Val och tillämpning av växel-/likspänningsaggregat för fabriksautomation

Övergången till fabriksautomation accelererar i och med tillämpningen av teknik för Industrial Internet of Things (IIoT) och Factory 4.0. Robusta nätaggregat är den grundläggande infrastrukturen för dessa tekniker. Därför är det viktigt att konstruktörer snabbt kan ta fram tillförlitliga nätaggregat med stöd för en mängd olika spänningsnivåer för att tillgodose behoven hos tillverkningsanläggningarnas utrustning för automation, nätverk samt test- och mätutrustning.

För att tillgodose detta behov kan konstruktörer antingen bygga nätaggregaten själva, vilket kan vara kostsamt och tidskrävande, eller hitta lättillgängliga lösningar som passar för uppgiften och budgetramarna. Båda lösningarna måste uppfylla kraven på elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) och säkerhetsstandarder samtidigt som de måste uppfylla kraven på elektromagnetiska störningar (EMI). Nätaggregaten för fabriksautomation måste dessutom ha skyddsfunktioner som gör dem lämpliga i industriella miljöer.

Artikeln går kortfattat igenom kraven på en strömförsörjning för växel-/likström i tillämpningar inom fabriksautomation och de viktigaste kriterierna för prestanda och format. Därefter presenteras nätaggregat för DIN-skena från RECOM Power som exempel på enheter som är färdiga för användning.

Nätaggregat för fabriksautomation

Fabriksautomation omfattar även nätverksutrustning samt test- och mätverktyg, och är starkt beroende av en robust och tillförlitlig strömförsörjning. Kraven på nätaggregat varierar beroende på tillämpning och utrustning. En typisk lösning omvandlar nätets växelspänning (90 V_AC till 264 V_AC, med små variationer mellan olika länder) till en likspänning. Utspänningskraven varierar eftersom utrustning för fabriksautomation körs med flera standardlikspänningar, inklusive 12, 15, 24 och 48 V.

Förutom certifierad överensstämmelse med relevanta säkerhetsföreskrifter och andra bestämmelser, är modulära lösningar vanligtvis utformade med energitäthet och verkningsgrad i åtanke. De har en rad standardspänningar och strömkrav och är tillverkade för hög tillförlitlighet med lång livslängd.

Kommersiella modulära nätaggregat för fabriksautomation inkluderar alternativ som passar den populära DIN-skenan för enkel installation. Systemet består av med universella standardbredder och monteringsbeslag. Med en DIN-skena är installatörerna garanterade enhetliga mått för en rad olika produkter, inklusive nätaggregat, oavsett tillverkare.

Denna kompatibilitet mellan olika varumärken ger användare av DIN-skenor flexibiliteten att blanda och matcha komponenter (figur 1).

Bild 1: DIN-skenor förenklar strömförsörjningen och gör det möjligt att blanda och matcha komponenter. (Bildkälla: RECOM Power)

Kostnadseffektiv nätaggregat för DIN-skena

Infrastrukturer för fabriksautomation använder flera olika nätaggregat, vilket gör att kostnaderna snabbt ökar. Serien REDIIN120 från RECOM Power är ett växel-/likspänningsaggregat på 120 W för DIN-skena (figur) och är konstruerat för att minimera kostnaderna samtidigt som det är kompakt och tillförlitligt. Respektive enhet måtten 123,6 x 30 x 116,8 mm.

Figur 2: Serien REDIIN120 är ett kompakt nätaggregat på 120 W med måtten 123,6 x 30 x 116,8 mm för montering på DIN-skena. (Bildkälla: RECOM Power)

De konvektionskylda växel-/likspänningsaggregaten REDIIN120 kan arbeta med full effekt i ett temperaturområde från -30 °C till +50 °C. Produkterna är certifierade enligt säkerhetsstandarderna IEC 62368-1, IEC 61010-1 och IEC 61010-2-201.

