בחירה ויישום של ספקי כוח AC/DC באוטומציה של מפעלים

המעבר לאוטומציה של מפעלים מואץ עם היישום של טכנולוגיות אינטרנט-של-דברים תעשייתי (IIoT) ו-Factory 4.0. ספקי-כוח חסונים הם התשתית הבסיסית עבור טכנולוגיות אלו. לכן חיוני שמתכננים יוכלו לפרוס במהירות ספקי כוח אמינים התומכים במגוון רמות‏ מתח כדי לעמוד בצרכי האוטומציה, הרשתות וציוד הבדיקה והמדידה של מתקני ייצור.

כדי לענות על צרכים אלה, מתכננים יכולים לבנות בעצמם ספקי כוח, דבר שיכול להיות יקר וגוזל זמן, או למצוא פתרונות קיימים מן המוכן המתאימים למשימה ובמגבלות התקציב שלהם. כל אחד מהפתרונות חייב לדבוק בתאימות אלקטרומגנטית (EMC) ותקני בטיחות תוך עמידה בתקנות הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI). נוסף לכך, ספקי כוח של אוטומציה של מפעלים חייבים לכלול מאפייני הגנה כדי להפוך אותם למתאימים לתנאי סביבה תעשייתיים.

מאמר זה דן בקצרה בדרישות מספק כוח AC/DC‏ עבור יישומי אוטומציה של מפעלים ומתאר את הביצועים הקריטיים ואת קריטריוני הבחירה של גורם צורה. אחר כך הוא מציג ספקי כוח למסילת DIN מבית RECOM Power כדוגמאות של יחידות מוכנות‏ לפריסה.

ספקי כוח עבור אוטומציה של מפעלים

אוטומציה של מפעלים כוללת גם ציוד רשתות וכלי בדיקה ומדידה, ומסתמכת במידה רבה על אספקת-כוח איתנה ואמינה. דרישות אספקת-הכוח משתנות בהתאם ליישום והציוד. פתרון אופייני ממיר מתח רשת AC‏ (‎90 V_AC עד ‎264 V_AC, עם שינויים קלים בין מדינות) למתח DC. דרישות היציאה הן שונות כיוון שציוד אוטומציה של מפעלים עובד במספר מתחי DC סטנדרטיים, כולל ‎12 V,‏ ‎15 V,‏ 24‎ V ו-‎48 V.

מלבד עמידה מוסמכת בתקנות הבטיחות הרלוונטיות ואחרות, פתרונות מודולריים מתוכננים בדרך כלל עם המחשבה על צפיפות אנרגיה ונצילות. הם עונים על מגוון דרישות של מתחים סטנדרטיים וזרם ומיוצרים לאמינות גבוהה ואריכות ימים.

ספקי כוח מודולריים מסחריים עבור אוטומציה של מפעלים כוללים אפשרויות התאמה למערכת מסילת DIN נפוצה למען פריסה קלה. מערכת זו עובדת עם רחבים וצורות חומרת הרכבה סטנדרטיות אוניברסליות. עם מערכת מסילת DIN, למתקינים מובטחת עקביות ממדית בקבוצת מוצרים, כולל ספקי כוח, ללא קשר ליצרן.

תאימות זו בין מותגים מעניקה למשתמשים במערכות מסילת DIN את הגמישות לערבב ולהתאים רכיבים (איור 1‏).

איור 1‏: מסילות DIN‏ מפשטות פריסת ספקי כוח ומאפשרות לערבב ולהתאים‏ רכיבים. (מקור תמונה: RECOM Power)

ספקי כוח למסילת DIN בעלי יחס עלות-תועלת מיטבי

תשתיות אוטומציה של מפעלים משתמשות בספקי כוח מרובים, הגורמים לעלויות לגדול במהירות. סדרת ה-RECOM Power REDIIN120 של ספקי כוח ‏AC/DC‏ למסילת DIN,‏ ‎120 W, (איור 2‏)‏ מתוכננת להקטין עלויות תוך שמירה על קומפקטיות ואמינות. כל יחידה היא במידות 123.6 x ‏30.0 x ‏116.8 מ"מ (mm).

איור 2‏: סדרת ה-REDIIN120 של‏ ספקי כוח למסילת DIN‏ ‎120 W היא במידות 123.6 x ‏30.0 x ‏116.8 מ"מ (mm). (מקור תמונה: RECOM Power)

ספקי הכוח REDIIN120 AC/DC מקוררי ההסעה יכולים לעבוד בהספק מלא בתחום טמפרטורות ‎−30°C עד ‎+50°C. מוצרים אלה מוסמכים לפי תקני הבטיחות IEC 62368-1,‏ IEC 61010-1 ו-IEC 61010-2-201.

הפליטות האלקטרומגנטיות המוקרנות והמולכות מספקי הכוח תואמות עם תקן החסינות EN 61000-6-2 ועם תקן הפליטה התעשייתית הכבדה EN 61000-6-4 Class B. היחידות גם תואמות עם דרישות הגנת הסביבה לפי הנחיית ה-RoHS‏.

