Scegliere e applicare gli alimentatori c.a./c.c. per l'automazione di fabbrica

Il passaggio all'automazione di fabbrica sta accelerando con l'applicazione delle tecnologie Internet delle cose industriale (IIoT) e Impresa 4.0. Gli alimentatori robusti sono l'infrastruttura alla base di queste tecnologie. Per questo è fondamentale che i progettisti possano implementare rapidamente alimentatori affidabili che supportino una varietà di livelli di tensione per soddisfare le esigenze delle apparecchiature di automazione, di connettività di rete, test e misurazione degli impianti di produzione.

Per rispondere a questa esigenza, i progettisti possono costruire da soli gli alimentatori, che possono essere costosi e richiedere molto tempo, oppure trovare soluzioni facilmente reperibili adatte al compito e che rientrino nei loro vincoli di budget. Entrambe le soluzioni devono essere conformi agli standard di conformità elettromagnetica (EMC) e di sicurezza e rispettare le normative sulle interferenze elettromagnetiche (EMI). Inoltre, gli alimentatori per l'automazione industriale devono avere caratteristiche di protezione che li rendano adatti agli ambienti industriali.

Questo articolo illustra brevemente i requisiti di un alimentatore c.a./c.c. per applicazioni di automazione industriale e delinea i criteri critici di selezione delle prestazioni e del fattore di forma. Presenta quindi gli alimentatori per guida DIN di RECOM Power come esempi di unità pronte all'uso.

Alimentatori per l'automazione di fabbrica

L'automazione di fabbrica comprende anche le apparecchiature di rete e gli strumenti di test e misurazione, e si basa in larga misura su un'alimentazione robusta e affidabile. I requisiti di alimentazione variano a seconda dell'applicazione e dell'apparecchiatura. Una soluzione tipica converte la tensione alternata di rete (da 90 V_c.a. a 264 V_c.a., con leggere variazioni tra i vari Paesi) in tensione continua. I requisiti di uscita variano in quanto le apparecchiature di automazione di fabbrica funzionano con diverse tensioni c.c. standard, tra cui 12 V, 15 V, 24 V e 48 V.

Oltre alla conformità certificata alle normative di sicurezza e di altro tipo, le soluzioni modulari sono tipicamente progettate tenendo conto della densità energetica e dell'efficienza. Soddisfano vari intervalli di tensioni e correnti standard e sono prodotti per garantire un'elevata affidabilità e durata.

Per facilitarne l'utilizzo gli alimentatori modulari commerciali per l'automazione di fabbrica includono opzioni che si adattano al popolare sistema di guide DIN. Questo sistema funziona con misure standard di larghezza e minuteria di montaggio universale. Con il sistema su guida DIN, gli installatori hanno la garanzia della coerenza dimensionale tra una serie di prodotti, compresi gli alimentatori, indipendentemente dal produttore.

Questa compatibilità tra marchi diversi offre agli utenti dei sistemi per guida DIN la flessibilità di combinare i componenti (Figura 1).

Figura 1: Le guide DIN semplificano la distribuzione degli alimentatori e consentono di combinare i componenti di vari produttori. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Alimentatori per guida DIN a costi contenuti

Le infrastrutture di automazione di fabbrica utilizzano più alimentatori, causando un rapido aumento dei costi. La serie di alimentatori c.a./c.c. per guida DIN da 120 W REDIIN120 di RECOM Power (Figura 2) è progettata per ridurre al minimo i costi, rimanendo compatta e affidabile. Ogni unità misura 123,6 x 30,0 x 116,8 mm.

Figura 2: La serie REDIIN120 di alimentatori per guida DIN da 120 W misura 123,6 x 30,0 x 116,8 mm. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Gli alimentatori c.a./c.c. REDIIN120, raffreddati per convezione, sono in grado di funzionare a piena potenza in un intervallo di temperatura compreso tra -30 °C e +50 °C. Questi prodotti sono certificati secondo gli standard di sicurezza IEC 62368-1, IEC 61010-1 e IEC 61010-2-201.