Den elektromagnetiska strålningen och de ledningsbundna emissionerna från nätaggregaten uppfyller immunitetsstandarden EN 61000-6-2 och utstrålningsstandarden för tung industri EN 61000-6-4 klass B. Enheterna uppfyller även miljöskyddskraven i enlighet med RoHS-direktivet.

Serien REDIIN120 består av tre modeller, som alla arbetar med en inspänning på 90 V_AC till 264 V_AC och endast har olika utspänning. REDIIN120-12 har en nominell utspänning på 12 V som är justerbar från 10,8 till 13,2 V. REDIIN120-24 har en nominell utspänning på 24 V som är justerbar från 21,6 till 26,4 V. REDIIN120-48 har en utspänning på 48 V som är justerbar från 43,2 till 52,8 V. De maximala utströmmarna är 10 A, 5 A respektive 2,5 A.

Nätaggregaten har en maximal verkningsgrad på mellan 86 och 89,5 %, beroende på enhet (figur 3), och har en effektförbrukning utan belastning på 150 mW för modellerna med 12 och 24 V samt 210 mW för modellen med 48 V.

Figur 3: Här visas verkningsgraden i förhållande till utspänningens belastning för nätaggregatet REDIIN120-24. (Bildkälla: RECOM Power)

Nätaggregaten kan arbeta i konstantströmsläge, vilket gör serien lämplig för induktiva och kapacitiva belastningar som motorer, solenoider och reläer. Den maximala kapacitiva belastningen vid start är 8 mF för enheterna med 12 och 24 V samt 3 mF för modellen med 48 V.

Nätaggregaten REDIIN120 har omfattande överströmsskydd (OCP), överspänningsskydd (OVP) och skydd mot för höga temperaturer (OTP) (figur 4). Spänningar som överstiger 17,4 V_DC för enheten med 12 V, 33,6 V_DC för enheten med 24 V och 64,8 V_DC för enheten med 48 V genererar ett låsningsläge.

Figur 4: Serien REDIIN120 har omfattande skyddsfunktioner. Spänningar som överstiger 17,4 V_DC för enheten med 12 V, 33,6 V_DC för enheten med 24 V och 64,8 V_DC för enheten med 48 V genererar ett låsningsläge. (Bildkälla: RECOM Power)

Det finns ingen modell med 15 V i REDIIN-sortimentet. RECOM Power erbjuder dock växel-likspänningsomvandlaren RACM15E-15SK/PMAD-CTN för drift med 15 V (figur 5). Enheten monteras på DIN-skena och har en utspänning på 15 V, 1 A från antingen en växelspänning på 80 till 275 V eller en likspänning på 370 V. Den maximala uteffekten är 15 W och verkningsgraden vid full belastning är 85 %. Enheterna har internationella certifieringar för säkerhet och EMI enligt skyddstransformatorstandarder för medicinsk teknik, hushållsapparater och industri.

Figur 5: RACM15E-15SK/PMAD-CTN är växel-/likspänningsomvandlare fpå 15 V, 15 W med montering på DIN-skena för fabriksautomation. (Bildkälla: RECOM Power)

Konstruktionsöverväganden för nätaggregat för DIN-skena

Utöver kraven på säkerhets, EMC och EMI måste konstruktörer ta hänsyn till andra viktiga parametrar för att garantera att fabrikens växel-/likspänningsaggregat kan fungera felfritt under långa perioder.

För att undvika problem är det t.ex. viktigt att begränsa driftstemperaturen så att den inte överstiger nätaggregatets högsta tillåtna temperatur. Höga driftstemperaturer kan leda till försämrad prestanda, minskad livslängd och ökad risk för driftstörningar och fel. Även låga temperaturer kan orsaka prestandaproblem, som t.ex. ökat rippel på utspänningen och dålig reglering av utspänningen. Dessutom kan förändringar i de elektriska egenskaperna vid låga temperaturer leda till startsvårigheter.

