בחירת ספקי כוח עבור יישומים תעשייתיים במקומות קשים ומסוכנים

מערכות תעשייתיות בסביבות קשות ונפיצות, כולל קווי ייצור, רובוטיקה, תשתיות אנרגיה, בתי זיקוק וייצור מוליכים למחצה, הופכות לאוטומטיות יותר ויותר. מתכנני המערכות זקוקים לספקי כוח העומדים בדרישות להספק שיא גבוה וחסינות להספק-אחורני, תוך תמיכה באמינות, עמידות, בטיחות, צפיפות הספק גבוהה, נצילות ועמידה בתקנות רגולטוריות מורכבות.

מאמר זה דן באתגרים העומדים בפני מתכנני מערכות הספקת-כוח עבור יישומי אוטומציה קשים. לאחר מכן המאמר מציג ספקי כוח למסילות DIN של TRACO Power ומראה כיצד הם יכולים לעזור למתכננים להתמודד עם אתגרים אלה.

אתגרי הספקת-כוח תעשייתית

קווי ייצור, מערכות אנרגיה מתחדשת, מחסני הפצה ומתקני עיבוד כימי הם כולם יישומים החושפים התקנים ומערכות אלקטרוניות לסביבות תעשייתיות. האלקטרוניקה עלולה להיות חשופה לטמפרטורות קיצוניות, לחות, זעזועים מכניים, הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), רעידות, אבק, כימיקלים ואטמוספרות נפיצות. מכיוון שהאלקטרוניקה נמצאת בשימוש נרחב עבור הספקת-כוח, בקרה וניטור, יש לתכנן אותה עבור דיוק, חזרתיות, אמינות ובטיחות בכל היישומים הללו.

ספקי כוח הם קריטיים במיוחד. בליבת האלקטרוניקה התעשייתית, הם נותנים הספקת-כוח מיוצבת ממקורות AC ו-DC כאחד, והתפוקה שלהם חייבת לעמוד בצורכי האנרגיה הבסיסיים של המכונות המחוברות עם מרווח בטיחות מספיק. לדוגמה, מערכות אלקטרו-מכניות כגון מנועים, משאבות ודוחפים מבוקרי-תנועה דורשות זרמי שיא גבוהים בעת ההפעלה, בהם חייב מקור הספקת-כוח לעמוד. בדרך כלל נדרשת גם הגנה מפני מתח-יתר, זרם-יתר וטמפרטורת-יתר.

ספקי כוח חייבים להציג ייצוב מתח טוב תחת עומס או שינויים בקו ולהבטיח נצילות גבוהה. זה חשוב במיוחד עבור ספקי כוח המותקנים במארזים קומפקטיים, שבהם נצילות נמוכה גורמת להצטברות חום חריגה.

גם צורת ספק הכוח היא חשובה. עליו להיות מסוגל להתאים למכונות או לארונות בקרה במקומות בהם המקום מוגבל. כמו כן, יישומים תעשייתיים דורשים את היכולת להחליף במהירות התקנים פגומים, ולכן יש להתקין את ההתקן הפיזי עבור הסרה והחלפה קלים. חשוב לציין שספקי כוח חייבים להיות מורשים עבור בטיחות ותאימות אלקטרומגנטית (EMC).

מיקומים מסוכנים

מיקומים מסוכנים (HazLoc‏) הם תחום הרשאה מיוחד. ה-National Electrical Code‏ (NEC) מגדיר מיקומים מסוכנים כאזורים בהם עלולות להתקיים סכנות אש או פיצוץ עקב גזים או אדים דליקים, נוזלים דליקים, אבק דליק או סיבים או פסולת דליקה. ספקי כוח ואלקטרוניקה אחרת חייבים להיות מורשים במיוחד עבור פעולה בסביבות HazLoc.

ה-.Inc‏ Underwriters Laboratories‏ (UL‏) ו-Appareils destinés à être utilisés en Atmosphères Explosibles‏ (ATEX‏) (ציוד לשימוש באזורים עם סכנת התפוצצות) מגדירים תקנים עבור בדיקת רכיבי HazLoc‏. הרשאות אלו מאשרות כי ההתקנים עומדים בתקני הבטיחות המינימליים הרלוונטיים עבור סביבות מסוכנות מוגדרות.

ההרשאה מתחשבת בשני גורמים: סוגי החומרים הנדיפים והסבירות לנוכחותם. סוגי החומרים העלולים להתפוצץ קובעים את סוג ההרשאה. Class 1‏ כולל אדים וגזים דליקים; Class 2‏ מכסה אבק דליק, כגון קמח; ו-Class 3‏ מיועד עבור סיבים וחלקיקים קטנים דליקים (כגון בד).

