Auswahl und Einsatz von AC/DC-Netzteilen für die Fabrikautomatisierung

Die Automatisierung von Fabriken beschleunigt sich mit dem Einsatz von Technologien wie dem Internet der Dinge (Internet of Things, IIoT) und Fabrik 4.0. Robuste Stromversorgungen bilden die Grundlage für diese Technologien. Aus diesem Grund ist es von entscheidender Bedeutung, dass in der Projektierung schnell einsatzbereite, zuverlässige Stromversorgungen vorgesehen werden, die eine Vielzahl von Spannungspegeln unterstützen, um den Anforderungen der Automatisierungs-, Netzwerk-, Prüf- und Messtechnik der Fertigungseinrichtungen gerecht zu werden.

Dazu können entweder eigene Stromversorgungen entwickelt werden, was kostspielig und zeitaufwändig sein kann, oder handelsübliche verfügbare Lösungen zum Einsatz kommen, die für die Aufgabe geeignet sind und das Budget nicht sprengen. Beide Lösungen müssen die Richtlinien bezüglich EMV und Sicherheit erfüllen und gleichzeitig den Vorschriften zu elektromagnetischen Störungen (electromagnetic interference, EMI) entsprechen. Darüber hinaus müssen Netzgeräte für die Fabrikautomatisierung Schutzfunktionen besitzen, die sie für den Einsatz in industriellen Umgebungen qualifizieren.

Dieser Beitrag setzt sich kurz mit den Anforderungen an ein AC/DC-Netzgerät für Anwendungen in der Fabrikautomatisierung auseinander und umreißt die kritischen Leistungs- und Größenkriterien für die Auswahl. Anschließend werden Hutschienennetzteile von RECOM Power als Beispiel für eine einsatzbereite Lösung vorgestellt.

Netzgeräte für die Fabrikautomatisierung

Der Bereich der Fabrikautomatisierung umfasst auch Netzwerk- sowie Prüf- und Messtechnik und ist in hohem Maße auf eine robuste und zuverlässige Stromversorgung angewiesen. Die Anforderungen an ein Netzgerät hängen von der Anwendung und den Anlagen ab. Eine typische Lösung wandelt eine Netzspannung (90 V_AC bis 264 V_AC, mit leichten Abweichungen zwischen den Ländern) in eine Gleichspannung um. Der erforderliche Ausgang fällt unterschiedlich aus, da Fabrikautomatisierungstechnik standardmäßig mit verschiedenen Gleichspannungen betrieben wird, darunter 12 V, 15 V, 24 V und 48 V.

Vor diesem Hintergrund liegt der Fokus neben der Einhaltung der einschlägigen Richtlinien für die Sicherheit und anderer Vorschriften in der Regel auf modularen Lösungen mit hoher Energiedichte und Effizienz. Sie unterstützen eine Reihe von üblichen Spannungen und Strömen und werden auf eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit ausgelegt.

Kommerzielle modulare Netzgeräte für die Fabrikautomatisierung umfassen Optionen für das verbreitet genutzte Hutschienensystem, was den Einsatz zu erleichtert. Dieses System nutzt universelle Standardbreiten und Befestigungsteilformen. Das Hutschienensystem gewährleistet unabhängig vom Hersteller einheitliche Abmessungen für eine Reihe von Produkten, einschließlich Netzgeräten.

Diese markenübergreifende Kompatibilität sorgt bei Nutzung von Hutschienensystemen für die Flexibilität, Komponenten in sinnvoller und abgestimmter Weise zu kombinieren (Abbildung 1).

Abbildung 1: Hutschienen vereinfachen die Nutzung von Netzgeräten und ermöglichen die sinnvolle, abgestimmte Kombination verschiedener Komponenten. (Bildquelle: RECOM Power)

Kostengünstige Hutschienennetzteile

Die Infrastruktur für Fabrikautomatisierung erfordert häufig mehrere Netzgeräte, womit sie zu einem Kostenfaktor werden. Die 120-W-AC/DC-Hutschienennetzteile der Serie REDIIN120 von RECOM Power (Abbildung 2) wurden zur Minimierung der Kosten bei kompaktem Formfaktor und hoher Zuverlässigkeit konzipiert. Eine Einheit misst 123,6 x 30,0 x 116,8 Millimeter (mm).

Abbildung 2: Die 120-W-Hutschienennetzteile der Serie REDIIN120 messen 123,6 x 30,0 x 116,8 mm. (Bildquelle: RECOM Power)

Die konvektionsgekühlten AC/DC-Netzteile REDIIN120 unterstützen einen Betriebstemperaturbereich von -30 °C bis +50 °C bei voller Leistung. Diese Produkte sind nach den Sicherheitsnormen IEC 62368-1, IEC 61010-1 und IEC 61010-2-201 zertifiziert.

