Dobór i stosowanie zasilaczy prądu zmiennego-stałego w automatyce fabrycznej

Wdrażanie automatyki fabrycznej nabiera tempa dzięki zastosowaniu technologii przemysłowego Internetu rzeczy (IIoT) i Przemysłu 4.0. Podstawową infrastrukturą tych technologii są zasilacze o wysokiej wytrzymałości. Dlatego niezwykle ważne jest, aby projektanci mogli szybko wdrożyć niezawodne zasilacze obsługujące różne poziomy napięcia w celu zaspokojenia potrzeb automatyki, sieci oraz urządzeń probierczych i pomiarowych w obiektach produkcyjnych.

W tym celu projektanci mogą albo samodzielnie skonstruować zasilacze, co może być kosztowne i czasochłonne, albo znaleźć łatwo dostępne rozwiązania odpowiednie do danego zadania i wpasowujące się w ograniczenia budżetowe. Oba rozwiązania muszą być zgodne z normami kompatybilności elektromagnetycznej (EMC) i bezpieczeństwa, a jednocześnie spełniać przepisy dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych (EMI). Ponadto zasilacze automatyki fabrycznej przeznaczone do środowisk przemysłowych muszą posiadać funkcje zabezpieczeń.

W niniejszym artykule pokrótce omówiono wymagania dotyczące zasilaczy prądu zmiennego-stałego w zastosowaniach automatyki fabrycznej i nakreślono krytyczne parametry działania oraz kryteria doboru modelu. Następnie przedstawiono zasilacze firmy RECOM Power przeznaczone do montażu na szynie DIN jako przykłady jednostek gotowych do wdrożenia.

Zasilacze do automatyki fabrycznej

Automatyka fabryczna obejmuje również urządzenia sieciowe oraz narzędzia probiercze i pomiarowe, a także opiera się w dużej mierze na solidnym i niezawodnym zasilaniu. Wymagania dotyczące zasilania różnią się w zależności od zastosowania i sprzętu. Typowe rozwiązanie przekształca napięcie sieciowe prądu zmiennego (od 90V_~ do 264V_~) z niewielkimi różnicami w zależności od kraju) na napięcie prądu stałego (=). Wymagania dotyczące wyjścia są różne, ponieważ urządzenia automatyki fabrycznej pracują przy kilku standardowych napięciach prądu stałego, w tym 12V, 15V, 24V i 48V.

Oprócz certyfikowanej zgodności z odpowiednimi przepisami bezpieczeństwa i innymi przepisami, rozwiązania modułowe są zwykle projektowane z myślą o gęstości energii i sprawności. Spełniają one szereg standardowych wymagań dotyczących napięć i prądów oraz są produkowane pod kątem wysokiej niezawodności i trwałości.

Komercyjne zasilacze modułowe do automatyki fabrycznej obejmują opcje dostosowane do popularnego systemu szyn DIN, co ułatwia wdrożenie. Ten system współpracuje z uniwersalnymi standardowymi szerokościami i kształtami elementów mocujących. System szyn DIN gwarantuje instalatorom spójność wymiarową całego zestawu produktów, w tym zasilaczy, niezależnie od ich producenta.

Kompatybilność systemów szyn DIN z produktami różnych marek zapewnia użytkownikom elastyczność łączenia i dopasowywania komponentów (ilustracja 1).

Ilustracja 1: szyny DIN upraszczają wdrażanie zasilaczy i umożliwiają łączenie ze sobą komponentów. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Ekonomiczne zasilacze do montażu na szynie DIN

Infrastruktury automatyki fabrycznej wykorzystują wiele zasilaczy, co powoduje szybki wzrost kosztów. Seria zasilaczy prądu zmiennego-stałego 120W REDIIN120 firmy RECOM Power do montażu na szynie DIN (ilustracja 2) została zaprojektowana z myślą o minimalizacji kosztów przy zachowaniu kompaktowych rozmiarów i niezawodności. Każda jednostka mierzy 123,6 x 30,0 x 116,8mm.

Ilustracja 2: zasilacze 120W z serii REDIIN120 do montażu na szynie DIN mają wymiary 123,6 x 30,0 x 116,8mm. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Zasilacze prądu zmiennego-stałego REDIIN120 z chłodzeniem konwekcyjnym mogą pracować z pełną mocą w zakresie temperatur od -30°C do +50°C. Produkty te posiadają certyfikaty zgodności z normami bezpieczeństwa IEC 62368-1, IEC 61010-1 oraz IEC 61010-2-201.

Promieniowane i przewodzone emisje elektromagnetyczne omawianych zasilaczy są zgodne z normą dotyczącą odporności EN 61000-6-2 oraz normą dotyczącą emisji dla przemysłu ciężkiego EN 61000-6-4 dla klasy B. Przedstawione urządzenia są również zgodne z wymogami ochrony środowiska wyszczególnionymi w dyrektywie RoHS.