סדרת ה-REDIIN120 כוללת שלושה דגמים, כל אחד עובד מכניסה של 90‎ V_AC עד ‎264 V_AC ונבדלים רק במתח היציאה. ל-REDIIN120-12 יש יציאה נומינלית של ‎12 V המתכווננת מ-‎10.8 V עד ‎13.2 V. ל-REDIIN120-24 יש יציאה נומינלית של ‎24 V המתכווננת מ-‎21.6 V עד ‎26.4 V. ל-REDIIN120-48 יש יציאה נומינלית של ‎48 V המתכווננת מ-‎43.2 V עד ‎52.8 V. זרמי היציאה המקסימליים הם ‎10 A,‏ ‎5 A ו-‎2.5 A, בהתאמה‏.

ספקי הכוח עובדים עם‏ נצילות מקסימלית בין 86%‏ ו-89.5%, תלוי ביחידה (איור 3‏), והם בעלי צריכת הספק ללא-עומס של‏ 0‏15‏ מילי-וואט (mW) לגרסאות ה-‏‏12‎ V ו-24‎ V, ו-‎210 mW‏ לגרסת ה-‎48 V.

איור 3: מוצגת הנצילות לעומת עומס יציאה לספק הכוח REDIIN120-24. (מקור תמונה: RECOM Power)

ספקי הכוח יכולים לעבוד במצב זרם-קבוע, מה שהופך את הסדרה למתאימה עבור עומסים אינדוקטיביים וקיבוליים כגון מנועים, סולנואידים וממסרים. העומס הקיבולי המקסימלי בהדלקה הוא 8‏ מילי-פאראד (mF‏) ליחידות ה-‏‎12 V ו-‎24 V‏, ו-3‎ mF‏ ליחידת ה-‎48 V.

ספקי הכוח REDIIN120 כוללים הגנות מקיפות של זרם-יתר (OCP), מתח-יתר (OVP) וטמפרטורת-יתר (OTP) (איור 4). מתחים העולים על ‎17.4 V_DC ביחידת ה-‎12 V,‏ 33.6‎ V_DC ביחידת ה-‏24‎ V ו-64.8‎ V_DC ביחידת ה-V‏ 48‏ יוצרים מצב נעילה.

איור 4: לסדרת ה-RECOM REDIIN120 יש הגנה מקיפה. מתחים העולים על ‎17.4 V_DC ביחידת ה-‎12 V,‏ 33.6‎ V_DC ביחידת ה-‏24‎ V ו-64.8‎ V_DC ביחידת ה-V‏ 48‏ יוצרים מצב נעילה. (מקור תמונה: RECOM Power)

אין גרסת 15‎ V‏ במשפחת ה-REDIIN. עם זאת, RECOM Power כן מציעה את ממיר ה-RACM15E-15SK/PMAD-CTN AC/DC לעבודה ב-15‎ V‏ (איור 5‏). יחידה זו להרכבה על מסילת DIN מספקת יציאה של ‏‎15 V,‏ ‎,1 A‏ מכניסת AC של‏ 80‎ V עד ‎275 V או כניסת DC של‏ ‎370 V. הספק היציאה המקסימלי הוא‏ 15‎ W‏, והנצילות שלה בעומס מלא היא‏ 85%. ליחידות יש הסמכות בטיחות ו-EMI בינלאומיות לתקני שנאי בטיחות תעשייתיים, רפואיים ושל משק בית.

איור 5‏: ה-RACM15E-15SK/PMAD-CTN‏ הוא‏ ממיר AC/DC להרכבה על מסילת DIN‏ ‎15 V,‏ ‎,15 W עבור אוטומציה של מפעלים. (מקור תמונה: RECOM Power)

שיקולי תכנון עבור ספקי כוח למסילת DIN

בנוסף לדרישות הבטיחות, EMC‏ ו-EMI‏, מתכננים צריכים לקחת בחשבון פרמטרים קריטיים אחרים כדי להבטיח שספקי הכוח AC/DC‏ של מפעלים יכולים לעבוד ללא תקלות במשך פרקי-זמן ארוכים.

לדוגמה, הגבלת טמפרטורת העבודה של ספק הכוח מתחת לדירוג המקסימלי היא חיונית כדי למנוע בעיות. טמפרטורות עבודה גבוהות יכולות לגרום לביצועים פחותים תוך כדי גם הפחתת אורך חיי עבודה והגדלת הסיכון לעבודה‏ לא נכונה ותקלות. טמפרטורות נמוכות יכולות גם לגרום לבעיות ביצועים, כולל אדוות מתח יציאה מוגדלת וויסות יציאה ירוד. יתר על כן, שינויים במאפיינים חשמליים בטמפרטורות נמוכות עלולים לגרום לכשל בהפעלה.

