Эти проблемы можно решить, тщательно выбирая доступные источники питания для DIN-рейки и предохранители, специально разработанные для таких применений.
В этой статье представлен краткий обзор проблем, связанных с внедрением таких источников питания. Затем в ней описывается линейка источников питания переменного/постоянного тока и постоянного/постоянного тока для DIN-рейки, а также соответствующий предохранитель от компании RECOM Power, которые надежно и безопасно обеспечивают подачу постоянного тока промышленного класса.

Проблемы промышленных источников питания:
Источники питания для промышленного применения должны быть компактными, принимать широкий диапазон высоковольтных трехфазных входных сигналов переменного или постоянного тока, обладать высокой эффективностью, соответствовать многочисленным нормативным требованиям, поддерживать параллельную работу для резервирования и обеспечивать надежную защиту пользователя и системы. Они также должны соответствовать техническим характеристикам в широком диапазоне температур с использованием только пассивного охлаждения, демонстрировать общую надежность с высоким средним временем безотказной работы (MTBF) и быть экономически эффективными в реализации и обслуживании.
Требования этих приложений исключают возможность разработки индивидуальных решений и форм-факторов, отдавая предпочтение источникам питания и предохранителям, монтируемым на DIN-рейку. Задача теперь состоит в тщательном выборе для оптимизации применения.

Источники питания: начнем с корпуса.
Роль источников питания в обеспечении целостности системы часто недооценивается. Их проектирование начинается с корпуса, который влияет на электрические, механические и тепловые характеристики в промышленных условиях. Поэтому почти во всех случаях промышленные источники питания проектируются для стандартного монтажа на DIN-рейку (рис. 1).

Рисунок 1: Промышленный шкаф с широким ассортиментом модулей, установленных на DIN-рейках, обеспечивает удобную установку и извлечение модулей с передней панели, а также легкий доступ к проводке. (Источник изображения: Hackaday)

Направляющая крепится к задней панели шкафа или корпуса оборудования. На этой направляющей устанавливаются все электрические модули, такие как приводы двигателей, контроллеры контуров, источники питания, сигнальные интерфейсы, подсистемы безопасности и коммуникационные интерфейсы, а все силовые и сигнальные соединения доступны с передней стороны.

Использование DIN-рейки резко контрастирует с 19-дюймовой стойкой, которая имеет передние и задние разъемы для модулей. Такая стойка широко используется в лабораторном оборудовании и системах контроля/измерения. DIN-рейка более удобна и практична, поскольку пространство в шкафу часто ограничено из-за количества модулей, которые необходимо вместить.

Многие источники питания переменного/постоянного тока в промышленных приложениях работают от трехфазной сети переменного тока напряжением от 320 до 575 В и должны обеспечивать чистое, стабильное напряжение, устойчивое к переходам на 24 или 48 В постоянного тока для таких нагрузок, как контроллеры двигателей. Кроме того, во многих приложениях теперь требуется работа от высоковольтного источника постоянного тока напряжением от 430 до 815 В. Использование источника постоянного тока хорошо подходит для автоматизации производства на основе микросетей, а также для решений в области возобновляемой энергетики, включая биогазовые установки, фотоэлектрические системы и ветроэнергетику.

Для удовлетворения высоких требований к мощности в промышленных системах монтажа на DIN-рейку разработчики могут использовать RACPRO1 от RECOM Power
Например, RACPRO1-T240/24, RACPRO1-T480/24 и RACPRO1-T960/24 (рис. 2, слева направо) обеспечивают мощность 240 Вт, 480 Вт и 960 Вт соответственно при выходном напряжении 24 В. Также доступны версии с выходным напряжением 48 В, но в остальном они идентичны. Кроме того, номинальное выходное напряжение этих источников питания может быть отрегулировано с 24 В до 28 В и с 48 В до 56 В.

Рисунок 2: Компактные блоки питания для DIN-рейки RACPRO1-T240/24 (слева), RACPRO1-T480/24 (в центре) и RACPRO1-T960/24 (справа) обеспечивают мощность 240 Вт, 480 Вт и 960 Вт соответственно. (Источник изображения: RECOM Power)

Ключевой особенностью этих модулей является их компактный форм-фактор. В частности, ширина каждого блока питания составляет 43 мм, 52 мм и 80 мм (1,69", 2,05" и 3,15") соответственно. Высота всех трех модулей составляет 135 мм (5,31"), а их глубина варьируется в зависимости от модели, составляя от 140 мм до 156 мм (5,51" до 6,14"). Важной особенностью для монтажников и технических специалистов является то, что модули разработаны для быстрой, простой и безинструментальной установки и демонтажа с использованием зажимных клемм с защелкивающимися разъемами +25°.
Высокая эффективность серии RACPRO1 снижает эксплуатационные расходы и тепловыделение блока питания. Следовательно, для рассеивания тепла требуется меньший радиатор и меньшая площадь поверхности.

