Profili operativi e intervalli di funzionamento MagnaLOAD

I carichi elettronici DC MagnaLOAD di Magna-Power utilizzano due diverse topologie di dissipazione dell'energia: lineare e a resistenza attiva.

Nella topologia lineare, utilizzata nella Serie ALx a raffreddamento ad aria e coerente con la maggior parte dei carichi elettronici disponibili sul mercato, i MOSFET pilotati nella regione di funzionamento lineare vengono impiegati come dispositivo principale di dissipazione del calore. L'utilizzo dei MOSFET per dissipare energia è un approccio semplice e consolidato, che consente il funzionamento a piena potenza su un intervallo di tensione molto ampio. Lo svantaggio della topologia, tuttavia, è il costo relativamente elevato dei carichi elettronici lineari, determinato dall'alto costo per watt e dal grande numero di dispositivi attivi necessari per applicazioni di potenza significativa.

Nella topologia a resistenza attiva brevettata (brevetto US 9.429.629), utilizzata nella Serie ARx a raffreddamento ad aria e nella Serie WRx a raffreddamento ad acqua, una matrice commutata di resistori passivi fornisce la dissipazione di potenza principale, che viene poi accoppiata in serie con un numero relativamente ridotto di dispositivi attivi. Nuovi set point programmati o variazioni nel bus di ingresso DC provocano la commutazione dei resistori all'interno e all'esterno del circuito, con controllo digitale simultaneo dei dispositivi attivi per rendere la transizione senza discontinuità. Sostituendo i dispositivi passivi ai dispositivi attivi come elemento principale di dissipazione del calore, i carichi elettronici a resistenza attiva vengono offerti a un prezzo significativamente inferiore rispetto ai carichi elettronici tradizionali, consentendo un'applicazione economica dei carichi elettronici per requisiti di alta potenza. Poiché i resistori passivi hanno un'impedenza fissa, l'intervallo di tensione in cui è possibile raggiungere la piena potenza è più limitato rispetto ai carichi con tecnologia lineare. Il profilo operativo di un carico elettronico è un fattore importante da considerare nella selezione del prodotto.

Profili operativi MagnaLOAD

I modelli MagnaLOAD sono specificati dal nome della serie e da tre numeri, nell'ordine: potenza massima, tensione massima e corrente massima. Ad esempio, il modello ARx13.5-1000-28 è classificato per 13,5 kW di potenza massima, 1000 Vdc di tensione massima e 28 Adc di corrente massima. Con l'ampio intervallo operativo a piena potenza dei MagnaLOAD, potrebbe non essere immediatamente chiaro dal modello in quale intervallo tali valori nominali possano essere raggiunti. L'intervallo operativo a piena potenza può essere determinato facilmente:

• Dividendo la potenza massima nominale del modello per la tensione massima nominale per determinare quale sarà la corrente alla tensione massima del prodotto.
• Dividendo la potenza massima nominale del modello per la corrente massima nominale per determinare quale sarà la tensione alla corrente massima del prodotto.

Tra questi due punti di tensione e corrente viene determinato l'intervallo operativo a piena potenza, ad esempio, per il modello ALx2.5-200-600:

Il funzionamento a piena potenza nominale di 2,5 kW per il modello ALx2.5-200-600 si ottiene da 482 Vdc e 56 Adc fino a 1000 Vdc e 27 Adc. Mostrato su un grafico, di seguito, con potenza e corrente in funzione della tensione:

Come ulteriore esempio, il carico elettronico DC MagnaLOAD modello ARx27-1000-56:

Il funzionamento a piena potenza nominale di 27 kW per il modello ARx27-1000-56 si ottiene da 482 Vdc e 56 Adc a 1000 Vdc e 27 Adc. Di seguito è riportato un grafico con potenza e corrente in funzione della tensione:

Come semplice regola pratica per i MagnaLOAD a resistenza attiva delle Serie ARx e WRx, la piena potenza può essere raggiunta dal 48% della tensione massima al 100% della tensione massima. Per la Serie ALx, con il suo intervallo operativo a piena potenza molto più ampio, è preferibile utilizzare il calcolo delle Eq. 1-2 sopra riportate.

Naturalmente, i MagnaLOAD possono anche operare al di fuori dei profili operativi delle Figure 1 e 2, a potenza ridotta; in questo caso è necessario consultare il profilo operativo specificato del rispettivo prodotto nella scheda tecnica o nel manuale utente. Data l'ampia gamma di modelli e livelli di potenza, Magna-Power normalizza questi profili rispetto ai valori nominali a fondo scala del prodotto per la rispettiva serie. Per ricavare il profilo operativo di un modello, moltiplicare i valori normalizzati del profilo per i valori nominali indicati nel numero di modello. La Figura 3 mostra il profilo operativo normalizzato dell'intervallo di alta potenza della Serie ARx e la Figura 4 mostra il profilo operativo dell'intervallo di alta potenza della Serie ARx applicato al modello ARx40.5-100-840.

