool — предназначено для расчета номиналов внешних нагрузочных резисторов при работе с фиксированными выходными напряжениями.

Серия ProLynx

Устройства данной серии предназначены для жестких условий эксплуатации при температурах до +105° С. Модули изготовлены в жестком ударопрочном корпусе, выдерживающем повышенные нагрузки в соответствии со стандартом MIL STD 810F.

В этой серии поддерживается функция Tunable Loop. Модули соответствуют стандарту DOSA и имеют габаритные размеры 20,3 x 11,4 x 8,5 мм.

Серия SlimLynx

Модели данной серии имеют входной диапазон напряжения 3–14,4 В и программируемое выходное напряжение 0,6–5,5 В. В этих моделях можно выбирать способ управления — либо аналоговое, через внешний резистор, либо цифровое по шине PMBus. Габаритные размеры 20,31 х 11,43 х 3 мм. Основная отличительная особенность устройств — высота модуля всего 3 мм.

Серия TLynx

Семейство аналоговых модулей POL третьего поколения, работающих с выходными токами до 50 A в диапазоне выходных напряжений 0,59–8 В. Серия включает в себя 12 моделей, различающихся входными и выходными параметрами.

Функции Tunable Loop и EZ- SEQUENCE позволяют очень точно выставлять значения выходных напряжений и удерживать их с минимальными погрешностями при резких скачках токов нагрузки. Следует также отметить высокую эффективность моделей этой серии — до 97%.

Серия с военной приемкой (расширение в маркировке – D) сохраняет работоспособность в диапазоне температур –40…+105° С. Эта серия также выдерживает большие вибрации, определяемые стандартом MIL STD 810F.

Серия Naos Raptor Серия, выполненная в конструктиве SIP (выводы с одной стороны корпуса) и рассчитанная на токи до 60 А. Входные и выходные параметры этой серии близки к параметрам моделей серии TLynx. Однако это более дешевая и чисто коммерческая серия.

Приведенный в статье обзор устройства для систем электропитания производства GE Critical Power показывает далеко не полный спектр оборудования, предназначенного для использования в самых разных областях.

С одной стороны, такой широкий выбор позволяет разработчикам и производителям покупать комплектующие у одного крупного и надежного поставщика. С другой стороны, не так уж и легко разобраться во всех технических тонкостях и особенностях перечисленного оборудования и понять все его преимущества. Технические специалисты российской фирмы PT Electronics имеют многолетний опыт работы с продукцией фирмы GE и всегда готовы оказать помощь разработчикам, начиная с простых технических консультаций вплоть до разработки сложных проектов.

Литература

1. www.ge.com/ru
2. www.ge.com
3. www.mukhin.ru
4. GE Critical Power. GE’s Critical Power Business — The Energy Behind Your Business. 03/13/2013. CP-FactSheet.
5. www.geindustrial.com

Виктор АЛЕКСЕЕВ
Статья опубликована в журнале «Вестник Электроники» №2 2014