Эти блоки питания не требуют принудительного воздушного охлаждения с помощью вентиляторов или других активных систем; они спроектированы для охлаждения исключительно за счет естественной конвекции, что является еще одним преимуществом в промышленных условиях. Каждый модуль включает в себя два отдельных канала для циркуляции воздуха, чтобы максимально использовать «эффект дымовой трубы» для охлаждения.

Компактные размеры и высокая эффективность этой серии достигаются благодаря продуманной конструкции и выбору компонентов. Блок питания RACPRO1-T960/24 обладает КПД 96%, в то время как блоки RACPRO1-T240/24 и RACPRO1-T480/24 достигают КПД 94,1% и 95% соответственно. Кроме того, несмотря на мощность в сотни ватт, эти блоки питания потребляют всего около 1 Вт в режиме холостого хода.
Эффективность и возможности охлаждения этих блоков питания позволяют им работать при высоких температурах. 960-ваттный RACPRO1-T960/24 может выдавать полную номинальную мощность до +60°C, а 240-ваттный RACPRO1-T240/24 имеет немного больший диапазон рабочих температур — до +70°C.
Высокие температуры — не единственная проблема; многие системы, такие как наружные блоки кондиционирования воздуха, также подвержены воздействию экстремально низких температур. Для удовлетворения этой потребности блоки питания RACPRO1 сертифицированы для работы при температуре -40 °C.

Электрические характеристики и особенности:
Источник питания для промышленных условий должен обеспечивать не только номинальное напряжение в широком диапазоне входных напряжений и нагрузок. К необходимым характеристикам относятся высокая устойчивость к обратному напряжению, расширенная устойчивость к скачкам напряжения и возможность повышения мощности.
При включении или отключении нерезистивной нагрузки, такой как двигатель, на выходе источника питания может возникать обратный ток (также называемый обратной связью). Устойчивость к обратному напряжению — это способность выдерживать это обратное напряжение. В источниках питания RACPRO1 выходное напряжение 24 В имеет устойчивость к обратному напряжению 35 В, а выходное напряжение 48 В — 63 В.
Что касается скачков напряжения, эти устройства обладают расширенной устойчивостью к скачкам напряжения до 6 кВ, как это определено применимыми отраслевыми и нормативными стандартами.
Эти источники питания обеспечивают возможность повышения мощности для нагрузок, которые кратковременно требуют большей мощности, чем номинальная выходная мощность. Например, мощный RACPRO1-T960/24 может увеличить мощность до 150% в течение 6 секунд, устраняя многие перебои, вызванные переходными процессами нагрузки.
Еще одна удобная для пользователя функция блоков RACPRO1 мощностью 480 Вт и 960 Вт — это простая вертикальная светодиодная индикация (рис. 3), которая показывает процент номинальной выходной мощности, выдаваемой блоком питания.

Рисунок 3: Модули RACPRO1 мощностью 480 Вт и 960 Вт оснащены удобным индикатором, отображающим процент номинальной выходной мощности, выдаваемой блоком питания. (Источник изображения: RECOM Power)

Надежность достигается за счет анализа, проектирования и оценки.
Надежность необходима во всех областях применения. В случае блоков RACPRO1 высокая эффективность снижает тепловыделение, повышая надежность компонентов. Кроме того, серия RACPRO1 разработана для обеспечения максимальной производительности и эффективности, учитывая такие ключевые показатели, как тепловые характеристики, среднее время безотказной работы (MTBF) и встроенные функции защиты. Эти встроенные функции защиты, включая защиту от перенапряжения, короткого замыкания и перегрева, повышают долговечность и обеспечивают непрерывную работу в суровых промышленных условиях.

Для подтверждения долгосрочной надежности компания RECOM подвергает каждую модель строгим испытаниям на долговечность, включая моделирование длительных нагрузок, испытания на удар и вибрацию, а также оценку устойчивости к высоким температурам. Моделирование, анализ и тестирование показывают, что срок службы этих источников питания составляет приблизительно 80 000 часов при температуре 40°C в самых экстремальных условиях полной нагрузки.
Однако существуют области применения, где даже редкие отказы, будь то из-за внутренних или внешних факторов, недопустимы. Для таких применений модели RACPRO1-T480/24 и -T960/24 позволяют параллельно подключать два или более блоков для обеспечения резервирования или увеличения выходной мощности (рис. 4).

Рисунок 4: Модели RACPRO1-T480/24 и RACPRO1-T960/24 могут использоваться параллельно для обеспечения резервирования или увеличения номинальной выходной мощности. (Источник изображения: RECOM Power).

Такая конфигурация обеспечивает резервирование и поддерживает распределение нагрузки, поскольку оба источника питания равномерно распределяют мощность. Эти особенности предотвращают простои системы и поддерживают стабильное электропитание в условиях промышленной автоматизации и других производственных процессов, где перебои могут повлиять на производительность и безопасность. Кроме того, четко определенные характеристики выходного напряжения/постоянного тока (CV/CC) этих источников питания позволяют осуществлять зарядку батарей для дополнительного резервного питания.