הסבירות לנוכחות חומרים נדיפים קובעת את סיווג החלוקה. חלוקה 1 מכסה סביבות בהן נמצאים בדרך כלל חומרים מסוכנים. חלוקה 2 מכסה סביבות בהן חומרים מסוכנים אינם נוכחים בדרך כלל, אך עשויים להיות כאלה בתנאים מסוימים.

ספקי כוח עבור יישומי HazLoc

סדרת ספקי הכוח TIB-EX‏ עם נצילות גבוהה עבור מסילות DIN‏ של TRACO Power (איור 1) מיועדת לשימוש בסביבות קשות ובמיקומים מסוכנים. מסילת DIN היא מסילת מתכת הנמצאת בשימוש נרחב להרכבת ציוד בקרה תעשייתי בכונני או ארונות ציוד. ספקי כוח אלה כוללים גם אפשרות הרכבת-צד המספקת פרופיל נמוך יותר עבור הרכבה על פאנלים שטוחים. הסדרה מורשית בטיחות לפי תקני (UL HazLoc Class 1 Division 2 (C1D2 ו-ATEX‏ (EN60079-0‏, EN60079-7‏ ו-EN60079-15‏) והיא מורשית EMC‏.

איור 1: סדרת ספקי הכוח TIB-EX למסילות DIN מורשית לתקני HazLoc C1D2, מורשית EMC, ובעלת דירוגי הספק של 80 וואט, 120 וואט, 240 וואט ו-480 וואט. (מקור התמונה: TRACO Power)

ספקי הכוח HazLoc C1D2 מתוכננים לפעול בבטחה באזורים בהם גזים או אדים דליקים מוכלים בדרך-כלל, אך עלולים להיפלט בתנאים חריגים, כגון דליפות, תקלות בציוד או כשלים במערכת האוורור.

התכונה החשובה ביותר של ציוד C1D2 היא שהוא לא יהווה מקור הצתה בתנאי פעולה רגילים או לא צפויים. הציוד מתוכנן שלא לשחרר אנרגיה חשמלית או תרמית המספיקה להצתת אטמוספרה נדיפה. ככזה, הוא אינו יכול לייצר קשתות או ניצוצות חשמליים במהלך פעולה רגילה, והאריזה הפיזית שלו מגבילה את קצב חדירת החומר הנדיף.

בנוסף להרשאת HazLoc שלהם, ספקי כוח מקוררי הסעה אלה הם בעלי נצילות גבוהה של %‏88 עד 95% (בהתאם לדגם) ויכולים לפעול בתחום טמפרטורות של C‏°‏40‏- עד 60°C‏+ (בעומס מלא). זמינים עם דירוגי הספק של 80 וואט, 120 וואט, 240 וואט ו-480 וואט ומתחי יציאה של 12 וולט, 24 וולט או 48 וולט, הם פועלים ממתחי קו של _AC‏V‏ 85‏ עד _AC‏V‏ 264‏ ב-Hz‏ 60‏/50‏.

סדרת TIB-EX היא אידיאלית עבור סביבות תעשייתיות, עם סט מלא של הגנות פעולה, כולל הגנה מפני מתח-יתר ביציאה והגנה מפני קצר. בצד הכניסה הם מגנים מפני נפילת מתח קו החשמל, המוגדרת כירידה במתח מתחת ל-90% מהמתח הנומינלי, אך לא כהפרעה מוחלטת. משך הזמן הטיפוסי הוא בין 3 ל-10 מחזורים או ms‏ 50‏ עד ms‏ 167‏. סדרה זו עומדת במפרט חסינות נפילת-מתח SEMI F47‏.

ספקי הכוח TIB-EX יכולים גם לסבול עומסי-יתר לזמן קצר, ולשמור על תפוקה של עד 4 שניות בעומס-יתר של 150%. זה אידיאלי עבור תכנים המשתמשים במנועי צעד, סולנואידים או מפעילים (Actuators‏) הצורכים זרם גבוה בעת החיבור הראשוני.

תופעה נפוצה נוספת בסביבות תעשייתיות היא הספק אחורני, שבו עומסים, כגון סלילים ומנועים מאטים, ויכולים להזין מתח בחזרה לספק הכוח. סדרת TIB-EX מעניקה מאפיין חסינות הספק אחורני חשוב המסייע במניעת כיבוי או תקלות תחת עומסים אלה.

ספקי כוח ממותגים (SMPS) חייבים לטעון בתחילה את קבלי הכניסה שלהם, מה שעלול להוביל לזרמי התנעה גדולים כאשר ההספקה מחוברת לראשונה לקו. רוב מערכות SMPS, כגון סדרת TIB-EX, משתמשות במגביל זרם התנעה כדי לבקר זאת. דירוג זרם ההתנעה של ספקי-כוח אלה הוא A‏ 30‏ עבור כניסה של _AC‏V‏ 230‏ ו-A‏ 15‏ עבור כניסה של V‏ 115‏

כל הדגמים מדווחים על סטטוס היציאה באמצעות סגירת מגע DC-OK ונורות LED‏ DC-OK‏ הממוקמות הן בפאנלים הקדמיים והן בפאנלים הצדדיים.

