השתמשו בספקי זרם AC/DC חוסכי-מקום למסילות DIN ובנתיך אלקטרוני עבור הספקת-כוח DC‏ באמינות

מתכננים או מאפיינים של ספקי כוח AC/DC עבור תעשייה, מפעלים, מבנים ואוטומציה של תהליכים; ייצור ופילוג הספקת-כוח; תשתיות; ויישומי נתונים ותקשורת מתמודדים עם אתגרים רבים בתחום החשמל, פיזיקה, פרישה, תחזוקה, בטיחות ותאימות. ניתן להתמודד עם אתגרים אלה על ידי בחירה קפדנית של ספקי-כוח למסילות DIN ונתיכים קיימים שתוכננו במיוחד עבור יישומים אלה.

מאמר זה מעניק סקירה קצרה של האתגרים העומדים בפניכם בעת מימוש הספקת-כוח זו. לאחר מכןהמאמר מציג קו של ספקי כוח AC/DC ו-DC/DC למסילת DIN ונתיך תומך של RECOM Power‏, המעניקים הספק DC בדירוג-תעשייתי באמינות ובטיחות.

אתגרי הספקת-כוח תעשייתית

ספקי כוח עבור יישומים תעשייתיים חייבים להיות קומפקטיים, לקבל מגוון רחב של כניסות AC תלת-פאזיות או DC מתח גבוה, להיות יעילים ביותר, לעמוד בדרישות רגולטוריות רבות, לתמוך בפעולה מקבילית עבור יתירות, ולהעניק הגנה חסונה על המשתמש ועל המערכת. עליהם גם לעמוד במפרטי ביצועים בתחום טמפרטורות רחב תוך שימוש בקירור פסיבי בלבד, להציג עמידות כוללת עם זמן ממוצע בין תקלות (MTBF) גבוה, ולהיות יעילים וחסכוניים לפרישה ותחזוקה.

הדרישות של יישומים אלה מוציאות מכלל אפשרות תכנים וגורמי צורה מותאמים-במיוחד, ומעדיפות ספקי כוח ונתיכים להרכבה על מסילות DIN. האתגר עובר כעת לבחירה קפדנית כדי למטב את היישום.

ספקי כוח: התחילו עם המארז

ספקי כוח הם לעיתים קרובות בהערכת-חסר של תפקידם הקריטי בתקינות המערכת. התכן שלהם מתחיל במארז, המשפיע על הביצועים החשמליים, המכניים והתרמיים בסביבות תעשייתיות. זו הסיבה, כמעט בכל המקרים, שהספקת-כוח תעשייתית מתוכננת עבור הרכבה על מסילות DIN סטנדרטיות (איור 1).

איור 1: ארון תעשייתי עם מגוון רחב של סוגי מודולים המותקנים על מסילות DIN מאפשר התקנה והסרה נוחה של מודולים בחזית, כמו גם גישה נוחה לחיווט. (מקור התמונה: Hackaday‏)

המסילה מוצמדת לפאנל האחורי של ארון הציוד או המארז. כל המודולים החשמליים, כגון דוחפי מנועים, בקרי חוג, הספקת-כוח, ממשקי אותות, תת-מערכות בטיחות וממשקי תקשורת, מורכבים על מסילה זו, כאשר כל חיבורי הספקת-הכוח והאותות נגישים מהחזית.

גישת מסילת ה-DIN מנוגדת באופן חד לארון 19 אינץ' עם חיבורים קדמיים ואחוריים עבור המודולים. ארון זה נמצא בשימוש נרחב במכשור מעבדה ובמערכות בדיקה/מדידה. מסילת DIN נוחה ומעשית יותר, מכיוון שהמקום בארון מוגבל לרוב עקב מספר המודולים שעליו להכיל.

