Вступление или мировой опыт

Большинству импульсных источников питания (к которым относятся и LED-драйверы) присуще свойство при подаче на них питания генерировать токи большой амплитуды. Эти токи принято называть пусковыми токами (само определение значительно шире). Пусковые токи в сетях электропитания могут приводить к ряду негативных последствий, например в виде помех для другого оборудования, выхода из строя коммутационных и распределительных устройств, ложноаварийного отключения защитной аппаратуры и т.п. В связи с этим производители драйверов не только стараются снизить пусковые токи, но и проинформировать потребителя о фактических параметрах своей продукции.

К сожалению, на данный момент в нашей стране нет единого стандарта по измерению пусковых токов. Нет единого стандарта и в мире. Наиболее близкий к обсуждаемой теме стандарт NEMA-410 описывает коммутирующие устройства, а не источники питания. Почти дословный (не профессиональный) перевод преамбулы стандарта звучит так: «Этот стандарт распространяется на устройства с номинальным напряжением 120 В, 277 В переменного тока и 347 В переменного тока, предназначенные для управления электронными драйверами, разрядными балластами и  лампами со встроенным балластом с нагрузкой до 16 А постоянного тока». Описанная методика своей целью ставит испытание «включателей освещения», а не источников питания освещения, что прямо отражено в схеме испытательного стенда, применяемого в этом стандарте. Название стандарта на 2015-ый год: «Performance Testing for Lighting Controls and Switching Devices with Electronic Drivers and Discharge Ballasts». И, к сожалению, стандарт не является международным, его автор - National Electrical Manufacturers Association. Стандарт разработан и действует в США, в нём нет данных для европейских сетевых напряжений, что значительно усложняет его применение на нашем континенте.

Обратимся к опыту крупных мировых производителей драйверов, чтобы понять, как они выходят из этой ситуации. Ниже приведена таблица с образцами параметров, которые производитель указывает в паспорте на продукцию, и описание методик измерения этих параметров.

Производитель	Параметры пусковых токов в паспорте на драйвер	Метод измерений
Mean Well	COLD START 50A (twidth=500μs measured at 50% Ipeak) at 230VAC; Per NEMA 410 [i]	Эквивалент сети из стандарта NEMA-410 (100 мкГн + 450 мОм)
Philips	Inrush Current Ipeak 46 A At 230Vac Inrush Current Twidth 440 μs At 230Vac, measured at 50% Ipeak [ii]	Data is based on a mains supply with an impedance of 400 mΩ (equal to 15 m of 2.5 mm² cable and another 20 m to the middle of the power distribution) in the worst-case scenario. [iii]
Inventronics	1.5 A²s At 220Vac input, 25C cold start, duration=656 us, 10%Ipk-10%Ipk. See Inrush Current Waveform for the details [iv] (в документе так же приводится осциллограмма пусковых токов)	Inventronics simulates turning the driver ON at the peak of the AC input as shown earlier in Figure 5 by using a charged bank of capacitors to serve as the source of power. [v]
Tridonic	In-rush current (peak / duration) 39 A / 286 µs [vi]	(Tridonic: Cable length 40 cm; Resistivity: 0.0172 * mm² / m; inductance: 5 nH / cm; 2 terminal resistance: 2 m [vii]

*Все данные, указанные в таблице, находятся в свободном доступе и доступны по ссылкам в конце статьи.

В этой таблице я позволил себе прямые цитаты из текстов с минимальными комментариями, теперь рассмотрим эту информацию подробнее.

Из приведённых производителей эквивалентом сети из стандарта NEMA-410 для измерений пользуется только один – это MeanWell. Philips производит измерения на эквиваленте сопротивлением 400 мОм. Для имитации включения драйвера в момент максимального мгновенного напряжения в сети, Inventronics использует включение от батареи конденсаторов и не использует ограничивающие ток цепи (рекомендуется сопротивление шунта менее 0,1 Ома, иных сопротивлений нет). Компания Tridonic в своих измерениях использует отрезок кабеля длиной 40 сантиметров.

