Utilizzare gli alimentatori c.a./c.c. salvaspazio per guida DIN e i fusibili elettronici per fornire alimentazione c.c. industriale affidabile

I progettisti di alimentatori c.a./c.c. per l'automazione industriale, di fabbrica, degli edifici e di processo, per la generazione e la distribuzione di energia, per le infrastrutture e per le applicazioni di dati e telecomunicazioni devono affrontare numerose sfide elettriche, fisiche, di implementazione, di manutenzione, di sicurezza e di conformità. Queste sfide possono essere affrontate scegliendo con cura alimentatori per guide DIN facilmente reperibili e fusibili progettati specificamente per queste applicazioni.

Questo articolo fornisce una breve panoramica delle sfide incontrate durante l'implementazione di questi alimentatori. Presenta quindi una linea di alimentatori c.a./c.c. e c.c./c.c. per guida DIN e un fusibile di supporto di RECOM Power, che consentono di erogare alimentazione c.c. di grado industriale in modo affidabile e sicuro.

Le sfide dell'alimentazione industriale

Gli alimentatori per applicazioni industriali devono essere compatti, devono accettare un ampio intervallo di ingressi trifase in c.a. o c.c. ad alta tensione, devono essere altamente efficienti, soddisfare numerosi requisiti normativi, supportare il funzionamento in parallelo per la ridondanza e fornire una solida protezione all'utente e al sistema. Devono inoltre soddisfare le specifiche di prestazioni in un ampio intervallo di temperatura utilizzando solo il raffreddamento passivo, assicurare una robustezza complessiva con un tempo medio tra i guasti (MTBF) elevato ed essere economicamente vantaggiosi da implementare e mantenere.

A causa dei rigorosi requisiti di queste applicazioni, i progettisti rinunciano a scegliere design e fattori di forma personalizzati, optando piuttosto per fusibili e alimentatori per montaggio su guida DIN. La sfida si sposta ora sulla selezione accurata per ottimizzare l'applicazione.

Alimentatori: tutto ha inizio dall'incapsulamento

Il ruolo critico degli alimentatori per l'integrità del sistema è spesso sottovalutato. La loro progettazione inizia dall'incapsulamento, che influisce sulle prestazioni elettriche, meccaniche e termiche in ambienti industriali. Per questo motivo, in quasi tutti i casi, gli alimentatori industriali sono progettati per il montaggio per guida DIN standard (Figura 1).

Figura 1: Un armadio industriale con un'ampia gamma di tipologie di moduli montati su guide DIN consente l'installazione e la rimozione agevoli dei moduli dal lato frontale, nonché l'accesso al cablaggio. (Immagine per gentile concessione di Hackaday)

La guida è fissata al pannello posteriore dell'armadio o dell'involucro. Tutti i moduli elettrici, come gli azionamenti di motori, i controller dei circuiti, l'alimentazione, le interfacce di segnale, i sottosistemi di sicurezza e le interfacce di comunicazione, sono montati su questa guida, con tutti i collegamenti di alimentazione e di segnale accessibili dalla parte frontale.

L'approccio basato sulla guida DIN è in netto contrasto con il rack da 19" con connessioni anteriori e posteriori per i moduli. Questa tipologia di rack è ampiamente utilizzata per la strumentazione di laboratorio e i sistemi di test e misurazione. La guida DIN è più comoda e pratica, poiché lo spazio nell'armadio è spesso limitato a causa del numero di moduli che deve ospitare.

Molti alimentatori c.a./c.c. nelle applicazioni industriali funzionano con un ingresso di linea da 320 V_c.a. a 575 V_c.a. trifase e devono fornire 24 V_c.a. o 48 V_c.a. di alimentazione pulita, stabile e resistente ai transitori a carichi quali i controller di motori. Inoltre, molte applicazioni richiedono ora il funzionamento da una sorgente c.c. ad alta tensione da 430 V a 815 V. L'uso di una sorgente c.c. è particolarmente indicato per le applicazioni di automazione di fabbrica basate su microrete e per le soluzioni di energia rinnovabile, come gli impianti a biogas, fotovoltaici ed eolici.