Le emissioni elettromagnetiche irradiate e condotte degli alimentatori sono conformi allo standard di immunità EN 61000-6-2 e allo standard di emissione industriale pesante EN 61000-6-4 Classe B. Le unità sono inoltre conformi ai requisiti di protezione ambientale previsti dalla direttiva RoHS.

La serie REDIIN120 comprende tre modelli, ognuno dei quali funziona con un ingresso da 90 V_c.a. a 264 V_c.a. e si differenzia solo per la tensione di uscita. REDIIN120-12 ha un'uscita nominale di 12 V, regolabile da 10,8 V a 13,2 V. REDIIN120-24 ha un'uscita nominale di 24 V, regolabile da 21,6 V a 26,4 V. REDIIN120-48 ha un'uscita di 48 V regolabile da 43,2 V a 52,8 V. Le correnti di uscita massime sono rispettivamente di 10 A, 5 A e 2,5 A.

Gli alimentatori funzionano con un'efficienza massima compresa tra l'86% e l'89,5%, a seconda dell'unità (Figura 3), e hanno un consumo energetico a vuoto di 150 mW per le versioni a 12 V e 24 V, e di 210 mW per la versione a 48 V.

Figura 3: L'efficienza in funzione del carico di uscita dell'alimentatore REDIIN120-24. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Gli alimentatori possono funzionare in modalità a corrente costante, rendendo la serie adatta a carichi induttivi e capacitivi come motori, solenoidi e relè. Il carico capacitivo massimo all'avvio è di 8 mF per le unità a 12 V e 24 V e di 3 mF per l'unità a 48 V.

Gli alimentatori REDIIN120 sono dotati di protezione completa dalle sovracorrenti (OCP), dalle sovratensioni (OVP) e dalle sovratemperature (OTP) (Figura 4). Le tensioni superiori a 17,4 V_c.c. per l'unità a 12 V, a 33,6 V_c.c. per l'unità a 24 V e a 64,8 V_c.c. per l'unità a 48 V generano una condizione di sgancio.

Figura 4: La serie REDIIN120 è dotata di una protezione completa. Le tensioni superiori a 17,4 V_c.c. per l'unità a 12 V, a 33,6 V_c.c. per l'unità a 24 V e a 64,8 V_c.c. per l'unità a 48 V generano una condizione di sgancio. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Non esiste una variante a 15 V nella famiglia REDIIN. Tuttavia, RECOM Power offre il convertitore c.a./c.c. RACM15E-15SK/PMAD-CTN per il funzionamento a 15 V (Figura 5). Questa unità montata su guida DIN fornisce un'uscita da 15 V, 1 A da un ingresso c.a. da 80 V a 275 V o da un ingresso c.c. di 370 V. La massima potenza di uscita è di 15 W e l'efficienza a pieno carico è dell'85%. Le unità sono dotate di certificazioni internazionali di sicurezza e EMI secondo gli standard medicali, domestici, industriali e dei trasformatori di sicurezza.

Figura 5: RACM15E-15SK/PMAD-CTN è un convertitore c.a./c.c. da 15 V, 15 W montato su guida DIN per l'automazione industriale. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Considerazioni sulla progettazione di alimentatori per guida DIN

Oltre ai requisiti di sicurezza, EMC ed EMI, i progettisti devono considerare altri parametri critici per garantire che gli alimentatori c.a./c.c. di fabbrica possano funzionare senza guasti per lunghi periodi.

Ad esempio, per evitare problemi è essenziale limitare la temperatura di funzionamento al di sotto del valore nominale massimo dell'alimentatore. Elevate temperature di funzionamento possono causare una riduzione delle prestazioni, riducendo al contempo la vita utile e aumentando il rischio di malfunzionamenti e guasti. Anche le basse temperature possono causare problemi di prestazioni, tra cui un aumento del ripple della tensione di uscita e una scarsa regolazione dell'uscita. Inoltre, le variazioni delle caratteristiche elettriche a basse temperature possono causare il mancato avviamento.

