Selezione degli alimentatori per applicazioni industriali difficili e aree pericolose

I sistemi industriali in ambienti difficili e potenzialmente esplosivi, come linee di produzione, robotica, infrastrutture energetiche, raffinerie e produzione di semiconduttori, sono sempre più automatizzati. I progettisti di sistemi hanno bisogno di alimentatori che soddisfino i requisiti di elevata potenza di picco e immunità al ritorno dell'alimentazione, supportando al contempo affidabilità, durata, sicurezza, alta densità di potenza, efficienza e conformità a normative complesse.

Questo articolo illustra le sfide che devono affrontare i progettisti di sistemi di alimentazione per applicazioni di automazione difficili. Presenta quindi gli alimentatori per guida DIN di TRACO Power, mostrando in che modo questi dispositivi possono aiutare i progettisti ad affrontare queste sfide.

Le sfide dell'alimentazione industriale

Le linee di produzione manifatturiera, i sistemi di energia rinnovabile, i magazzini di distribuzione e gli impianti di lavorazione chimica sono tutte applicazioni che espongono i sistemi e i dispositivi elettronici agli ambienti industriali. L'elettronica può essere esposta a temperature estreme, umidità, urti meccanici, interferenze elettromagnetiche (EMI), vibrazioni, polvere, esposizione a sostanze chimiche e atmosfere esplosive. Poiché l'elettronica è ampiamente utilizzata per l'alimentazione, il controllo e il monitoraggio, deve essere progettata per garantire accuratezza, precisione, affidabilità e sicurezza in tutte queste applicazioni.

Gli alimentatori sono particolarmente critici. Al cuore dell'elettronica industriale, forniscono alimentazione regolata da fonti sia c.a. che c.c. e la loro uscita deve soddisfare il fabbisogno energetico di base delle macchine collegate con un margine di sicurezza sufficiente. Ad esempio, i sistemi elettromeccanici come motori, pompe e azionamenti controllati dal movimento richiedono correnti di picco elevate all'avvio, che la fonte di alimentazione deve fornire. In genere è richiesta anche la protezione da sovratensione, sovracorrente e sovratemperatura.

Gli alimentatori devono presentare una buona regolazione della tensione in presenza di variazioni di carico o di linea e garantire alta efficienza. Ciò è particolarmente importante per gli alimentatori montati in involucri compatti, dove la bassa efficienza provoca un eccessivo accumulo di calore.

Anche il fattore di forma dell'alimentatore è importante. Deve poter essere inserito in macchine o armadi di controllo dove lo spazio è limitato. Inoltre, le applicazioni industriali richiedono la possibilità di sostituire rapidamente i dispositivi difettosi, quindi il dispositivo fisico deve essere montato in modo da poter essere facilmente rimosso e sostituito. È poi di importanza critica che gli alimentatori siano certificati per la sicurezza e la compatibilità elettromagnetica (EMC).

Aree pericolose

Le aree pericolose (HazLoc) rappresentano un ambito particolare di certificazione. Il National Electrical Code (NEC) statunitense definisce le aree pericolose come aree in cui sussistono i rischi di incendio o esplosione a causa di gas o vapori infiammabili, liquidi infiammabili, polveri combustibili, particelle volanti o fibre infiammabili. Gli alimentatori e gli altri componenti elettronici devono essere certificati specificamente per il funzionamento in ambienti HazLoc.

Underwriters Laboratories Inc. (UL) e ATmosphères EXplosibles (ATEX) stabiliscono gli standard per i test dei componenti HazLoc. Queste certificazioni confermano che sono stati rispettati gli standard minimi di sicurezza per l'utilizzo del dispositivo in ambienti pericolosi.

La certificazione prende in considerazione due fattori: le tipologie di sostanze volatili e la probabilità della loro presenza. I tipi di materiali potenzialmente esplosivi determinano la classe di certificazione. La Classe 1 comprende i vapori e i gas infiammabili; la Classe 2 comprende le polveri combustibili, come la farina; la Classe 3 riguarda le particelle volanti o le fibre infiammabili (es. particelle di tessuti).

