AC/DC-voedingen voor fabrieksautomatisering selecteren en toepassen

De verschuiving naar fabrieksautomatisering versnelt met de toepassing van Industrial Internet of Things (IIoT) en Factory 4.0-technologieën. Robuuste voedingen vormen de basisinfrastructuur voor deze technologieën. Daarom is het van cruciaal belang dat ontwerpers snel betrouwbare voedingen kunnen implementeren die verschillende spanningsniveaus ondersteunen om te voldoen aan de behoeften van de automatiserings-, netwerk-, test- en meetapparatuur van de productiefaciliteiten.

Om in deze behoefte te voorzien, kunnen ontwerpers de voedingen zelf maken, wat duur en tijdrovend kan zijn, of kant-en-klare oplossingen vinden die geschikt zijn voor de taak en binnen hun budgettaire beperkingen vallen. Beide oplossingen moeten voldoen aan elektromagnetische compatibiliteit (EMC) en veiligheidsnormen en aan de voorschriften voor elektromagnetische interferentie (EMI). Bovendien moeten voedingen voor fabrieksautomatisering beschermingsfuncties hebben om ze geschikt te maken voor industriële omgevingen.

Dit artikel bespreekt kort de vereisten van een AC/DC-voeding voor fabrieksautomatiseringstoepassingen en schetst de kritieke selectiecriteria voor prestaties en vormfactoren. Vervolgens worden DIN-railvoedingen van RECOM Power geïntroduceerd als voorbeelden van kant-en-klare eenheden.

Voedingen voor fabrieksautomatisering

Fabrieksautomatisering omvat ook netwerkapparatuur en test- en meetinstrumenten en is in grote mate afhankelijk van robuuste en betrouwbare voeding. De voedingsvereisten variëren afhankelijk van de toepassing en de apparatuur. Een typische oplossing zet een netspanning (90 V_AC tot 264 V_AC, met kleine variaties tussen landen) om in een gelijkspanning. De uitgangsvereisten variëren omdat fabrieksautomatiseringsapparatuur werkt op verschillende standaard gelijkspanningen, waaronder 12 V, 15 V, 24 V en 48 V.

Naast gecertificeerde naleving van de relevante veiligheids- en andere voorschriften, worden modulaire oplossingen meestal ontworpen met het oog op energiedichtheid en efficiëntie. Ze voldoen aan een reeks standaard spanningen en stroomvereisten en zijn vervaardigd met het oog op een hoge betrouwbaarheid en een lange levensduur.

Commerciële modulaire voedingen voor fabrieksautomatisering bevatten opties die passen bij het populaire DIN-railsysteem voor eenvoudig gebruik. Dit systeem werkt met universele standaardbreedtes en vormen van bevestigingsmateriaal. Met het DIN-railsysteem zijn installateurs verzekerd van consistente afmetingen voor een reeks producten, waaronder voedingen, ongeacht de fabrikant.

Deze merkoverschrijdende compatibiliteit geeft gebruikers van DIN-railsystemen de flexibiliteit om componenten te mixen en matchen (Afbeelding 1).

Afbeelding 1: DIN-rails vereenvoudigen het gebruik van voedingen en maken het mixen en matchen van componenten mogelijk. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Rendabele voedingen voor DIN-rail

Fabrieksautomatiseringsinfrastructuren gebruiken meerdere voedingen, waardoor de kosten snel stijgen. De RECOM Power REDIIN120-serie 120 W DIN-rail AC/DC-voedingen (Afbeelding 2) is ontworpen om de kosten te minimaliseren en tegelijkertijd compact en betrouwbaar te blijven. Elke unit meet 123,6 x 30,0 x 116,8 millimeter (mm).

Afbeelding 2: De afmetingen van de REDIIN120-serie 120 W DIN-railvoedingen zijn 123,6 x 30,0 x 116,8 millimeter (mm). (Bron afbeelding: RECOM Power)

De convectiegekoelde REDIIN120 AC/DC-voedingen kunnen op vol vermogen werken binnen een temperatuurbereik van -30 °C tot 50 °C. Deze producten zijn gecertificeerd volgens de veiligheidsnormen IEC 62368-1, IEC 61010-1 en IEC 61010-2-201.