Tillverkarna rekommenderar vanligtvis att strömförsörjningen korrigeras över ett visst gränsvärde för temperaturen, och enheter i serien REDIIN120 har även en säkerhetsavstängning över en maximal driftstemperatur. Korrigeringskurvan för växel-/likspänningsaggregaten REDIIN120-24 på 120 W (Figur 6) visar en minskning av uteffekten över +40 °C för inspänningar på 100 V_AC och 115 V_AC, samt över +50 °C för en inspänning på 230 V_AC. Drift över +70 °C utlöser en avstängning.

Figur 6: Korrigeringskurvan för växel-/likspänningsaggregaten REDIIN120-24 på 120 W visar en minskning av uteffekten över +40 °C för inspänningar på +100 V_AC och 115 V_AC, samt över +50 °C för en inspänning på 230 V_AC. Drift över +70 °C utlöser en avstängning. (Bildkälla: RECOM Power)

En annan faktor att ta hänsyn till är kabellängden. Alltför långa strömkablar kan ge upphov till resistiva förluster som medför minskad spänning för lasten under tillåtna gränsvärden. Kabelförluster kan övervinnas genom att öka kabeldimensionen eller utspänningen och använda lokal DC/DC-reglering vid lastpunkten (PoL).

Typen av last måste också tas i beaktande. Det kan vara en utmaning att strömförsörja kapacitiva eller induktiva laster. Induktiva belastningar som motorer, solenoider och reläer kan orsaka höga spänningstoppar. Tillförsel av kapacitiva belastningar kan minska nätaggregatets dynamiska belastningsrespons eller leda till instabilitet och ökat rippel på utgången. Konstruktörer bör noga överväga vilka typer av belastningar som tillämpningen kräver när de väljer nätaggregat för att säkerställa att dessa klarar detta. Enheterna REDIIN120, har exempelvis ett konstantströmsläge, vilket gör serien lämplig för induktiva och kapacitiva belastningar.

Slutligen är utspänningens överströmsskydd viktigt för att minimera effekterna av missade cykler och avbrott. Typiska tekniker för att skydda strömförsörjningen är att begränsa strömmen till ett inställt värde, "sänka" strömmen till ett säkert värde med ökande belastning eller "incidentskydd", varvid utgången stängs av och slås på igen efter en fördröjning. Om överströmsförhållandet fortfarande föreligger upprepas cykeln med "incidentskyddet". REDIIN120 har incidentskydd.

Växel-/likspänningaggregatet REDIIN120-24 för 120 W arbetar exempelvis i ett konstantspänningsläge inom sitt nominella belastningsområde (figur 7). För utspänningens överströmsskydd, när den maximala märkströmmen överskrids med 105 % till 150 % av dess nominella värde, går enheten in i ett läge med begränsad ström, vilket driver utspänningen till cirka 80 % av det nominella börvärdet. Ökad belastning gör att strömförsörjningen går in i ett incidentläge med automatisk omstart.

Figur 7: Växel-/likspänningaggregatet REDIIN120-24 för 120 W arbetar i ett konstantspänningsläge inom sitt nominella belastningsområde. För utspänningens överströmsskydd, när den maximala märkströmmen överskrids med 105 % till 150 % av dess nominella värde, går enheten in i ett läge med begränsad ström, vilket driver utspänningen till cirka 80 % av det nominella börvärdet. Ökad belastning gör att strömförsörjningen går in i ett incidentläge med automatisk omstart. (Bildkälla: RECOM Power)

Sammanfattning

Kommersiella modulära nätaggregat från RECOM för montering på DIN-skena är en kostnadseffektiv, kompakt, tillförlitlig och lättanvänd lösning för fabriksautomation. Enheterna är förcertifierade enligt gällande bestämmelser och levereras med en rad olika vanliga likspänningar och strömmar. Nätaggregaten innehåller en mängd olika säkerhetsfunktioner och det finns alternativ för att driva kapacitiva och induktiva laster.