Na serię REDIIN120 składają się trzy modele działające przy napięciu wejściowym od 90V_~ do 264V_~ i które różnią się tylko napięciem wyjściowym. Urządzenie REDIIN120-12 charakteryzuje się znamionowym napięciem wyjściowym 12V, nastawianym w zakresie od 10,8V do 13,2V. Urządzenie REDIIN120-24 charakteryzuje się znamionowym napięciem wyjściowym 24V, nastawianym w zakresie od 21,6V do 26,4V. Urządzenie REDIIN120-48 charakteryzuje się napięciem wyjściowym 48V, nastawianym w zakresie od 43,2V do 52,8V. Maksymalne prądy wyjściowe wynoszą odpowiednio 10A, 5A i 2,5A.

Zasilacze te działają z maksymalną sprawnością od 86% do 89,5%, w zależności od urządzenia (ilustracja 3), a ich pobór mocy w stanie jałowym wynosi 150mW dla wersji 12V i 24V oraz 210mW dla wersji 48V.

Ilustracja 3: sprawność zasilacza REDIIN120-24 w funkcji obciążenia wyjściowego. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Zasilacze mogą pracować w trybie stałego prądu, dzięki czemu seria jest odpowiednia do obciążeń indukcyjnych i pojemnościowych, takich jak silniki, elektromagnesy i przekaźniki. Maksymalne obciążenie pojemnościowe przy uruchomieniu wynosi 8mF dla jednostek 12V i 24V oraz 3mF dla jednostki 48V.

Zasilacze REDIIN120 są wyposażone w kompleksowe zabezpieczenie nadprądowe (OCP), zabezpieczenie nadnapięciowe (OVP) i zabezpieczenie przed nadmierną temperaturą (OTP) (ilustracja 4). Napięcia powyżej 17,4V₌ dla jednostki 12V, 33,6V₌ dla jednostki 24V oraz 64,8V₌ dla jednostki 48V skutkują stanem blokady w stanie wyłączenia.

Ilustracja 4: serię REDIIN120 wyposażono w kompleksowe zabezpieczenia. Napięcia powyżej 17,4V₌ dla jednostki 12V, 33,6V₌ dla jednostki 24V oraz 64,8V₌ dla jednostki 48V skutkują stanem blokady w stanie wyłączenia. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Grupa REDIIN nie zawiera wariantu 15V. Jednak do pracy z napięciem 15V firma RECOM Power oferuje przetwornicę prądu zmiennego na stały RACM15E-15SK/PMAD-CTN (ilustracja 5). Omawiane urządzenie montowane na szynie DIN zapewnia napięcie wyjściowe 15V i prąd wyjściowy 1A przy napięciu wejściowym prądu zmiennego od 80V do 275V lub napięciu wejściowym prądu stałego 370V. Maksymalna moc wyjściowa wynosi 15W, a sprawność przy pełnym obciążeniu wynosi 85%. Omawiane jednostki posiadają międzynarodowe certyfikaty bezpieczeństwa oraz certyfikaty dotyczące zakłóceń elektromagnetycznych (EMI) potwierdzające zgodność z normami dla transformatorów medycznych, domowych, przemysłowych i bezpieczeństwa.

Ilustracja 5: przetwornica prądu zmiennego na stały RACM15E-15SK/PMAD-CTN 15V, 15W przeznaczona jest do montażu na szynie DIN i służy do automatyki fabrycznej. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Zagadnienia projektowe dotyczące zasilaczy do montażu na szynie DIN

Oprócz wymagań dotyczących bezpieczeństwa, kompatybilności elektromagnetycznej i zakłóceń elektromagnetycznych (EMI), projektanci muszą wziąć pod uwagę inne krytyczne parametry, aby zapewnić bezawaryjną pracę przeznaczonych do fabryk zasilaczy prądu zmiennego-stałego przez długi czas.

Na przykład aby uniknąć problemów, niezbędne jest ograniczenie temperatury roboczej poniżej maksymalnej wartości znamionowej zasilacza. Wysokie temperatury robocze mogą powodować pogorszenie parametrów działania, a jednocześnie skracać okres użytkowania oraz zwiększać ryzyko nieprawidłowego działania i awarii. Niskie temperatury mogą również powodować problemy z działaniem, w tym zwiększone tętnienia napięcia wyjściowego i słabą regulację wyjścia. Ponadto zmiany charakterystyki elektrycznej w niskich temperaturach mogą spowodować brak rozruchu.