Intervallo Operativo di Bassa Potenza

I MagnaLOAD a resistenza attiva, le Serie ARx e WRx, dispongono di un secondo intervallo operativo, bassa potenza, selezionabile dal pannello frontale o tramite comando da computer. Questo intervallo operativo consente a queste serie di prodotti di raggiungere la corrente nominale massima a basse tensioni bypassando i resistori passivi e utilizzando i MOSFET esclusivamente per la dissipazione di potenza. Sebbene il MagnaLOAD possa dissipare solo circa il 20% della sua potenza nominale in questo intervallo di bassa potenza, è utile per applicazioni a bassa tensione che non possono essere altrimenti gestite dal profilo operativo di alta potenza.

La Figura 5 mostra il profilo operativo normalizzato di bassa potenza della Serie ARx e la Figura 6 mostra il profilo operativo di bassa potenza della Serie ARx applicato al modello ARx40.5-100-840.

Profili e Intervalli Operativi dei MagnaLOAD Applicati ad Applicazioni Esemplificative

Tra le numerose applicazioni dei carichi elettronici DC MagnaLOAD, ne sono state selezionate alcune per dimostrare al meglio il profilo e gli intervalli operativi del prodotto.

Test Automotive a 12 Vdc e 48 Vdc

Magna-Power è stata contattata da un costruttore automobilistico per utilizzare il MagnaLOAD nel collaudo di applicazioni automobilistiche convenzionali a 12 Vdc, ma anche per il test di sistemi elettrici ibridi plug-in a 48 Vdc. Il MagnaLOAD sarebbe stato utilizzato per prove di scarica di batterie al piombo-acido da 12 Vdc e batterie agli ioni di litio da 48 Vdc, ma anche per caricare l'alternatore a 12 Vdc e simulare il recupero di energia della batteria sul bus a 48 Vdc di un veicolo ibrido. Le specifiche di scarica nel caso peggiore fornite erano le seguenti:

• 350 Adc di corrente massima di scarica a 12 Vdc dalle batterie al piombo-acido per simulare l'avviamento del motorino di avviamento
• 400 Adc di dissipazione massima a 48 Vdc dalle batterie agli ioni di litio durante l'accelerazione

Il requisito di potenza più elevato per questa applicazione, 48 Vdc a 400 Adc per le batterie agli ioni di litio, indica che questo requisito rientra nell'intervallo di potenza della Serie ARx (da 6.75 kW a 40.5 kW):

Sulla base di questo requisito di potenza di 19.2 kW e dell'offerta di prodotti Magna-Power, il modello della Serie ARx più adatto sarebbe nell'intervallo di 20.25 kW e oltre. Ora è importante verificare che i punti operativi rientrino nell'intervallo operativo del prodotto.

Facendo riferimento alla linea rossa nella Figura 3, i carichi elettronici DC MagnaLOAD Serie ARx possono raggiungere la piena potenza nell'intervallo operativo di alta potenza dal 48% al 100% della tensione nominale massima in uscita. Dall'offerta Magna-Power, l'unico intervallo di tensione in grado di raggiungere la piena potenza a 48 Vdc sarebbe quello dei MagnaLOAD con tensione massima nominale di 100 Vdc, poiché 48 Vdc equivale al 48% della tensione nominale di un MagnaLOAD da 100 Vdc. 48 Vdc rientrerebbe quindi nell'intervallo operativo a piena potenza di un MagnaLOAD da 100 Vdc.

Facendo riferimento alla linea blu scuro nella Figura 3, a 12 Vdc la capacità di corrente dei MagnaLOAD Serie ARx da 100 Vdc è solo il 22.5% della corrente nominale massima nell'intervallo di alta potenza—è qui che entra in gioco l'intervallo di bassa potenza.

Per applicazioni a bassa tensione, configurando il MagnaLOAD per l'intervallo di bassa potenza si ottiene il profilo operativo della Figura 5. In questo intervallo, il MagnaLOAD può raggiungere valori prossimi alla sua capacità di corrente nominale a basse tensioni. Facendo nuovamente riferimento alla Figura 5, a 12 Vdc—equivalente al 12% della tensione nominale di un MagnaLOAD da 100 Vdc—può raggiungere il 95% della sua corrente nominale.

Considerando la potenza nominale più vicina superiore a 19.2 kW, il modello ARx20.25-100-420, valutiamo le condizioni operative:

L'Equazione 6 mostra che a 48 Vdc, il MagnaLOAD modello ARx20.25-100-420 sarà in grado di raggiungere 421.8 Adc nell'intervallo di alta potenza, soddisfacendo i requisiti per il test delle batterie agli ioni di litio.

