Sprawność zasilaczy: małe różnice – wielkie oszczędności

Zasilacze impulsowe serii CP10 firmy PULS charakteryzują się sprawnością wynoszącą powyżej 95%. Osiągnięcie takich parametrów to zasługa zespołu inżynierów firmy PULS, którzy przed wdrożeniem do oferty nowych zasilaczy pracowali nad minimalizacją strat, niezwiązanych z obciążeniem. Najczęściej straty te przekładają się na emisję ciepła. Ale jaki wpływ ma to na użytkowników rozdzielnic elektrycznych?

 

Rys. 1 Temperatura we wnętrzu obudów po 4-godzinnej pracy zasilaczy

W przypadku zasilacza istotne jest osiągnięcie jak najwyższej wartości sprawności w całym zakresie obciążenia. Pomaga to zminimalizować koszty i zwiększyć dostępność systemu, niezależnie od obszaru zastosowania, branży czy regionu, w którym jest zainstalowany. Każdy, kto przywiązuje wagę do wydajności, niezawodności i trwałości swoich maszyn i chce zaoszczędzić pieniądze, powinien znać wartość parametru sprawności swojego zasilacza.

Jednym z ważnych czynników obniżających koszty systemu jest ograniczenie ilości ciepła generowanego we wnętrzu rozdzielnicy elektrycznej. Ciepło wpływa na ograniczenie żywotność komponentów elektrycznych i elektronicznych umieszczonych we wnętrzu szafy sterującej. W celu ograniczenia wygenerowanego ciepła konieczne jest zastosowanie urządzeń chłodzących. Urządzenia te wymagają zasilania, czyli zużywają dodatkową energię. Dążąc do ograniczenia zużycia energii elektrycznej, powinno się dążyć do stosowania zasilaczy z możliwie najwyższą sprawnością. Im wyższa sprawność zasilacza, tym mniejsze straty, bez obciążenia w postaci emitowanego ciepła.

Poniżej opisano przykład konfiguracji systemu, która wyraźnie pokazuje, jak bardzo temperatura we wnętrzu obudowy zależy od sprawności zasilacza.

• 

   

  Rys. 2 Obraz termiczny obudów po 4-godzinnej pracy zasilaczy
  Konfiguracja testowa: Wytwarzanie ciepła w obudowie.
• Trzy zasilacze zamontowane na szynie DIN, typ urządzeń: 240 W 24 V/10 A, pracują w identycznych warunkach (obciążenie: 8A/napięcie wejściowe: 230 V_AC) oraz w identycznych obudowach (o objętości = 3,15 l).
• Początkowa temperatura we wszystkich obudowach wynosi 21,5°C (± 0,3°C). Temperatura otoczenia wynosi 20,6°C (± 0,1°C).
• W środkowym polu umieszczony jest zasilacz PULS CP10.241, który charakteryzuje się sprawnością 95,2%. Urządzenia konkurencji: zasilacz A (po lewej) ma sprawność 88,5%, a zasilacz B (po prawej) ma sprawność 91% (dane na temat sprawności zasilaczy konkurencji są zgodne z informacjami zawartymi w kartach katalogowych producentów).
• Trzy urządzenia pracują przez cztery godziny bez przerwy. Termometr w środkowej obudowie (z zasilaczem CP10.241), który ma najbardziej niekorzystną termicznie pozycję ze względu na ciepło emitowane z prawej i lewej strony, pokazuje wzrost temperatury do 40,5°C. Temperatura w obudowie po lewej stronie wzrosła do 56,8°C. Temperatura w obudowie po prawej stronie wzrosła do 48,3°C (patrz rys. 1 i 2). Oznacza to, że różnica sprawności 6,7% lub 4,2% daje różnicę temperatury 16,3°C lub 7,8°C (patrz rys. 3).

 

Rys. 3 Wpływ sprawności zasilacza o mocy 240 W na jego straty w postaci ciepła

Są to ważne ustalenia przy rozważaniu szkodliwego wpływu wartości temperatury na żywotność zasilacza i innych istotnych elementów rozdzielnicy. Nadmierny wzrost temperatury może zagrozić dostępności całego systemu. W zasilaczach, kondensatory elektrolityczne narażone są na największe zużycie i dlatego decydują o ich żywotności. Do tych wrażliwych na temperaturę elementów ma zastosowanie następujący wzór: każdy wzrost temperatury roboczej o 10°C zmniejsza żywotność kondensatorów elektrolitycznych o współczynnik 2. Taka zmiana niekoniecznie musi skutkować natychmiastową awarią zasilania, ale pogarsza dyspozycyjność systemu. Może się to przejawiać np. obniżeniem wydajności i parametrów wyjściowych zasilacza. Dlatego kondensatory elektrolityczne nie powinny być narażone na zbyt wysokie temperatury otoczenia. Zasada ta powinna być brana pod uwagę już na początkowym etapie projektowania urządzeń. Uwzględniając te fakty, PULS projektuje swoje zasilacze impulsowe w oparciu na zasadzie "Cool Design". Elementy wrażliwe na temperaturę są umieszczone w najchłodniejszym miejscu urządzenia. Projektowanie na bazie "Cool Design" koncentruje się na korzyściach dla klienta. Jeśli straty w postaci ciepła są niższe to wydłużeniu ulega żywotność urządzeń elektronicznych i elektrycznych.