Producenci zazwyczaj zalecają obniżenie mocy zasilacza przy temperaturze przekraczającej wartość progową, a urządzenia z serii REDIIN120 posiadają również wyłącznik bezpieczeństwa powyżej maksymalnej temperatury roboczej. Krzywa obniżenia parametrów znamionowych dla zasilacza prądu zmiennego-stałego 120W REDIIN120-24 (ilustracja 6) wskazuje na obniżenie mocy wyjściowej powyżej +40°C dla napięcia wejściowego 100V_~ i 115V_~, a także powyżej +50°C dla napięcia wejściowego 230V_~. Praca w temperaturze powyżej +70°C wyzwala odcięcie.

Ilustracja 6: krzywa obniżania parametrów znamionowych dla zasilacza prądu zmiennego-stałego 120W REDIIN120-24 wskazuje na obniżenie mocy wyjściowej powyżej +40°C dla napięć wejściowych +100V_~ i 115V_~, a także powyżej +50°C dla napięcia wejściowego 230V_~. Praca w temperaturze powyżej +70°C wyzwala odcięcie. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Kolejną kwestią jest długość kabla. Zbyt długie kable zasilające mogą powodować straty rezystancyjne, które skutkują obniżeniem napięcia pod obciążeniem poniżej dopuszczalnych wartości granicznych. Straty w kablu można zniwelować przez zwiększenie przekroju przewodu lub napięcia wyjściowego i zastosowanie lokalnej regulacji prądu stałego w punkcie obciążenia (PoL).

Należy również wziąć pod uwagę rodzaj obciążenia. Dostarczanie zasilania do obciążeń pojemnościowych lub indukcyjnych może wiązać się z wyzwaniami. Obciążenia indukcyjne, takie jak silniki, elektromagnesy i przekaźniki, mogą powodować wysokie skoki napięcia. Zasilanie obciążeń pojemnościowych może zmniejszyć dynamiczną odpowiedź zasilacza na obciążenie lub prowadzić do niestabilności i zwiększonych tętnień wyjściowych. Przy doborze zasilacza projektanci powinni dokładnie rozważyć rodzaje obciążeń, jakich wymaga dane zastosowanie, aby upewnić się, że będzie on w stanie sobie z nimi poradzić. Na przykład urządzenia REDIIN120 oferują tryb stałego prądu, dzięki czemu mogą obsługiwać obciążenia indukcyjne i pojemnościowe.

Wreszcie aby zminimalizować wpływ pominiętych cykli i zaników, ważne jest zabezpieczenie nadprądowe (OCP) wyjścia. Typowe techniki ochrony zasilacza to m.in. ograniczanie prądu do ustawionej wartości, obniżanie prądu do bezpiecznej wartości wraz ze wzrostem obciążenia lub zabezpieczenie „hiccup”, które wyłącza i włącza wyjście z opóźnieniem. Jeżeli stan nadmiernego prądu nadal występuje, cykl hiccup jest powtarzany. Produkty REDIIN120 posiadają zabezpieczenie typu hiccup.

Na przykład zasilacz prądu zmiennego-stałego 120W REDIIN120-24 działa w trybie stałego napięcia w zakresie obciążeń znamionowych (ilustracja 7). W przypadku zabezpieczenia nadprądowego (OCP) wyjścia, po przekroczeniu maksymalnego prądu znamionowego o wielkość od 105% do 150% jego wartości nominalnej, urządzenie przechodzi w tryb ograniczonego prądu, w którym napięcie wyjściowe wynosi około 80% nominalnej wartości zadanej. Zwiększone obciążenie powoduje przejście zasilacza w tryb hiccup z automatycznym ponownym uruchomieniem.

Ilustracja 7: zasilacz prądu zmiennego-stałego 120W REDIIN120-24 działa w trybie stałego napięcia w zakresie obciążeń znamionowych. W przypadku zabezpieczenia nadprądowego (OCP) wyjścia, po przekroczeniu maksymalnego prądu znamionowego o wielkość od 105% do 150% jego wartości nominalnej, urządzenie przechodzi w tryb ograniczonego prądu, w którym napięcie wyjściowe wynosi około 80% nominalnej wartości zadanej. Zwiększone obciążenie powoduje przejście zasilacza w tryb hiccup z automatycznym ponownym uruchomieniem. (Źródło ilustracji: RECOM Power)

Podsumowanie

Komercyjne zasilacze modułowe firmy RECOM do montażu na szynie DIN stanowią ekonomiczne, kompaktowe, niezawodne i łatwe do wdrożenia rozwiązania do automatyki fabrycznej. Urządzenia te posiadają wstępną certyfikację zgodności z obowiązującymi przepisami i są wyposażone w szereg standardowych wyjść napięciowych oraz prądowych prądu stałego. Omawiane zasilacze oferują szereg funkcji bezpieczeństwa i dostępne są w wersjach do zasilania obciążeń pojemnościowych i indukcyjnych.