Из этой информации можно сделать вывод, что при отсутствии единого стандарта производители самостоятельно не пришли к единой методике и не используют иные близкие стандарты. Методики схожи в том, что измерения производятся при амплитудном значении напряжения сети, но даже переменное напряжение в тестовой установке применяется не всеми.

Какие параметры пусковых токов хотят донести до своих клиентов производители? Попробуйте прямо сравнить параметры пусковых токов приведенных драйверов MeanWell и Inventronics. Сложно, правда? Токи были измерены при разных напряжениях, на разных эквивалентах сети, а главное, амплитуду тока одного драйвера невозможно сравнить с площадью под кривой тока второго, а длительности измерены по различным уровням относительно амплитуды.

У многих производителей драйверов можно найти статьи с объяснением значения пусковых токов и рекомендации по подбору комплектующих на основании этой информации. Приведённые в паспортных данных параметры импульсов пускового тока должны упростить клиенту задачу проектирования сети освещения либо рекомендованной ими методикой расчёта, либо же в большинстве документов можно увидеть прямые данные о том, сколько конкретных драйверов можно включить на конкретные типы автоматических выключателей без риска ложноаварийного отключения.

Пусковые токи драйверов Аргос

Компания Аргос разработала и применяет уникальную, как минимум на раннем этапе внедрения, топологию драйвера, в которой нет накопительного электролитического конденсатора на сетевой стороне преобразователя. Это привело к тому, что пусковые токи (в популярном понимании термина) имеют очень маленькие длительности и энергии.

На осциллограмме приведен пусковой ток драйвера ИПС100-700, измеренный на эквиваленте сети очень близком к стандарту NEMA-410 (500 мОм вместо 450 мОм в стандарте). Не будем долго полемизировать об энергетической ценности этого импульса и сделаем себе запас, описав огибающую амплитуд всех импульсов из серии. По уровню 50% амплитуды длительность составляет 120 мксек, амплитуда – 22,5 ампера. Аналогичное испытание мы провели без эквивалента сети.

Здесь длительность импульса сократилась практически до 20 мксек по 50%, а амплитуда выросла до 70 ампер.

Воспользуемся параметрами этих импульсов для практических расчётов. Рассчитаем, сколько драйверов можно безопасно включить одним стандартным автоматическим выключателем. Для расчёта мы выберем выключатель В10 (номинальный ток 10 ампер, кривая В). Будем считать, что драйверы потребляют по питанию 100 Вт каждый и питание производится от сети 230 вольт. Тогда минимальное питающее напряжение составит 198 В (если сеть соответствует ГОСТ). Потребляемый ток составит 100 / 198 = 0,5 А. Номинальный ток выключателя в 10 ампер позволит нам запитать 20 драйверов. Для расчета влияния пусковых токов драйверов на магнитный расцепитель автоматического выключателя воспользуемся информацией из статьи «InventronicsCircuitBreakers», где приведена диаграмма чувствительности автоматических выключателей к импульсам тока короче 10 миллисекунд для автоматических выключателей ABB. Prooffactor (K) – коэффициент, показывающий во сколько раз ток удержания магнитного расцепителя будет выше номинального тока удержания в зависимости от длины импульса. Для импульса длительностью 120 мксек К-фактор равен 25, а для 20 мкс – 100! Для выключателя В10 ток удержания равен 10 * 3 = 30 А. Итоговый ток удержания для импульса 120 мксек 30 * 25 = 750 ампер. Амплитуда импульса пускового тока 20-ти драйверов составит 20 * 22,5 = 450 ампер. Это почти в два раза меньше максимально допустимого значения. Для второго случая при 20 мксек, ток удержания 30 * 100 = 3000 ампер, а суммарный ток драйверов 1400 ампер!

Как мы писали в более ранней статье, драйверы Аргос можно включать на автоматические выключатели исходя только из номинальных токов потребления – пусковые токи учитывать нет необходимости, они не способны привести к ложноаварийному отключению. Оценив ранее эти данные, мы пришли к выводу, что важнее предупредить нашего клиента от перегрузки питающего оборудования.