Per soddisfare i difficili requisiti di alimentazione delle applicazioni industriali con montaggio su guida DIN, i progettisti possono utilizzare la famiglia di alimentatori trifase RACPRO1 di RECOM Power. Questi dispositivi possono essere utilizzati anche con ingressi c.c. ad alta tensione.

Ad esempio, i modelli RACPRO1-T240/24, RACPRO1-T480/24 e RACPRO1-T960/24 (Figura 2, da sinistra a destra) erogano rispettivamente livelli di potenza di 240 W, 480 W e 960 W, con uscite a 24 V. Sono disponibili anche versioni con le stesse caratteristiche ma con uscita a 48 V. Inoltre, le tensioni di uscita nominali di questi alimentatori possono essere regolate fino a 28 V da 24 V e a 56 V da 48 V.

Figura 2: Gli alimentatori compatti per guida DIN RACPRO1-T240/24 (a sinistra), RACPRO1-T480/24 (al centro) e RACPRO1-T960/24 (a destra) erogano rispettivamente 240 W, 480 W e 960 W. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Una caratteristica importante di questi moduli è il fattore di forma compatto. Nello specifico, la larghezza di ciascun alimentatore è rispettivamente di 43 mm, 52 mm e 80 mm. Tutti e tre i moduli sono alti 135 mm, mentre la loro profondità varia a seconda del modello, da 140 mm a 156 mm. Una caratteristica importante per installatori e tecnici è che i moduli sono progettati per l'installazione e la rimozione rapide, facili e senza attrezzi, utilizzando morsetti a gabbia con connettori a innesto a +25°.

L'elevata efficienza della serie RACPRO1 abbassa i costi operativi e riduce il calore generato dall'alimentatore. Pertanto, sono sufficienti un dissipatore più piccolo e una minore superficie per la dissipazione termica.

Questi alimentatori non richiedono il raffreddamento ad aria forzata con ventole o altri sistemi attivi; sono progettati per essere raffreddati esclusivamente per convezione naturale, un altro vantaggio negli ambienti industriali. Ogni modulo incorpora due canali di scarico separati per massimizzare "l'effetto camino" per il raffreddamento.

Le dimensioni compatte e l'elevata efficienza di questa serie sono ottenute grazie alla selezione dei componenti e al layout intelligenti. L'unità RACPRO1-T960/24 ha un'efficienza del 96%, mentre i modelli RACPRO1-T240/24 e RACPRO1-T480/24 hanno rispettivamente un'efficienza del 94,1% e del 95%. Inoltre, pur erogando centinaia di watt, questi alimentatori richiedono solo 1 W circa a vuoto.

L'efficienza e il raffreddamento di questi alimentatori ne consentono l'impiego a temperature di funzionamento elevate. Il modello RACPRO1-T960/24 da 960 W è in grado di erogare l'intera potenza in uscita fino a +60 °C, mentre il modello RACPRO1-T240/24 da 240 W ha un'estensione leggermente superiore fino a +70 °C.

Le alte temperature non sono l'unica preoccupazione; molti sistemi, come le apparecchiature HVAC per esterni, sono soggetti anche a freddo estremo. Per rispondere a questa esigenza, gli alimentatori RACPRO1 sono classificati per funzionare anche a -40 °C.

Prestazioni e caratteristiche elettriche

Un alimentatore per ambienti industriali non deve limitarsi a fornire il valore nominale di tensione su un intervallo di tensioni di ingresso e di carichi. Altri attributi richiesti sono l'alta immunità alle tensioni di ritorno, l'immunità estesa ai picchi transitori e la capacità di incremento della potenza:

• Quando si eroga o si toglie potenza a un carico non resistivo, come un motore, può verificarsi un riflusso (detto anche "backfeeding") nell'uscita dell'alimentatore. L'immunità alla tensione di ritorno è la capacità di resistere alla tensione di riflusso. Negli alimentatori RACPRO1, l'uscita a 24 V ha un'immunità alla tensione di ritorno fino a 35 V, mentre l'uscita a 48 V ha un'immunità fino a 63 V.
• Per i picchi transitori sulle linee elettriche, queste unità sono dotate di un'immunità estesa alle sovratensioni fino a 6 kV, come definito dagli standard industriali e normativi applicabili.
• Questi alimentatori sono in grado di fornire una capacità di incremento della potenza per gestire carichi che richiedono brevemente una potenza superiore a quella nominale. Ad esempio, il modello RACPRO1-T960/24 ad alta potenza può incrementare la potenza al 150% per 6 secondi, eliminando così molte interruzioni dovute a condizioni di carico transitorio.