ספקי AC/DC‏ רבים ביישומים תעשייתיים פועלים מכניסת קו תלת-פאזית, AC‏V‏ 320‏ עד AC‏V‏ 575‏, וחייבים לספק DC‏V‏ 24‏ או DC‏V‏ 48‏ נקי, יציב וחסין-טרנזיינטים לעומסים כגון בקרי מנועים. בנוסף, יישומים רבים דורשים כיום פעולה ממקור DC במתח גבוה של V‏ 430‏ עד V‏ 815‏. שימוש במקור DC מתאים היטב עבור יישומי אוטומציה במפעלים מבוססי-מיקרו-רשת-חשמל ועבור פתרונות אנרגיה מתחדשת, כולל ביוגז, פוטו-וולטאי ומתקני רוח.

כדי לעמוד בדרישות המאתגרות של הזנת יישומים תעשייתיים באמצעות התקנים המורכבים על מסילות DIN, המתכננים יכולים להשתמש במשפחת ספקי-הכוח AC/DC תלת-פאזיים RACPRO1‏ של RECOM Power. ניתן להשתמש בהם גם עם כניסות DC במתח גבוה.

לדוגמה, ה-RACPRO1-T240/24‏, RACPRO1-T480/24‏ ו-RACPRO1-T960/24‏ (איור 2‏, משמאל לימין) מספקים רמות של W‏ 240‏, W‏ 480‏ ו-W‏ 960‏, בהתאמה, עם יציאות של V‏ 24‏. קיימות גם גרסות עם יציאה של V‏ 48‏ אך מלבד זאת הן זהות. בנוסף, ניתן לכוונן את מתחי היציאה הנומינליים של ספקי כוח אלה עד V‏ 28‏ מ-V‏ 24‏ ועד V‏ 56‏ מ-V‏ 48‏.

איור 2: ספקי הכוח הקומפקטיים למסילות DIN‏ RACPRO1-T240/24 (משמאל), RACPRO1-T480/24 (במרכז) ו-RACPRO1-T960/24 (מימין) מספקים W‏ 240‏, W‏ 480‏ ו-W‏ 960‏, בהתאמה. (מקור התמונה: RECOM Power‏

מאפיין חשוב של מודולים אלה הוא צורתם הקומפקטית. ספציפית, רוחב כל ספק הוא 43 מ"מ, 52 מ"מ ו-80 מ"מ (1.69 אינץ', 2.05 אינץ' ו-3.15 אינץ'), בהתאמה. כל שלושת המודולים הם בגובה 135 מ"מ (5.31 אינץ'), בעוד שעומקם משתנה בהתאם לדגם, ונע בין 140 מ"מ ל-156 מ"מ (5.51 אינץ' עד 6.14 אינץ'). מאפיין חשוב עבור מתקינים וטכנאים הוא שהמודולים מתוכננים להתקנה והסרה מהירות, קלות וללא כלים, באמצעות מלחציים מסוג כלוב-חוט בלחיצה-פנימה עם מחברי לחיצה-פנימה °‏25‏+.

הנצילות הגבוהה של סדרת RACPRO1 מורידה את עלויות התפעול ומפחיתה את החום הנוצר על ידי ספק הכוח. לכן, יש צורך בצלעות קירור קטנות יותר ושטח פנים קטן יותר עבור פיזור תרמי.

ספקים אלה אינם דורשים קירור אוויר מאולץ באמצעות מאווררים או מערכות אקטיביות אחרות; הם מתוכננים להיות מקוררים אך ורק באמצעות קונבקציה טבעית, יתרון נוסף בסביבות תעשייתיות. כל מודול משלב שתי תעלות זרימת אוויר נפרדות של כדי למקסם את "אפקט הארובה" עבור קירור.

הגודל הקטן והנצילות הגבוהה של סדרה זו מושגים באמצעות פרישה חכמה ובחירת רכיבים. ליחידת RACPRO1-T960/24 יש נצילות של 96%; ליחידות RACPRO1-T240/24 ול-RACPRO1-T480/24 נצילות של 94.1% ו-95%, בהתאמה. יתר על כן, למרות שהם מספקים מאות של וואטים, ספקים אלה דורשים רק כ-1 וואט ללא עומס.