יצרנים בדרך כלל ממליצים על הורדת דירוג הביצועים של ספק כוח מעל סף טמפרטורה מסוים, ויחידות בסדרת ה-REDIIN120 כוללות גם ניתוק‏ בטיחותי מעל‏ טמפרטורת עבודה מקסימלית מסוימת. עקומת הירידה בביצועים (derating curve) עבור ספק הכוח ‎AC/DC‏ ‎120 W ‏REDIIN120-24 (איור 6) מציין ירידה בהספק יציאה מעל ‎40°C+ עבור כניסות ‎100 V_AC ו-‎115 V_AC, ומעל ‎50°C+ עבור כניסה של 230‎ V_AC. עבודה מעל ‎70°C+ מעורר ניתוק.

איור 6: עקומת הירידה בביצועים (derating curve) עבור ספק הכוח AC/DC‏ ‎120 W ‏REDIIN120-24 מציין ירידה בהספק יציאה מעל ‎40°C+ עבור כניסות ‎100 V_AC ו-‎115 V_AC, ומעל ‎50°C+ עבור כניסה של 230‎ V_AC. עבודה מעל ‎70°C+ מעורר ניתוק. (מקור תמונה: RECOM Power)

שיקול נוסף הוא אורך כבל. כבלי אספקת-כוח ארוכים באופן חריג יכולים לגרום להפסדי התנגדות שמביאים למתח מופחת על העומס, מתחת למגבלות המותרות. הגדלת שטח חתך החוטים או מתח היציאה ושימוש בייצוב DC/DC‏ מקומי בנקודת העומס (PoL) יכולים להתגבר על הפסדי כבל.

יש לשקול גם את סוג העומס. אספקת-כוח לעומסים קיבוליים או אינדוקטיביים יכולה להיות מאתגרת. עומסים אינדוקטיביים כמו מנועים, סולנואידים וממסרים יכולים לגרום לקפיצות מתח (spikes) גבוהות. אספקת עומסים קיבוליים יכולה להפחית את הענות העומס הדינמית של ספק-הכוח או לגרום לחוסר יציבות ואדוות יציאה מוגדלת. על המתכננים לשקול בזהירות את סוגי העומס הנדרשים על ידי היישום כשבוחרים את ספק-הכוח כדי להבטיח שהוא יוכל להתמודד. יחידות ה-REDIIN120, לדוגמה, מציעות מצב זרם-קבוע, מה שהופך את הסדרה למתאימה עבור עומסים אינדוקטיביים וקיבוליים.

לבסוף, OCP יציאה חשובה כדי למזער את ההשפעות של מחזורים שהוחסרו ונפילות. טכניקות אופייניות להגן על ספק הכוח כוללות הגבלת הזרם לערך שנקבע, ‘קיפול לאחור’ (‘folding back’) של הזרם לערך בטוח עם גידול העומס, או הגנת ‘שיהוק’ (‘hiccup’), בה היציאה נכבית ומופעלת שוב לאחר עיכוב. אם מצב הזרם-יתר עדיין קיים, מחזור השיהוק חוזר ונשנה. מוצרי ה-REDIIN120 כוללים הגנת שיהוק (hiccup).

לדוגמה, ספק-הכוח AC/DC ‏‎120 W‏ REDIIN120-24‏ עובד במצב מתח-קבוע בתחום העומס הנקוב שלו (איור 7‏). עבור OCP יציאה, כשחורגים מדירוג הזרם המקסימלי ב-105% עד 150% מערכו הנומינלי, היחידה נכנסת למצב זרם-מוגבל, שמוריד את מתח היציאה בערך ל- 80% של הנקודה הנומינלית שנקבעה. עומס מוגדל גורם לספק הכוח להיכנס למצב שיהוק‏ (hiccup)‏ עם אתחול מחדש אוטומטי.

איור 7: ספק-הכוח AC/DC ‏‎120 W‏ REDIIN120-24‏ עובד במצב מתח-קבוע בתחום העומס הנקוב שלו. עבור OCP יציאה, כשחורגים מדירוג הזרם המקסימלי ב-105% עד 150% מערכו הנומינלי, היחידה נכנסת למצב זרם-מוגבל, שמוריד את מתח היציאה בערך ל- 80% של הנקודה הנומינלית שנקבעה. עומס מוגדל גורם לספק הכוח להיכנס למצב שיהוק‏ (hiccup)‏ עם אתחול מחדש אוטומטי. (מקור תמונה: RECOM Power)

סיכום

ספקי כוח מודולריים, מסחריים, מורכבים על מסילת DIN מבית RECOM מציעים פתרונות קומפקטיים, אמינים, קלים לפריסה ועומדים במבחן עלות-תועלת עבור אוטומציה של מפעלים. היחידות מוסמכות-מראש לתקנות המחייבות, ומסופקות עם מגוון יציאות מתח וזרם DC סטנדרטיות. הספקים מציעים מגוון מאפייני בטיחות, וקיימות אפשרויות להזין עומסים קיבוליים ואינדוקטיביים.