Un'altra caratteristica intuitiva delle unità RACPRO1 da 480 W e 960 W è una semplice linea verticale di LED (Figura 3) che indica la percentuale della corrente di uscita nominale erogata dall'alimentatore.

Figura 3: I moduli RACPRO1 da 480 W e 960 W sono dotati di un comodo indicatore che mostra la percentuale della corrente di uscita nominale erogata dall'alimentatore. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Affidabilità tramite analisi, progettazione e valutazione

Ogni applicazione richiede affidabilità. Per le unità RACPRO1, l'alta efficienza riduce la dissipazione di calore, migliorando così l'affidabilità dei componenti. Inoltre, la serie RACPRO1 è stata progettata per garantire le massime prestazioni e la massima efficienza, tenendo conto di parametri chiave quali prestazioni termiche, MTBF e caratteristiche di protezione integrate. Inoltre, le caratteristiche di protezione integrate, come la protezione da sovratensione, da cortocircuito e mediante circuito di arresto termico, migliorano la durata e assicurano il funzionamento continuo in ambienti industriali difficili.

Per convalidare l'affidabilità a lungo termine, RECOM sottopone ogni modello a rigorosi test di durata, quali simulazioni di sollecitazioni prolungate, test di urti e vibrazioni e valutazioni di resistenza alle alte temperature. La modellazione, l'analisi e i test indicano che la durata prevista di questi alimentatori è di circa 80.000 ore a +40 °C nella condizione di massimo stress, a pieno carico.

Tuttavia, ci sono applicazioni in cui anche un guasto raro, dovuto a fattori interni o esterni, è inaccettabile. Per queste applicazioni, i modelli RACPRO1-T480/24 e -T960/24 consentono il collegamento in parallelo di due o più unità per assicurare la ridondanza o l'incremento della capacità di uscita (Figura 4).

Figura 4: I modelli RACPRO1-T480/24 e RACPRO1-T960/24 possono essere utilizzati in parallelo per fornire una ridondanza di backup o incrementare la corrente di uscita. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Questa disposizione garantisce la ridondanza e supporta anche la condivisione del carico, con entrambi gli alimentatori che distribuiscono l'energia in modo uniforme. Queste caratteristiche prevengono i tempi di inattività del sistema e mantengono stabile l'alimentazione negli ambienti di automazione industriale e in altre operazioni in cui le interruzioni possono avere un forte impatto sulla produttività e sulla sicurezza. Inoltre, le caratteristiche di uscita a tensione costante/corrente costante (CV/CC) ben definite di questi alimentatori consentono di caricare la batteria per un ulteriore backup.

Soddisfare i requisiti normativi

Gli alimentatori, come altri prodotti elettronici, sono soggetti a numerosi requisiti normativi. Alcuni di questi riguardano aspetti operativi come il fattore di potenza (superiore a 0,9 per questi alimentatori), le interferenze elettromagnetiche (EMI), l'efficienza a diversi livelli di potenza e la dissipazione di potenza in assenza di carico. Altri requisiti sono legati alla sicurezza.

Tra le numerose certificazioni di prestazioni elettriche, questi alimentatori sono conformi agli standard EN 61000-6-4 Classe B (emissioni) e EN 61000-6-2 (immunità). Questi prodotti sono certificati secondo gli standard di sicurezza globali IEC/EN/UL 62368-1, IEC/EN/UL 61010-1 e IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201.