הנצילות והקירור של ספקים אלה מאפשרים להם להיות מדורגים לטמפרטורות פעולה גבוהות. ספק הכוח RACPRO1-T960/24‏ W‏ 960‏ יכול לספק את מלוא דירוג הספק היציאה שלו עד ל-60°C+; ל-RACPRO1-T240/24‏ W‏ 240‏ יש תחום עליון מעט גבוה יותר של עד 70°C+.

טמפרטורות גבוהות אינן השיקול היחיד; מערכות רבות, כגון ציוד HVAC חיצוני, חשופות גם הן לקור קיצוני. כדי לענות על צורך זה, ספקי RACPRO1 מדורגים לפעולה בטמפרטורה של C‏°‏40‏-.

ביצועים ומאפיינים חשמליים

ספק כוח לסביבות תעשייתיות חייב לעשות יותר מאשר רק לספק את הערך הנומינלי של המתח על פני תחום מתחי הכניסה והעומסים. נדרשות תכונות נוספות הכוללות חסינות גבוהה למתח-חוזר, חסינות מורחבת לנחשולי מתח ויכולת הגברת הספק:

• בעת הפעלה או השבתה של עומס שאינו התנגדותי, כגון מנוע, יכולה להיות זרימה-חוזרת (הנקראת גם הזנה-חוזרת) לתוך יציאת ספק הכוח. חסינות למתח-חוזר היא היכולת לעמוד בפני מתח זרימה-חוזרת. בספקי מתח RACPRO1, ליציאת V‏ 24‏ יש חסינות למתח חוזר של V‏ 35‏, בעוד שליציאת V‏ 48‏ יש חסינות ל-V‏ 63‏.
• עבור נחשולי מתח בקו, יחידות אלו כוללות חסינות מורחבת בפני נחשולי מתח של עד kV‏ 6‏ כפי שמוגדר בתקנים הרלוונטיים בתעשייה ובתקנים הרגולטוריים.
• ספקים אלה מספקים יכולת הגברת הספק כדי להתמודד עם עומסים הדורשים לזמן קצר יותר מהספק היציאה הנומינלי. לדוגמה, ה-RACPRO1-T960/24 בעל ההספק הגבוה יכול להגביר את ההספק ל-150% למשך 6 שניות, ובכך לבטל הפרעות רבות עקב תנאי עומס טרנזיינטיים.

מאפיין ידידותי למשתמש נוסף של יחידות RACPRO1‏ W‏ 480‏ ו-W‏ 960‏ הוא קו LED אנכי יחיד ופשוט (איור 3) המציין את אחוז הספק היציאה הנומינלי שספק-הכוח מספק.

איור 3: מודולי RACPRO1‏ W‏ 480‏ ו-W‏ 960‏ כוללים מחוון נוח המציג את אחוז הספק היציאה הנומינלי שספק-הכוח מספק. (מקור התמונה: RECOM Power)

אמינות באמצעות ניתוח, תכנון והערכה

כל יישום דורש אמינות. עבור יחידות RACPRO1, נצילות גבוהה מפחיתה את פיזור החום, ובכך משפרת את אמינות הרכיבים. כמו כן, סדרת RACPRO1 תוכננה עבור ביצועים ונצילות מקסימליים, תוך התייחסות למדדים עיקריים, כולל ביצועים תרמיים, MTBF ומאפייני הגנה מובנים. יתר על כן, מאפייני הגנה משולבים, כולל הגנה מפני מתח-יתר, קצר וכיבוי תרמי, משפרים את העמידות ומבטיחים פעולה רצופה בסביבות תעשייתיות קשות.