ספק-הכוח למסילות DIN‏ AC/DC‏ TIB 080-112EX‏ W‏ 80‏ (איור 2‏) הוא בעל דירוג יציאה נומינלי של V‏ 12‏ וזרם מקסימלי של A‏ 6.7‏. הוא נתון במארז ק שמידותיו הן 3.71‏ ×‏ 1.26‏ ×‏ 4.50‏ אינץ'.

איור 2: ספק הכוח TIB 080-112EX‏ למסילות DIN‏ V‏ 12‏, W‏ 80‏ הוא בעל דירוג HazLoc‏. (מקור התמונה: TRACO Power)

ה-TIB 080-112EX משתמש במייצב ממותג Flyback עם תדר מיתוג בין 60 קילוהרץ ל-75 קילוהרץ. יציאת 12 וולט ניתנת לכוונון מ-_DC‏V‏ 11.8‏ עד _DC‏V‏ 15.0‏, ייצוב מתח הכניסה הוא 0.1%, עקב שינויים בקו על פני מתח הכניסה הנומינלי, וייצוב העומס הוא 0.5% עבור שינוי עומס של %‏10 עד 90% מהעומס הנומינלי. הוא פועל בנצילות של 90% עם זמן ממוצע בין תקלות (MTBF) של 1,950,000 שעות (hr), לפי IEC 61709‏.

ה-TIB 120-124EX‏ (איור 3) הוא דוגמה לספק כוח W‏ 120‏ עבור מסילות DIN. יש לו דירוג יציאה של V‏ 24‏ ומידותיו הן 4.5‏ ×‏ 4.89‏ ×‏ 1.42‏ אינץ'.

איור 3‏: ה-TIB 120-124EX‏ הוא ספק-כוח V‏ 24‏, W‏ 120‏ במארז 4.5‏ ×‏ 4.89‏ ×‏ 1.42‏ אינץ'. (מקור התמונה: TRACO Power‏)

ה-TIB 120-124EX משתמש בטופולוגיית משרן-קבל-קבל (LCC) חצי-גשר עם תדר מיתוג של 70 עד 100 קילוהרץ. הוא כולל גם תיקון גורם הספק אקטיבי.

ניתן לכוון את מתח היציאה הנומינלי של V‏ 24‏ של ספק כוח זה מ-V‏ 23.5‏ עד V‏ 28‏, ויש לו נצילות נומינלית של 94%. ה-MTBF שלו הוא 1,450,000 שעות.

מתכננים הזקוקים להספק גבוה יותר יכולים לבחור ב-TIB 240-148EX‏ (איור 4‏), דגם ספק כוח של 240 וואט עם מתח יציאה נומינלי של 48 וולט וזרם יציאה מקסימלי של 5 אמפר. הוא מגיע בגודל גדול יותר, במידות של 4.5 אינץ' × 4.89 אינץ' × 1.89 אינץ'.

איור 4: ספק כוח TIB 240-148EX למסילות DIN בהספק של 240 וואט, המוציא 48 וולט ב-5 אמפר. (מקור התמונה: TRACO Power)

כמו גרסת ה-120 וואט, ספק כוח זה משתמש בטופולוגיית LCC חצי-גשר עם תדר מיתוג בין 75 קילוהרץ עד 100 קילוהרץ. הוא כולל תיקון גורם הספק אקטיבי ויש לו מתח יציאה נומינלי של 48 וולט, המתכוונן מ-47 וולט עד 56 וולט. הנצילות מגיעה עד 95% וה-MTBF הוא של 1,300,000 שעות.

ה-TIB 480-124EX‏ (איור 5) הוא ספק כוח של 480 וואט עם יציאה של 24 וולט, 20 אמפר ונצילות של 95%. הוא מגיע במארז במידות של 4.5 אינץ' × 4.89 אינץ' × 3.23 אינץ' וכולל יכולת הפעלה/כיבוי מרחוק. מתח היציאה מתכוונן בין 23.5 וולט ל-28 וולט, וה-MTBF‏ הוא 1,300,000 שעות.

איור 5: ספק הכוח TIB 480-124EX בהספק 480 וואט הוא בעל יכולת בקרת הפעלה/כיבוי מרחוק. (מקור התמונה: TRACO Power)

סיכום

סדרת ספקי הכוח TIB-EX למסילות DIN‏ של TRACO Power‏ משלבת ביצועים עיליים עם תכני מעגלים אמינים, יעילים ועמידים, הממוטבים עבור הרכבה בארונות בקרה ביישומים תעשייתיים. הם מציעים את היתרון המובהק של היותם מורשים לשימוש בסביבות מסוכנות.