In genere i produttori raccomandano il declassamento dell'alimentatore al di sopra di una soglia di temperatura e le unità della serie REDIIN120 includono anche un'interruzione di sicurezza al di sopra di una temperatura di funzionamento massima. La curva di declassamento dell'alimentatore c.a./c.c. da 120 W REDIIN120-24 (Figura 6) indica una riduzione della potenza erogata al di sopra di +40 °C per gli ingressi a 100 V_c.a. e 115 V_c.a. e al di sopra di +50 °C per un ingresso a 230 V_c.a.. Il funzionamento al di sopra dei +70 °C attiva un dispositivo di interruzione.

Figura 6: La curva di declassamento per l'alimentatore c.c./c.c. da 120 W REDIIN120-24 indica una riduzione della potenza in uscita al di sopra di +40 °C per gli ingressi a +100 V_c.a. e 115 V_c.a. e al di sopra di +50 °C per un ingresso a 230 V_c.a.. Il funzionamento al di sopra dei +70 °C attiva un dispositivo di interruzione. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Un'altra considerazione riguarda la lunghezza del cavo. Cavi di alimentazione eccessivamente lunghi possono causare perdite resistive che comportano una riduzione della tensione al carico al di sotto dei limiti consentiti. Per superare le perdite dei cavi, è possibile aumentare lo spessore del filo o la tensione di uscita e utilizzando la regolazione locale c.c./c.c. nel punto di carico (PoL).

È anche necessario considerare il tipo di carico. L'alimentazione di carichi capacitivi o induttivi può essere impegnativa. I carichi induttivi come motori, solenoidi e relè possono causare picchi di tensione elevati. L'alimentazione di carichi capacitivi può ridurre la risposta dinamica dell'alimentatore o provocare instabilità e un aumento del ripple di uscita. Al momento della scelta dell'alimentatore, i progettisti devono considerare attentamente i tipi di carico richiesti dall'applicazione, per assicurarsi che sia in grado di far fronte alla situazione. Le unità REDIIN120, ad esempio, offrono una modalità a corrente costante, che rendono la serie adatta a carichi induttivi e capacitivi.

Infine, l'OCP in uscita è importante per minimizzare gli effetti dei cicli mancati e delle perdite di segnale. Le tecniche tipiche per proteggere l'alimentatore includono la limitazione della corrente a un valore prestabilito, il "ripiegamento" della corrente a un valore sicuro con l'aumento del carico o la protezione "a singhiozzo", in base alla quale l'uscita viene spenta e riaccesa dopo un certo ritardo. Se la condizione di sovracorrente è ancora presente, il ciclo a singhiozzo viene ripetuto. I prodotti REDIIN120 sono dotati di protezione a singhiozzo.

Ad esempio, l'alimentatore c.a./c.c. da 120 W REDIIN120-24 funziona in modalità a tensione costante nell'intervallo di carico nominale (Figura 7). Per l'uscita OCP, quando si supera la corrente massima nominale dal 105% al 150% del valore nominale, l'unità entra in una modalità a corrente limitata, che porta la tensione di uscita a circa l'80% del setpoint nominale. L'aumento del carico fa sì che l'alimentatore entri in una modalità a singhiozzo con riavvio automatico.

Figura 7: L'alimentatore c.a./c.c. da 120 W REDIIN120-24 funziona in modalità a tensione costante nell'intervallo di carico nominale. Per l'uscita OCP, quando si supera la corrente massima nominale dal 105% al 150% del valore nominale, l'unità entra in una modalità a corrente limitata, che porta la tensione di uscita a circa l'80% del setpoint nominale. L'aumento del carico fa sì che l'alimentatore entri in una modalità a singhiozzo con riavvio automatico. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Conclusione

Gli alimentatori modulari commerciali per guida DIN di RECOM sono soluzioni economiche, compatte, affidabili e facili da implementare per l'automazione di fabbrica. Le unità sono pre-certificate secondo le normative obbligatorie e sono fornite con un varie uscite standard in tensione e corrente c.c. Gli alimentatori offrono una serie di funzioni di sicurezza e sono disponibili opzioni per alimentare carichi capacitivi e induttivi.