כדי לתקף את האמינות לטווח ארוך, RECOM מעבירה כל דגם בדיקות קפדניות לאורך כל חייו, כולל סימולציות מאמץ ממושך, בדיקות זעזועים ורעידות והערכות עמידות בטמפרטורה גבוהה. מידול, ניתוח ובדיקות מצביעים על כך שתוחלת החיים של חומרים אלו היא כ-80,000 שעות ב-C‏°‏40‏ בתנאי המאמצים הגבוהים ביותר ובעומס מלא.

אף על פי כן, ישנם יישומים שבהם אפילו כשל נדיר, בין אם כזה הנובע מגורמים פנימיים או חיצוניים, אינו קביל. עבור יישומים אלה, דגמי RACPRO1-T480/24 ו-T960/24 מאפשרים חיבור מקבילי של שתי יחידות או יותר עבור יתירות או הגדלת קיבולת היציאה (איור 4).

איור 4: ניתן להשתמש ב-RACPRO1-T480/24 וב-RACPRO1-T960/24 במקביל כדי לספק גיבוי יתיר או להגביר את דירוג תפוקת ההספק. (מקור התמונה: RECOM Power)

סידור זה מעניק יתירות וגם תומך בשיתוף עומס, כאשר שני הספקים מפלגים את הספקת-הכוח באופן שווה. מאפיינים אלו מונעים השבתת מערכת ושומרים על צריכת הספק יציבה בסביבות אוטומציה תעשייתית ובפעולות אחרות בהן הפסקות עלולות להשפיע על הפרודוקטיביות והבטיחות. בנוסף, מאפייני היציאה המוגדרים היטב של מתח-קבוע/זרם-קבוע (CV/CC) של ספקים אלה מאפשרים טעינת סוללה עבור גיבוי נוסף.

עמידה בתקנות רגולטוריות

ספקי כוח, כמו מוצרים אלקטרוניים אחרים, כפופים לתקנות רגולטוריות רבות. כמה מהן קשורות להיבטים תפעוליים כגון גורם ההספק (מעל 0.9 עבור ספקים אלה), הפרעות אלקטרומגנטיות (EMI), נצילות ברמות הספק שונות ופיזור הספק ללא-עומס. תקנות אחרות קשורות לבטיחות.

בין הרשאות הביצועים החשמליים הרבים שלהם, ספקי-כוח אלו עומדים בתקני Class B‏ EN 61000-6-4‏ (פליטות) ו-EN 61000-6-2‏ (חסינות). היחידות מורשות גם לתקני הבטיחות העולמיים IEC/EN/UL 62368-1‏, IEC/EN/UL 61010-1‏ ו-IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201‏.

הוסיפו נתיך, לכל מקרה

בהתחשב במאפייני ההגנה הרבים של ספקים אלה, נתיך המופעל בתגובה לזרם-יתר חמור נראה מיותר. זה אולי נכון, אך ייתכן שהמתכננים ירצו להתקין אחד לכל מקרה, או, סביר יותר, שזה נדרש על פי קוד החשמל בתוקף בזמן ההתקנה.

כדי למלא צורך זה, סדרת RACPRO1 נתמכת על ידי מודול נתיך אלקטרוני (e-fuse) למסילת DIN‏ RACPRO1-4SP/24V/5A‏ (איור 5), המורשה במלואו לשימוש במקום נתיך תרמי קונבנציונלי או מנתק זרם. שימו לב שניתן להשתמש ביחידה זו עם כל ספק כוח, לא רק ממשפחת RACPRO1.

ה-RACPRO1-4SP/24V/5A הוא קומפקטי, במידות של 110.2 מ"מ × 72.0 מ"מ × 61.9 מ"מ (4.34 אינץ' × 2.83 אינץ' × 2.44 אינץ'), ומתפקד כרכיב ניטור המחובר לפס DC‏ הראשי. מודול A‏ 5‏ זה (מוצעת גם גרסה של A‏ 10‏) מפלג _DC‏V‏ 24‏ לארבעה ערוצי עומס מבוקרים בנפרד עם בקרת גבול זרם-יתר עצמאית וחיווי זרם יציאה בזמן-אמת.