На картинке зафиксирован весь процесс запуска драйвера Аргос ИПС100-700. Осциллографом зафиксирована форма тока ИПС через шунт 10 мОм (масштаб 10 мВ = 1 А) от источника постоянного тока 230 вольт. На входе драйвера применён фильтр высокочастотных помех с конденсаторами малой ёмкости, которые и заряжаются пиками №1 и №2; далее до запуска преобразователя наблюдается пауза; пик №3 – это заряд конденсатора на выходе драйвера запустившимся в этот момент преобразователем; и №4 – номинальный режим. В отличие от пиков №1 и №2, пик №3 имеет длительность в несколько периодов сети и заканчивается выходом драйвера на номинальный режим работы.

У большинства драйверов, как и на нашей осциллограмме, есть паузы в потреблении тока между включением питания и запуском преобразователя. Большие начальные импульсы тока могут привести не только к отключению автоматов, но и к кратковременным перегрузкам сети питания. Так как за первыми импульсами следует пауза, в которой потребления нет, сеть имеет возможность восстановиться от сверхнагрузок. Однако, при запуске самого импульсного преобразователя, меньшая по амплитуде перегрузка длится уже несколько периодов сетевого напряжения, что способно привести к необратимому краху сети, ошибочно спроектированной или имеющей предаварийное состояние. Эта опасность так же во многом связана с тем, что в отличие от ламп накаливания, большинства магнитных балластов и подобных устройств, потребляемая мощность которых зависит от напряжения в сети, LED-драйверы являются устройствами, стабилизированными по мощности – при снижении напряжения питания, ток потребления растёт. Если источник электропитания не способен обеспечить пусковое энергопотребление линии, то во время запуска, при значительном снижении (просадке) напряжения в системе, процесс роста тока потребления может развиваться лавинообразно и необратимо. В лучшем случае это приведёт к срабатыванию защиты, но возможны и случаи аварий. Следует обратить внимание и на автономные источники питания освещения (аварийные, ИБП, генераторы и т.д.), которые, как правило, имеют меньшую перегрузочную способность, чем промышленные сети.

Именно потому, что пиковые токи при подаче питания на драйверы Аргос не способны привести к ложному срабатыванию автоматических выключателей, а на восстановление источника энергопитания от кратковременной перегрузки есть время (пауза перед запуском преобразователя), мы считаем, что нашим клиентам важнее амплитуда тока при запуске преобразователя (пик №3 на осциллограмме). Именно амплитуда пика №3 – пускового тока импульсного преобразователя - приведена в наших каталогах и паспортах в разделе «пусковой ток».

Автор обзора: Пономарёв Д.В. 16.04.2020 г.

[i]  150W Constant Power Mode LED Driver XLG-150 series https://www.meanwell.com/Upload/PDF/XLG-150/XLG-150-SPEC.PDF

[ii] Xitanium 150W 0.7A 230V I175 https://www.docs.lighting.philips.com/en_gb/oem/download/outdoor/Xitanium-150W-07A230VI175929001400080180410.pdf

[iii] Xitanium LED indoor drivers Spot & downlight, Linear https://www.docs.lighting.philips.com/en_gb/oem/download/xitanium/181113_Xitanium_Indoor_LED_drivers.pdf

[iv] EBC-100SxxxSV-000x Rev. D 100W Constant Current IP67 Driver  https://www.inventronics-co.com/wp-content/uploads/2017/12/DS-EBC-100SxxxSV-000x-Rev.D.pdf

[v] Inventronics Circuit Breakers https://www.inventronics-co.com/wp-content/uploads/2018/04/Circuit-Breaker-App-Note.pdf

[vi] Driver LCA 100W 350–1050mA 4xCH lp PRE https://www.tridonic.com/object/PDF/DataSheet.aspx?articleid=307004&CompanyId=9&Lang=EN&ISO2=COM&Cat=www.tridonic.com

[vii] LED Driver LCA PRE OTD Product Manual http://www.tridonic.com/com/en/download/technical/LCA_PRE_OTD_Product_Manual_en.pdf