Die abgestrahlten und leitungsgeführten elektromagnetischen Störungen entsprechen der Störfestigkeitsnorm EN 61000-6-2 und Klasse B der EMV-Norm EN 61000-6-4 für Industriebereiche. Außerdem erfüllen die Einheiten die Umweltschutzanforderungen der RoHS-Richtlinie.

Die Serie REDIIN120 umfasst drei Modelle, die jeweils eine Eingangsspannung von 90 V_AC bis 264 V_AC unterstützen und sich nur in der Ausgangsspannung unterscheiden. Das REDIIN120-12 bietet eine Nennausgangsspannung von 12 V bei einem einstellbaren Spannungsbereich von 10,8 V bis 13,2 V. Die Nennausgangsspannung des REDIIN120-24 beträgt 24 V bei einem einstellbaren Spannungsbereich von 21,6 V bis 26,4 V. Das REDIIN120-48 besitzt schließlich eine Nennausgangsspannung von 48 V bei einem einstellbaren Spannungsbereich von 43,2 V bis 52,8 V. Der maximale Ausgangsstrom beläuft sich auf 10 A, 5 A bzw. 2,5 A.

Die Netzteile erreichen einen maximalen Wirkungsgrad zwischen 86 % und 89,5 % (Abbildung 3) bei einer Leistungsaufnahme im Leerlauf von 150 Milliwatt (mW) bei den 12- und 24-V-Versionen und 210 mW bei der 48-V-Version.

Abbildung 3: Dargestellt ist der Wirkungsgrad des Netzteils REDIIN120-24 in Abhängigkeit von der Ausgangslast. (Bildquelle: RECOM Power)

Die Netzteile können im Konstantstrommodus betrieben werden, wodurch sich die Serie für induktive und kapazitive Lasten wie Motoren, Schaltmagnete und Relais eignet. Die maximale kapazitive Last beim Einschalten beträgt 8 Millifarad (mF) bei den 12- und 24-V-Einheiten und 3 mF bei der 48-V-Einheit.

Die Netzteile REDIIN120 verfügen über umfassenden Überstromschutz, Überspannungsschutz und Übertemperaturschutz (Abbildung 4). Spannungen über 17,4 V_DC (12-V-Einheit), 33,6 V_DC (24-V-Einheit) bzw. 64,8 V_DC (48-V-Einheit) führen zu einer Abschaltung.

Abbildung 4: Die Serie REDIIN120 bietet umfassenden Schutz. Spannungen über 17,4 V_DC (12-V-Einheit), 33,6 V_DC (24-V-Einheit) bzw. 64,8 V_DC (48-V-Einheit) führen zu einer Abschaltung. (Bildquelle: RECOM Power)

Die Familie REDIIN enthält keine 15-V-Variante. RECOM Power bietet jedoch den AC/DC-Wandler RACM15E-15SK/PMAD-CTN für den Betrieb mit 15 V an (Abbildung 5). Diese Hutschieneneinheit liefert einen Ausgang von 1 A bei 15 V bei einem AC-Eingang von 80 V bis 275 V bzw. einem DC-Eingang von 370 V. Die maximale Ausgangsleistung beträgt 15 W bei einem Wirkungsgrad bei Volllast von 85 %. Die Einheiten besitzen internationale Sicherheits- und EMV-Zertifizierungen gemäß Normen für Medizintechnik, Haushaltsgeräte, Industrie und Sicherheitstransformatoren.

Abbildung 5: Der RACM15E-15SK/PMAD-CTN ist ein auf hutschienenmontierter AC/DC-Wandler mit 15 V und 15 W für die Fabrikautomatisierung. (Bildquelle: RECOM Power)

Überlegungen zum Entwurf von Hutschienennetzteilen

Neben den Sicherheits-, EMV- und Emissionsanforderungen müssen bei der Entwicklung auch andere kritische Parameter berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass ein AC/DC-Netzgerät in einer Fabrikumgebung über lange Zeiträume störungsfrei betrieben werden kann.

So ist zum Beispiel die Begrenzung der Betriebstemperatur auf einen Wert unterhalb der maximal zulässigen Temperatur des Netzteils unerlässlich, um Probleme zu vermeiden. Hohe Betriebstemperaturen können zur Leistungsminderung führen, die Lebensdauer verkürzen und das Risiko von Fehlern und Ausfällen erhöhen. Auch sehr niedrige Temperaturen können zu Leistungsproblemen führen, einschließlich einer erhöhten Welligkeit der Ausgangsspannung und einer mangelnden Ausgangsregelung. Außerdem verursachen Veränderungen der elektrischen Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen unter Umständen Startprobleme.