איור 5: למודול נתיך אלקטרוני RACPRO1-4SP/24V/5A למסילת DIN יש ארבעה נתיכים אלקטרוניים עצמאיים של A‏ 5‏ כל אחד. (מקור התמונה: RECOM Power)

הערוצים מופעלים באופן סדרתי כדי להפחית את זרם הכניסה עם שיהוי זמן ניתן להגדרה מראש. בתנאי עומס-יתר של המערכת, הערוצים ינתקו את העומסים בסדר הפוך, וישמרו שהפונקציות החיוניות תמשכנה לפעול. למרות שהערוצים עשויים להיות מקושרים מבחינה תפעולית, ניתן להפעיל או לכבות כל ערוץ באופן עצמאי כדי להקל על אבחון תקלות או תחזוקה.

מודול נתיך אלקטרוני הוא הרבה יותר מסתם תחליף פשוט לנתיך התרמי הקלאסי "נפתח בזרם-יתר". הוא מבוקר על ידי מעגלי לוגיקה פנימיים כדי להגן ולתעדף עומסים וספקי כוח, ומגלה ומגיב באופן דינמי לתנאי זרם-יתר, תת-מתח ומתח-יתר.

כל ערוץ מוגן באופן עצמאי, כך שעומס-יתר או תקלה בעומס בודד אינם משפיעים על אמינות המערכת או על הפונקציונליות הכוללת. בנוסף לזרם הערוץ המקסימלי הבסיסי של A‏ 5‏, המודול מספק הגברה של 150% למשך 5 שניות ויכול להתמודד עם עומס-יתר של יותר מ-150% למשך עד 100 מילישניות כדי למנוע ניתוק מטריד. כל אלה הם שיקולים חשובים בהתקנות תעשייתיות, שבהן שינויי עומס, עצירות מנוע, קפיצות זרם בהפעלה ואירועים משבשים אחרים הם צפויים ובלתי-נמנעים.

כמאפיין איתור תקלות נוסף, לכל ערוץ יש פס LED עבור חיווי סטטוס (איור 6). הוא מציג את סטטוס זרם היציאה כשהוא משתנה מירוק לצהוב (זרם בתוך הגבול) לכתום (זרם בקצה הגבול) לאדום (זרם-יתר או קצר).

איור 6: לכל אחד מארבעת הנתיכים האלקטרוניים יש מחוון פס LED צבעוני המעביר במהירות כמות משמעותית של מידע על סטטוס הערוץ. (מקור התמונה: RECOM Power)

כמשלימים לספקי הכוח RACPRO1, לנתיכים אלקטרוניים אלה יש תוחלת חיים של יותר מ-80,000 שעות ב-40°C+, עם חיווט קל של הדקים עם מנוף בלחיצה-פנימה וללא-כלים.

סיכום

ספקי כוח עבור יישומים תעשייתיים חייבים לספק באופן אמין ויעיל DC‏ במתח נמוך מרשת AC במתח גבוה יותר או מפס DC בגורם-צורה קומפקטי. מודולי RACPRO1 להרכבה על מסילות DIN של RECOM Power עומדים בדרישות אלו תוך פישוט ההתקנה והתחזוקה. נתיך אלקטרוני משלים עם ארבעה ערוצים מספק ערוצים עצמאיים תוך מתן אפשרות לקישורם לפעולה יעילה יותר ולשיפור גילוי וניהול תקלות.

תוכן קשור

1. איך מסילת DIN פשוטה עונה עבור מודולריות, גמישות ונוחות במערכות תעשייתיות
2. ספקי כוח ספקי-כוח למסילות DIN‏ PIO סדרת DIN RACPRO1 של RECOM Power (סרטון)