Aggiungere un fusibile, per ogni evenienza

Date le numerose caratteristiche di protezione di questi alimentatori, un fusibile che intervenga in risposta a una forte sovracorrente potrebbe sembrare superfluo. Potrebbe essere vero, ma anche laddove gli standard elettrici in vigore al momento dell'installazione non dovessero imporlo, l'installazione di un fusibile potrebbe comunque essere opportuna per ogni evenienza.

Per soddisfare questa esigenza, la serie RACPRO1 è supportata dal modulo fusibile elettronico per guida DIN RACPRO1-4SP/24V/5A (Figura 5), pienamente approvato per l'uso in sostituzione di un fusibile termico convenzionale o di un interruttore automatico. Si noti che questa unità può essere utilizzata con qualsiasi alimentatore, non solo con la famiglia RACPRO1.

Il modello RACPRO1-4SP/24V/5A è compatto, con dimensioni di 110,2 × 72,0 × 61,9 mm, e funziona come elemento di monitoraggio collegato al rail c.c. principale. Questo modulo da 5 A (è disponibile anche una versione da 10 A) distribuisce 24 V_c.c. a quattro canali di carico controllati separatamente con controllo indipendente del limite di sovracorrente e indicazione della corrente di uscita in tempo reale.

Figura 5: Il modulo fusibile elettronico per guida DIN RACPRO1-4SP/24V/5A è dotato di quattro fusibili elettronici indipendenti da 5 A ciascuno. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

I canali si attivano in sequenza per ridurre la corrente di inserzione in ingresso con un ritardo temporale preimpostabile. In condizioni di sovraccarico del sistema, i canali scollegano i carichi in sequenza inversa, mantenendo attive le funzioni essenziali fino alla fine. Sebbene i canali possano essere collegati dal punto di vista operativo, ciascun canale può essere attivato o disattivato in modo indipendente per facilitare la diagnostica dei guasti e la manutenzione.

Il modulo fusibile elettronico è molto più di un semplice sostituto del classico fusibile termico che interviene in caso di sovracorrente. È controllato da circuiti logici interni per proteggere e dare priorità ai carichi e agli alimentatori, rilevando le condizioni di sovracorrente, sottotensione e sovratensione e reagendo ad esse in modo dinamico.

Ogni canale è protetto in modo indipendente, per cui condizioni di sovraccarico o di guasto su un singolo carico non influiscono sull'affidabilità o sulla funzionalità complessiva del sistema. Oltre alla corrente massima di base del canale di 5 A, il modulo fornisce un incremento della potenza del 150% per 5 s e può gestire un sovraccarico di oltre il 150% per un massimo di 100 ms per evitare falsi interventi. Si tratta di considerazioni importanti negli impianti industriali, dove le variazioni di carico, gli stalli del motore, i picchi di corrente all'avvio e altri eventi di disturbo sono previsti e inevitabili.

Come ulteriore funzione di risoluzione dei problemi, ogni canale è dotato di una barra LED per l'indicazione dello stato (Figura 6), che mostra lo stato della corrente di uscita che passa da verde a giallo (corrente entro il limite), ad arancione (corrente al limite), a rosso (sovracorrente o cortocircuito).

Figura 6: Ciascuno dei quattro fusibili elettronici è dotato di un indicatore a stringa di LED multicolore che mostra in tempo reale una quantità significativa di informazioni sullo stato del canale. (Immagine per gentile concessione di RECOM Power)

Come complemento agli alimentatori RACPRO1, questi fusibili elettronici hanno una durata superiore alle 80.000 ore a +40 °C e sono facili da cablare senza attrezzi grazie ai terminali a innesto e al rilascio a leva.

Conclusione

Gli alimentatori per applicazioni industriali devono fornire in modo affidabile ed efficiente c.c. a bassa tensione da una rete c.a. a tensione più elevata o da un rail c.c. in un fattore di forma compatto. I moduli RACPRO1 per montaggio su guida DIN di RECOM Power soddisfano questi requisiti, semplificando al contempo l'installazione e la manutenzione. Il modulo fusibile elettronico complementare a quattro canali fornisce canali indipendenti, che possono però essere collegati per un funzionamento più efficace e per il rilevamento e la gestione migliori dei guasti.

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