La probabilità della presenza di sostanze volatili determina la classificazione della divisione. La Divisione 1 riguarda gli ambienti in cui sono normalmente presenti materiali pericolosi. La Divisione 2 riguarda gli ambienti in cui i materiali pericolosi non sono normalmente presenti, ma potrebbero esserlo in determinate condizioni.

Alimentatori per applicazioni HazLoc

Gli alimentatori ad alta efficienza per guida DIN serie TIB-EX di TRACO Power (Figura 1) sono progettati per l'uso in ambienti difficili e in aree pericolose. La guida DIN è una guida metallica ampiamente utilizzata per il montaggio di apparecchiature di controllo industriali in rack o armadi. Questi alimentatori dispongono anche di un'opzione per montaggio laterale che offre un profilo più ribassato per il montaggio su pannello piatto. La serie è qualificata per la sicurezza secondo UL HazLoc Classe 1 Divisione 2 (C1D2) e ATEX (EN60079-0, EN60079-7 e EN60079-15) ed è certificata EMC.

Figura 1: La serie di alimentatori per guida DIN TIB-EX è qualificata HazLoc C1D2, è certificata EMC e ha potenze nominali di 80 W, 120 W, 240 W e 480 W. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Gli alimentatori HazLoc C1D2 sono progettati per funzionare in modo sicuro in aree in cui gas o vapori infiammabili sono normalmente contenuti, ma che possono fuoriuscire in condizioni anomale, quali perdite, malfunzionamenti delle apparecchiature o guasti al sistema di ventilazione.

L'attributo più importante delle apparecchiature C1D2 è che non devono costituire una fonte di accensione in condizioni di funzionamento normali e impreviste. L'apparecchiatura è progettata per non rilasciare energia elettrica o termica sufficiente ad accendere un'atmosfera volatile. Pertanto, durante il normale funzionamento non può produrre archi elettrici o scintille e il suo involucro fisico limita la velocità con cui la sostanza volatile può penetrarvi.

Oltre alle certificazioni HazLoc, questi alimentatori raffreddati a convezione presentano alta efficienza dall'88% al 95% (a seconda del modello) e possono funzionare in un intervallo di temperatura da -40 a +60 °C (a pieno carico). Disponibili con potenze di 80 W, 120 W, 240 W e 480 W con tensioni di uscita di 12 V, 24 V o 48 V, funzionano con tensioni di rete comprese da 85 V_c.a. a 264 V_c.a. a 50/60 Hz.

La serie TIB-EX è ideale per gli ambienti industriali, con una serie completa di protezioni operative, comprese le protezioni da sovratensioni e cortocircuiti. Sul lato di ingresso, proteggono dal calo di tensione della linea elettrica, definito come una caduta di tensione al di sotto di 90% del valore nominale, ma non un'interruzione completa. La durata tipica va da 3 a 10 cicli o da 50 ms a 167 ms. Questa serie è conforme alle specifiche SEMI F47 per l'immunità alle cadute di tensione.

Gli alimentatori TIB-EX sono in grado di tollerare anche sovraccarichi di potenza di breve durata, sostenendo la loro uscita fino a 4 s con un sovraccarico del 150%. Questa caratteristica è ideale per i progetti che utilizzano motori passo-passo, solenoidi o attuatori che assorbono una corrente elevata al momento del collegamento iniziale.

Un'altra situazione comune negli ambienti industriali è il ritorno dell'alimentazione, in cui i carichi, come induttori e motori in decelerazione, possono rimandare della tensione all'alimentazione. La serie TIB-EX offre un'importante funzione di immunità all'alimentazione di ritorno che aiuta a prevenire arresti o malfunzionamenti sotto questi carichi.

