電源ピーク負荷 – どのくらいの負荷をどのくらいの時間?

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電源の選択は、定格出力が予想負荷より大きいことを確認して「これでよし」とするだけではすみません。予想負荷は全体の一部に過ぎません。ほとんどのアプリケーションには、通常負荷、最大負荷、そして通常負荷と最大負荷の両方を超えるピーク負荷が短時間発生する期間があります。これに対応するため、電源は限られた時間、最大定格を超えるピーク負荷を供給することができます。電源の効率は、エネルギー消費を削減し、無駄と発熱を最小限に抑えることで全体的な性能を向上させるため、極めて重要です。

電源環境

AC/DCおよびDC/DCの両方の電源は、周囲温度、湿度、入力スパイク、出力スパイクなど、電力出力能力に影響を与える様々な条件に対応します。電源における効果的なエネルギー管理は極めて重要で、エネルギーの節約の重要性が強調されます。最大定格動作条件下では、電源は即座に定格電力を供給し、デューティサイクル定格が許す限り、それを継続する必要があります。

安全な温度を確保し、性能と信頼性を維持するために、電源の動作監視は不可欠です。しかし、ほとんどの負荷は一定の電力消費で動作するわけではありません。モーターの機械的負荷、逆起電力、突入電流、および起動時の負荷スパイクはすべて負荷変動の要因となります。HVACシステムはエネルギー消費とベース負荷需要に大きな影響を与えるため、効率的なアップグレードとレトロフィットが必要になります。

ピーク負荷の考慮

ほとんどの電源は、特に電力消費がピークとなる高需要期間中、定格最大値を超える安定した電流を供給できます。しかし、部品は過熱し始め、最終的に熱的故障のリスクが生じます。そのため、多くの場合、電源は定格連続負荷に加えて、ピーク負荷仕様を明示しています。運用調整によるピーク負荷の管理は、サービスの維持とコスト管理に不可欠です。ピーク負荷を考慮する際の他の2つの重要な要素は、ピーク負荷の最大持続時間と各ピーク間の冷却期間です。
ピーク負荷持続時間とサイクルタイムのグラフ
図1:RECOM RACPRO1-T480シリーズのDINレール電源のピーク負荷持続時間とサイクルタイムのグラフ。
電源を設計する際、エンジニアは予想される動作条件を検討し、ピーク負荷に対応するために定格出力を超える余裕(ヘッドルーム)を設計に組み込みます。このヘッドルームは、短時間の負荷スパイクに対応するために短期間利用可能です。ピーク需要は時間帯別料金と負荷管理戦略に影響を与え、消費者が電力消費習慣を変更するように促します。これは、ユーザーに課されるピーク需要料金により、財務的な影響をもたらす可能性があります。高ピーク電力アプリケーションにおける電源装置の性能は、これらの期間中のグリッド負担を軽減するために不可欠です。

適切なピーク負荷対応能力があれば、より小型で安価な電源ユニットでも設備の寿命期間中、信頼性の高いサービスを提供できます。図1は、RACPRO1-T480シリーズ AC/DC DINレール電源のピーク負荷能力(「ブースト電力」とも呼ばれる)を示しています。製品データシートのグラフは、2つの異なるピーク負荷能力を示しています。

まず、電源は定格出力の250%のピーク電力を最大20ミリ秒間供給できます。このチャートは、150%を超える(紫色で表示)場合、容易にヒューズがトリップする可能性があることを警告しています。電源の最大定格負荷の150%までのピークパルスは、最大7.5秒間まで信頼性を保って供給できます。

チャートをさらに詳しく見ると、最大持続時間のピーク負荷後は52.5秒間、負荷を100%以下に下げる必要があることがわかります。ピーク負荷は60秒ごとにのみ発生可能で、250%の場合は20ミリ秒以下、150%の場合は7.5秒以下の持続時間に制限されます。これは250%時のデューティサイクルが0.03%、150%時のデューティサイクルが12.5%であることを意味します。

複数のピーク負荷

特定のアプリケーションでは複数のピーク負荷が発生します。例えば、コンベアモーターは通常は定常負荷で動作しますが、時折の重負荷に応答する際にピークが発生することがあります。バッテリーは、需要の少ない時間帯に電力を蓄え、必要な時に供給することで、これらのピーク需要期間中のグリッドの安定化に重要な役割を果たします。

複数のピークに対応する電源を選択する際は、デューティサイクル(ピーク間の時間)がピーク負荷値と同様に重要です。ここではV2G(Vehicle-to-grid)技術も重要であり、これは電気自動車を分散型エネルギー貯蔵として機能させることで、ピーク負荷管理とグリッドの安定性を向上させます。こでは平均電力の概念も関連しています。多くのシナリオで必要とされる平均電力は、通常、ピーク需要よりもはるかに低くなります。これにより、信頼性を損なうことなく、より小型で費用対効果の高い電源を仕様に指定することが可能です。

要約

ピーク負荷は、起動時の突入電流、モーター始動時の電流スパイク、および定常状態の電力消費を超えて発生する可能性のある非定常条件から生じます。電源装置は負荷のピークに対応するように設計されており、これにより、より小型の電源ユニットで長期的な信頼性の高いサービスを提供できます。

システム設計者は、機器の連続的な 負荷を電源装置に合わせるだけでなく、ピーク負荷、ピーク負荷の持続時間、およびピーク間の時間も考慮する必要があります。これによって、電源装置と負荷機器のデータシートの両方で追加の時間がかかる場合がありますが、この情報は寿命予測と信頼性にとって重要です。エネルギー効率の高い機器は、エネルギー消費の管理とピーク負荷需要の削減において重要な役割を果たします。
アプリケーション
  Series
1 AC/DC, 480 W, Single Output, DIN-Rail RACPRO1-T480 Series
Focus New
  • Slim Design (52mm) with 25° Push-In connectors
  • Fast tool-less mounting and demounting
  • PFC >0.9 and Active Inrush Current Limitation
  • DC-Input Range 430V to 815V/850V 10s