Firma PULS jest przekonana, że prezentowanie danych o minimalnej żywotności zasilacza jest ważną informacją dla użytkownika. Dlatego od 2005 roku firma dostarcza odpowiednie specyfikacje w swoich kartach katalogowych dla wszystkich produktów z rodziny DIMENSION. Normą, dla serii DIMENSION, jest żywotność co najmniej 50 000 godzin w temperaturze otoczenia 40°C pod pełnym obciążeniem. CP10.241 osiąga minimalną żywotność 120 000 godzin (w tych warunkach). Wysoki poziom sprawności zasilacza wpływa na jego wymiary, gdyż ogranicza jego straty generowane w postaci ciepła. Dzięki dużej sprawności, objętość obudowy zasilaczy CP10 można było zmniejszyć do zaledwie 0,57 litra i szerokości 39 mm. Wąska konstrukcja oszczędza miejsce na szynie DIN i umożliwia większą gęstość zabudowy w rozdzielnicy, zmniejszając w ten sposób koszty. Wysoki poziom sprawności może pomóc w obniżeniu kosztów zużycia energii elektrycznej. Presja cenowa i konkurencja wymusza na prefabrykatorach rozdzielnic nabywanie jak najtańszych komponentów systemu. Jednak w przypadku zasilaczy błędem jest skupianie się wyłącznie na cenie zakupu. Tanie zasilacze nie osiągają poziomów sprawności wyższych niż 92%. Dodatkowe koszty wynikające z zakupu energooszczędnych zasilaczy równoważone są przez niższe koszty energii, o czym świadczy przykład kalkulacji. Do swojego systemu użytkownik potrzebuje zasilacza klasy 240W o napięciu 24 V/10 A. Stawka za energię elektryczną wynosi 0,153 euro / kWh (wartość przyjęta do wykonania kalkulacji). Maszyna pracuje 21 godzin dziennie i 300 dni w roku. Na potrzeby symulacji wybieramy zasilacze opisane w poprzednim układzie. Po uwzględnieniu kosztów energii elektrycznej oznacza to, że roczne koszty energii elektrycznej wynikające tylko ze strat (przy pełnym obciążeniu) wynoszą odpowiednio: dla CP10.241 – 11,66 euro dla zasilacza A – 30,07 euro, a dla zasilacza B – 22,84 euro rocznie. (patrz rys. 4) Jeśli użytkownik zdecyduje się na CP10, a nie na jeden z zasilaczy konkurencji to, oszczędza koszty operacyjne w wysokości 18,41 euro lub 11,18 euro rocznie. Dzięki wyższemu poziomowi sprawności w porównaniu do rozwiązań konkurencji wynoszącemu: 6,7% lub 4,2%. Jeśli przedłuży się okres rozpatrywania przypadku do 10 lat, kwota, którą można zaoszczędzić na kosztach operacyjnych, wyniesie 184,10 euro lub 111,80 euro. Jeśli użytkownik korzysta również z systemu chłodzenia (zastosowanie zasilaczy konkurencji może wymagać zastosowania dodatkowego chłodzenia), oszczędności te można pomnożyć przez 2.

 

Rys. 4 Wpływ sprawności na koszt energii traconej w postaci ciepła dla zasilacza o mocy 240 W
- Zasilacz A: Sprawność = 88,5%, straty przy pełnym obciążeniu = 31,2 W
- Zasilacz B: Sprawność 91,0%, straty przy pełnym obciążeniu = 23,7 W
- CP10.241: Sprawność 95,2%, straty przy pełnym obciążeniu = 12,1 W

WARTO PYTAĆ I PORÓWNYWAĆ!

Powyższy przykład obrazuje, jak duży wpływ na oszczędność zużycia energii elektrycznej ma różnica w sprawności urządzeń wynosząca ok. 5%. Do naszych rozważań przyjęliśmy koszty wyliczone tylko dla pojedynczego zasilacza. Jednak w praktyce, w zależności od specyfiki systemu, możemy spotkać się z obiektami, w których zainstalowanych jest od kilkudziesięciu do nawet kilkuset zasilaczy pracujących 24h na dobę. W takim przypadku skala oszczędności zużycia energii elektrycznej osiąga pokaźne wartości.

Często problematyczne okazuje się uzyskanie od producentów informacji o sprawności ich urządzeń. Zamiast wiążących informacji o sprawności, wielu producentów podaje tylko potencjalne wartości maksymalne. Patrząc na rosnące koszty energii elektrycznej i chęć jej oszczędzania, zasadnym wydaje się, aby każdy inżynier poświęcił czas i porównał sprawność urządzeń, które chce wykorzystać w systemie.

OEM Automatic Sp. z o.o. jest dystrybutorem firmy PULS w Polsce. W naszej ofercie posiadamy szerokie portfolio zasilaczy przemysłowych, które charakteryzują się bardzo wysoką sprawnością. Dzięki promowaniu urządzeń o możliwie najwyższej sprawności chcemy przyczynić się do ograniczenia zużycia energii elektrycznej, a tym samym do ochrony środowiska naturalnego, w którym żyjemy.

Krzysztof Zieliński
Menadżer Produktu

OEM Automatic
www.oemautomatic.pl