De elektromagnetische uitgestraalde en geleide emissies van de voedingen voldoen aan de EN 61000-6-2-immuniteitsnorm en de zware industriële EN 61000-6-4 klasse B-emissienorm. De units voldoen ook aan de milieubeschermingsvereisten volgens de RoHS-richtlijn.

De REDIIN120-serie bestaat uit drie modellen, die elk werken vanaf een 90 V_AC tot 264 V_AC ingang en alleen verschillen in uitgangsspanning. De REDIIN120-12 heeft een nominale 12 V uitgang die instelbaar is van 10,8 V tot 13,2 V. De REDIIN120-24 heeft een nominale 24 V uitgang die instelbaar is van 21,6 V tot 26,4 V. De REDIIN120-48 heeft een uitgang van 48 V die instelbaar is van 43,2 V tot 52,8 V. De maximale uitgangsstromen zijn respectievelijk 10 A, 5 A en 2,5 A.

De voedingen werken met een maximale efficiëntie tussen 86% en 89,5%, afhankelijk van de eenheid (Afbeelding 3), en hebben een nullast-stroomverbruik van 150 milliwatt (mW) voor de 12 V en 24 V versies, en 210 mW voor de 48 V versie.

Afbeelding 3: Getoonde efficiëntie versus uitgangsbelasting voor de REDIIN120-24-voeding. (Bron afbeelding: RECOM Power)

De voedingen kunnen werken in constante stroommodus, waardoor de serie geschikt is voor inductieve en capacitieve belastingen zoals motoren, solenoïden en relais. De maximale capacitieve belasting bij opstarten is 8 millifarads (mF) voor de 12 V en 24 V units, en 3 mF voor de 48 V unit.

De REDIIN120-voedingen beschikken over een uitgebreide overstroombeveiliging (OCP), overspanningsbeveiliging (OVP) en overtemperatuurbeveiliging (OTP) (Afbeelding 4). Spanningen hoger dan 17,4 V_DC voor de 12 V-unit, 33,6 V_DC voor de 24 V-unit en 64,8 V_DC voor de 48 V-unit genereren een vergrendeling.

Afbeelding 4: De REDIIN120-serie biedt uitgebreide bescherming. Spanningen hoger dan 17,4 V_DC voor de 12 V-unit, 33,6 V_DC voor de 24 V-unit en 64,8 V_DC voor de 48 V-unit genereren een vergrendeling. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Er is geen 15 V variant in de REDIIN-familie. RECOM Power biedt echter de RACM15E-15SK/PMAD-CTN AC/DC-convertor voor 15 V bedrijf (Afbeelding 5). Deze eenheid voor montage op een DIN-rail levert een uitgang van 15 V, 1 A vanaf een AC-ingang van 80 V tot 275 V of een DC-ingang van 370 V. Het maximale uitgangsvermogen is 15 W en de efficiëntie bij volledige belasting is 85%. De units hebben internationale veiligheids- en EMI-certificeringen voor medische, huishoudelijke, industriële en veiligheidstransformatorstandaarden.

Afbeelding 5: De RACM15E-15SK/PMAD-CTN is een 15 V, 15 W AC/DC-convertor voor DIN-railmontage voor fabrieksautomatisering. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Ontwerpoverwegingen voor DIN-railvoedingen

Naast de veiligheids-, EMC- en EMI-vereisten moeten ontwerpers rekening houden met andere kritieke parameters om ervoor te zorgen dat de AC/DC-voedingen in de fabriek gedurende lange perioden zonder storingen kunnen werken.

Het is bijvoorbeeld essentieel om de bedrijfstemperatuur te beperken tot onder de maximumwaarde voor de voeding om problemen te voorkomen. Hoge bedrijfstemperaturen kunnen leiden tot verminderde prestaties, een kortere levensduur en een groter risico op onjuiste werking en storingen. Lage temperaturen kunnen ook prestatieproblemen veroorzaken, zoals een verhoogde golving van de uitgangsspanning en een slechte uitgangsregeling. Bovendien kunnen veranderingen in de elektrische eigenschappen bij lage temperaturen ertoe leiden dat de motor niet start.