L'equazione 7 mostra che, sebbene il modello MagnaLOAD ARx20.25-100-420 sia limitato al 95% della sua corrente nominale a 12 Vdc nel range di potenza basso, 399 Adc fornisce corrente sufficiente a soddisfare i requisiti del test delle batterie al piombo-acido.

Pertanto, il modello ARx20.25-100-420 soddisfa entrambi i requisiti, attraverso l'utilizzo del range di potenza alto (Figura 3) e del range di potenza basso (Figura 5).

Test per veicoli elettrici a 500 Vdc con capacità di espansione

Magna-Power è stata contattata da un produttore di veicoli elettrici (EV) per il test del bus DC a 500 Vdc del loro veicolo elettrico. Il MagnaLOAD sarebbe stato utilizzato al posto del pacco batterie per dissipare l'energia rigenerativa. Inoltre, il MagnaLOAD avrebbe anche fornito il carico per i caricabatterie di bordo del veicolo.

I caricabatterie di bordo hanno determinato il requisito di potenza, pari a 12 kW. L'utente preferiva una soluzione a raffreddamento ad aria, adatta alla Serie ARx (raffreddata ad aria, da 6,75 kW a 40,5 kW). L'utente ha inizialmente selezionato l'ARx13.5-500-56, con valori nominali massimi di 13,5 kW, 500 Vdc e 56 Adc. Questa scelta sembrava la più logica, poiché avrebbe ampiamente soddisfatto la richiesta di potenza totale fornendo fino a 27 Adc al requisito di tensione di 500 Vdc.

Sebbene il modello selezionato dall'utente soddisfacesse la domanda attuale, la generazione futura del loro veicolo avrebbe portato la tensione del bus DC a 800 Vdc; l'ARx13.5-500-56 non sarebbe stato in grado di soddisfare le esigenze di test per questa nuova generazione. Di conseguenza, nonostante la necessità immediata di soli 500 Vdc, il cliente ha selezionato l'ARx13.5-1000-28. Facendo nuovamente riferimento alla Figura 3, questo nuovo modello sarebbe comunque in grado di fornire 27 Adc al requisito di tensione di 500 Vdc (50% della tensione nominale massima), ma potrebbe ora raggiungere 13,5 Adc a 1000 Vdc, consentendo l'utilizzo del prodotto per la generazione futura.

Test di alimentatori per mining ASIC a 12 Vdc

Gli alimentatori per il mining di criptovalute forniscono bus +12V ad alta potenza per i miner ASIC ad elevato consumo energetico. Durante la validazione della produzione, questi alimentatori per il mining vengono sottoposti a cicli di funzionamento e burn-in utilizzando carichi elettronici DC. In questa particolare applicazione, cinque alimentatori vengono testati simultaneamente in un tester personalizzato per alimentatori. L'alimentatore è dimensionato per 1200 watt, in grado di erogare fino a 100 Adc sul suo rail +12V. Pertanto, il requisito di potenza massima per cinque alimentatori per miner in burn-in era di 6 kW.

Per un requisito di 6 kW, la Serie ARx sembra inizialmente la scelta migliore, con modelli che vanno da 6,75 kW a 40,5 kW. Dato che il requisito è a 12 Vdc, tuttavia, in modalità a bassa potenza la Serie ARx sarebbe limitata a meno del 25% della sua potenza nominale (Figura 5), il che richiederebbe un sovradimensionamento significativo del prodotto per soddisfare il requisito di 12 Vdc, 6 kW. Analizzando invece il profilo operativo della Serie ALx, essa è in grado di erogare la piena potenza su un range estremamente ampio, rendendola ideale per applicazioni ad alta potenza e bassa tensione. Facendo riferimento all'estratto della Figura 1 dal profilo operativo del modello MagnaLOAD ALx2.5-200-600, esso è in grado di raggiungere la sua potenza nominale massima a 12 Vdc.

Sebbene la potenza nominale massima di un ALx2.5-200-600 sia di soli 2,5 kW, è possibile collegare digitalmente più unità in parallelo in configurazione master-slave utilizzando l'interfaccia MagnaLINK™ inclusa nel prodotto. Con il master-slaving MagnaLINK™, non vi è alcun compromesso in termini di prestazioni e le unità eseguono l'aggregazione delle misure per funzionare realmente come un singolo prodotto. Il collegamento in master-slave di tre unità ALx2.5-200-600 consente una capacità di potenza fino a 7,5 kW e una capacità di corrente fino a 1800 Adc. Operando a 12 Vdc, il sistema master-slave disponeva di capacità più che sufficiente per il requisito di 6 kW, 600 Adc del tester per alimentatori per mining ASIC.