Gli alimentatori a commutazione (SMPS) devono inizialmente caricare i loro condensatori di ingresso, il che può portare a grandi correnti di inserzione quando l'alimentatore viene inizialmente collegato alla linea. La maggior parte degli SMPS, come la serie TIB-EX, utilizza un limitatore di corrente di inserzione per controllarla. La corrente di inserzione nominale di questi alimentatori è di 30 A per un ingresso a 230 V_c.a. e di 15 A per un ingresso a 115 V c.a..

Tutti i modelli segnalano lo stato dell'uscita tramite la chiusura di un contatto c.c.-OK e di LED c.c.-OK situati sui pannelli anteriore e laterale.

L'alimentatore per guida DIN c.a./c.c. da 80 W TIB 080-112EX (Figura 2) ha una tensione nominale di uscita di 12 V e una corrente massima di 6,7 A. È alloggiato in un fattore di forma compatto di 94,2 x 32,0 x 114,2 mm.

Figura 2: TIB 080-112EX è un alimentatore classificato HazLoc per guida DIN da 12 V, 80 W. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

TIB 080-112EX utilizza un regolatore a commutazione flyback con una frequenza di commutazione compresa tra 60 kHz e 75 kHz. L'uscita a 12 V è regolabile da 11,8 V_c.c. a 15,0 V_c.c., la regolazione della tensione di ingresso è dello 0,1%, a causa delle variazioni di linea nell'intervallo di tensione di ingresso nominale e la regolazione del carico è dello 0,5% per una variazione di carico compresa tra il 10% e il 90% del carico nominale. Funziona con un'efficienza del 90% e ha un tempo medio tra i guasti (MTBF) di 1.950.000 ore conforme a IEC 61709.

Il modello TIB 120-124EX (Figura 3) è un esempio di alimentatore per guida DIN da 120 W. Ha una tensione di uscita nominale di 24 V, 5 A e misura 114,2 x 124,2 x 36,0 x mm.

Figura 3: TIB 120-124EX è un alimentatore da 24 V e 120 W in un contenitore di 114,2 x 124,2 x 36,0 x mm. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

TIB 120-124EX utilizza una topologia induttore-capacitore-capacitore (LCC) a semiponte con una frequenza di commutazione compresa tra 70 e 100 kHz. È inoltre dotato di correzione attiva del fattore di potenza.

L'uscita nominale a 24 V di questo alimentatore è regolabile da 23,5 V a 28 V e ha un'efficienza nominale del 94%. L'MTBF d questo dispositivo è di 1.450.000 ore.

I progettisti che necessitano di una potenza superiore possono scegliere il modello TIB 240-148EX (Figura 4), un alimentatore da 240 W con una tensione di uscita nominale di 48 V e una corrente di uscita massima di 5 A. È disponibile in un fattore di forma più grande, con dimensioni di 114,2 x 124,2 x 48,0 mm.

Figura 4: TIB 240-148EX è un alimentatore per guida DIN da 240 W che eroga 48 V a 5 A. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Come la versione da 120 W, questo alimentatore utilizza una topologia LCC a semiponte con una frequenza di commutazione compresa tra 75 kHz e 100 kHz. Include una correzione attiva del fattore di potenza e ha una tensione di uscita nominale di 48 V, regolabile da 47 V a 56 V. Ha un'efficienza fino al 95% e un MTBF di 1.300.000 ore.

TIB 480-124EX (Figura 5) è un alimentatore da 480 W con uscita a 24 V, 20 A e un'efficienza del 95%. È disponibile in un contenitore di 114,2 x 124,2 x 82,0 mm e dispone di una funzione di on/off remoto. La tensione di uscita è regolabile tra 23,5 V e 28 V e l'MTBF è di 1.300.000 ore.

Figura 5: L'alimentatore TIB 480-124EX da 480 W include il controllo on/off remoto. (Immagine per gentile concessione di TRACO Power)

Conclusione

La serie di alimentatori per guida DIN TIB-EX di TRACO Power combina alte prestazioni con design di circuiti affidabili, efficienti e durevoli, ottimizzati per il montaggio in armadi di controllo in applicazioni industriali. Offrono il vantaggio di essere qualificati per l'uso in ambienti pericolosi.