Fabrikanten raden meestal aan om de voeding te deratheren boven een temperatuurdrempel en eenheden in de REDIIN120-serie hebben ook een veiligheidsuitschakeling boven een maximale bedrijfstemperatuur. De deratingcurve voor de REDIIN120-24 120 W AC/DC-voeding (Afbeelding 6) geeft een vermindering van het uitgangsvermogen aan boven 40 °C voor ingangen van 100 V_AC en 115 V_AC, en boven 50 °C voor een ingang van 230 V_AC. Werking boven 70 °C activeert een cut-out.

Afbeelding 6: De deratingcurve voor de REDIIN120-24 120 W AC/DC-voeding geeft een vermindering van het uitgangsvermogen aan boven 40 °C voor ingangen van +100 V_AC en 115 V_AC, en boven 50 °C voor een ingang van 230V_A C. Werking boven 70 °C activeert een cut-out. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Een andere overweging is kabellengte. Te lange voedingskabels kunnen weerstandsverliezen veroorzaken die resulteren in een lagere spanning bij de belasting dan toegestaan. Door de draaddikte of de uitgangsspanning te verhogen en lokale DC/DC-regeling op het belastingspunt (PoL) te gebruiken, kunnen kabelverliezen worden overwonnen.

Er moet ook rekening worden gehouden met het type belasting. Voeding leveren aan capacitieve of inductieve belastingen kan een uitdaging zijn. Inductieve belastingen zoals motors, solenoïden en relais kunnen hoge spanningspieken veroorzaken. Het leveren van capacitieve belastingen kan de dynamische belastingsrespons van de voeding verminderen of leiden tot instabiliteit en verhoogde uitgangsrimpel. Ontwerpers moeten bij het kiezen van de voeding zorgvuldig rekening houden met de soorten belastingen die de toepassing vereist, om er zeker van te zijn dat de voeding dit aankan. De REDIIN120-units bieden bijvoorbeeld een constante stroommodus, waardoor de serie geschikt is voor inductieve en capacitieve belastingen.

Tot slot is output OCP belangrijk om de effecten van gemiste cycli en drop-outs te minimaliseren. Typische technieken om de voeding te beschermen zijn onder andere het beperken van de stroom tot een ingestelde waarde, het 'terugvouwen' van de stroom naar een veilige waarde bij toenemende belasting, of 'hik'-beveiliging, waarbij de uitgang wordt uitgeschakeld en na een vertraging weer wordt ingeschakeld. Als de overstroomtoestand nog steeds bestaat, wordt de hikcyclus herhaald. De REDIIN120-producten zijn voorzien van hikbeveiliging.

De REDIIN120-24 120 W AC/DC-voeding werkt bijvoorbeeld in een constante spanningsmodus binnen het nominale belastingsbereik (Afbeelding 7). Voor uitgang OCP, wanneer de maximale stroomwaarde wordt overschreden met 105% tot 150% van de nominale waarde, schakelt de eenheid over naar een beperkte-stroommodus, die de uitgangsspanning naar ongeveer 80% van het nominale instelpunt drijft. Verhoogde belasting zorgt ervoor dat de voeding overschakelt naar een hikmodus met automatische herstart.

Afbeelding 7: De REDIIN120-24 120 W AC/DC-voeding werkt in een constante spanningsmodus binnen het nominale belastingsbereik. Voor uitgang OCP, wanneer de maximale stroomwaarde wordt overschreden met 105% tot 150% van de nominale waarde, schakelt de eenheid over naar een beperkte-stroommodus, die de uitgangsspanning naar ongeveer 80% van het nominale instelpunt drijft. Verhoogde belasting zorgt ervoor dat de voeding overschakelt naar een hikmodus met automatische herstart. (Bron afbeelding: RECOM Power)

Conclusie

Commerciële modulaire voedingen voor DIN-railmontage van RECOM bieden kosteneffectieve, compacte, betrouwbare en eenvoudig te implementeren oplossingen voor fabrieksautomatisering. De units zijn vooraf gecertificeerd volgens de verplichte voorschriften en worden geleverd met een reeks standaard DC-spannings- en -stroomuitgangen. De voedingen bieden een reeks veiligheidsfuncties en er zijn opties beschikbaar om capacitieve en inductieve belastingen te voeden.