Hersteller empfehlen in der Regel eine Minderung der Netzteilleistung oberhalb eines bestimmten Temperaturgrenzwerts. Die Einheiten der Serie REDIIN120 werden darüber hinaus bei Überschreiten der maximal zulässigen Betriebstemperatur sicherheitshalber abgeschaltet. Die Leistungsminderungskurve des 120-W-AC/DC-Netzteils REDIIN120-24 (Abbildung 6) zeigt eine Verringerung der Leistung über +40 °C bei einer Eingangsspannung von 100 V_AC und 115 V_AC bzw. über +50 °C bei einer Eingangsspannung von 230 V_AC. Das Überschreiten einer Betriebstemperatur von +70 °C führt zur Abschaltung.

Abbildung 6: Die Leistungsminderungskurve des 120-W-AC/DC-Netzteils REDIIN120-24 zeigt eine Verringerung der Leistung über +40 °C bei einer Eingangsspannung von +100 V_AC und 115 V_AC bzw. über +50 °C bei einer Eingangsspannung von 230 V_AC. Das Überschreiten einer Betriebstemperatur von +70 °C führt zur Abschaltung. (Bildquelle: RECOM Power)

Ein weiterer zu berücksichtigender Aspekt ist die Länge der Kabel. Bei übermäßig langen Kabeln können Widerstandsverluste auftreten, die dazu führen, dass die Spannung an der Last unter die zulässigen Grenzen fällt. Eine Erhöhung des Aderquerschnitts oder der Ausgangsspannung und die lokale DC/DC-Regelung am Lastpunkt können Kabelverluste ausgleichen.

Auch die Art der Last muss bedacht werden. Die Versorgung kapazitiver oder induktiver Lasten mit Strom kann eine Herausforderung darstellen. Induktive Lasten wie Motoren, Schaltmagnete und Relais können hohe Spannungsspitzen verursachen. Die Versorgung kapazitiver Lasten verringert unter Umständen die dynamische Reaktion des Netzteils oder führt zu Instabilität und einer erhöhten Welligkeit des Ausgangs. Bei der Auswahl des Netzteils sollten unbedingt die Arten der notwendigen Lasten einer Anwendung berücksichtigt werden, um sicherzustellen, dass es diese bewältigen kann. So erlauben die Netzteile REDIIN120 beispielsweise den Betrieb im Konstantstrommodus, wodurch sich die Serie für induktive und kapazitive Lasten eignet.

Schließlich ist der Überstromschutz am Ausgang ein wichtiger Aspekt zur Minimierung von Aussetzern und Ausfällen. Typische Verfahren zum Schutz eines Netzteils sind die Begrenzung des Stroms auf einen bestimmten Wert, der Rücklauf des Stroms auf einen sicheren Wert bei steigender Last oder ein „Hiccup“-Schutz, bei dem der Ausgang ausgeschaltet und nach einer Verzögerung wieder eingeschaltet wird. Wenn die Überstrombedingung weiterhin besteht, wird der Hiccup-Zyklus wiederholt. Die Produkte der Serie REDIIN120 verfügen über Hiccup-Schutz.

Das 120-W-AC/DC-Netzteil REDIIN120-24 zum Beispiel wird im Konstantspannungsmodus innerhalb seines Nennlastbereichs betrieben (Abbildung 7). Um einen Überstrom am Ausgang zu verhindern, geht die Einheit bei Überschreitung des maximalen Nennstroms um 105 % bis 150 % seines Nennwerts in einen Modus mit Strombegrenzung über, der die Ausgangsspannung auf etwa 80 % des Nennwerts verringert. Bei erhöhter Last wechselt das Netzteil in einen Hiccup-Modus mit automatischem Neustart.

Abbildung 7: Das 120-W-AC/DC-Netzteil REDIIN120-24 wird im Konstantspannungsmodus innerhalb seines Nennlastbereichs betrieben. Um einen Überstrom am Ausgang zu verhindern, geht die Einheit bei Überschreitung des maximalen Nennstroms um 105 % bis 150 % seines Nennwerts in einen Modus mit Strombegrenzung über, der die Ausgangsspannung auf etwa 80 % des Nennwerts verringert. Bei erhöhter Last wechselt das Netzteil in einen Hiccup-Modus mit automatischem Neustart. (Bildquelle: RECOM Power)

Fazit

Die kommerziellen modularen Hutschienennetzteile von RECOM bieten kostengünstige, kompakte, zuverlässige und einfach zu implementierende Stromversorgungslösungen für die Fabrikautomatisierung. Die Einheiten sind nach den vorgeschriebenen Vorschriften vorzertifiziert und mit einer Reihe von üblichen Gleichspannungs- und -stromausgängen verfügbar. Die Netzteile bieten eine Reihe von Sicherheitsfunktionen und Optionen für die Stromversorgung kapazitiver und induktiver Lasten.