Соответствие нормативным требованиям:
Источники питания, как и другие электронные изделия, подлежат многочисленным нормативным требованиям. Некоторые из них касаются эксплуатационных аспектов, таких как коэффициент мощности (выше 0,9 для этих источников питания), электромагнитные помехи (ЭМП), эффективность на разных уровнях мощности и рассеиваемая мощность в режиме холостого хода. Другие требования касаются безопасности.
Среди многочисленных сертификатов электрических характеристик эти источники питания соответствуют стандартам EN 61000-6-4 Класс B (излучение) и EN 61000-6-2 (устойчивость к помехам). Устройства также сертифицированы в соответствии с международными стандартами безопасности IEC/EN/UL 62368-1, IEC/EN/UL 61010-1 и IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201.

Добавьте предохранитель на всякий случай.
Учитывая многочисленные защитные функции этих источников питания, предохранитель, срабатывающий при сильном перегрузочном токе, может показаться излишним. Возможно, это и так, но разработчики могут захотеть установить его на всякий случай, или, что более вероятно, это может быть требованием электротехнических норм, действующих на момент установки.
Для удовлетворения этой потребности в серии RACPRO1 используется электронный предохранитель (e-fuse) RACPRO1-4SP/24V/5A для установки на DIN-рейку (рис. 5), который полностью одобрен для использования вместо обычного термопредохранителя или автоматического выключателя. Обратите внимание, что это устройство можно использовать с любым источником питания, а не только с семейством RACPRO1.

Модуль RACPRO1-4SP/24V/5A имеет компактные размеры 110,2 мм × 72,0 мм × 61,9 мм (4,34" × 2,83" × 2,44") и функционирует как контрольный элемент, подключенный к основной шине постоянного тока. Этот модуль на 5 А (также доступна версия на 10 А) распределяет 24 В постоянного тока на четыре отдельно управляемых канала нагрузки с независимым контролем ограничения перегрузки по току и индикацией выходного тока в реальном времени.

Рисунок 5: Электронный модуль предохранителей RACPRO1-4SP/24V/5A для установки на DIN-рейку имеет четыре независимых электронных предохранителя, каждый из которых рассчитан на 5 А. (Источник изображения: RECOM Power)

Каналы активируются последовательно для снижения пускового тока с заданной задержкой. В условиях перегрузки системы каналы отключают нагрузки в обратном порядке, поддерживая работу основных функций до конца. Хотя каналы могут быть связаны между собой, каждый канал может быть активирован или деактивирован независимо для облегчения диагностики неисправностей или технического обслуживания.
Электронный модуль предохранителей — это гораздо больше, чем просто замена классического теплового предохранителя, срабатывающего при перегрузке по току. Он управляется внутренними логическими схемами для защиты и приоритизации нагрузок и источников питания, динамически обнаруживая и реагируя на перегрузки по току, пониженное и повышенное напряжение.

Каждый канал защищен независимо, поэтому перегрузка или отказ отдельной нагрузки не влияют на общую надежность или функциональность системы. В дополнение к базовому максимальному току 5 А на канал, модуль обеспечивает повышение мощности на 150% в течение 5 секунд и может выдерживать перегрузку более 150% в течение до 100 мс, предотвращая нежелательные срабатывания. Все это важно учитывать в промышленных установках, где изменения нагрузки, остановка двигателей, скачки пускового тока и другие сбои предсказуемы и неизбежны.

В качестве дополнительной функции для устранения неполадок каждый канал оснащен светодиодной шкалой, отображающей его состояние (рис. 6). На ней отображается состояние выходного тока, изменяющееся от зеленого к желтому (ток в пределах нормы), к оранжевому (ток в пределах нормы) и к красному (перегрузка по току или короткое замыкание).

Рисунок 6: Каждый из четырех электронных предохранителей имеет многоцветную светодиодную индикаторную полосу, которая быстро передает большой объем информации о состоянии канала. (Источник изображения: RECOMM Power)

В дополнение к блокам питания RACPRO1, эти электронные предохранители также имеют расчетный срок службы более 80 000 часов при температуре +40°C и отличаются простой проводкой с клеммами, устанавливаемыми без использования инструментов, и рычагом для их извлечения.

Заключение:
Источники питания для промышленного применения должны надежно и эффективно подавать низковольтный постоянный ток из высоковольтных сетей переменного тока или шины постоянного тока в компактном формате. Модули RACPRO1 от RECOM Power для монтажа на DIN-рейку отвечают этим требованиям и упрощают установку и техническое обслуживание. Дополнительный четырехканальный электронный модуль предохранителей обеспечивает независимые каналы, а также позволяет соединять их между собой для более эффективной работы и улучшения обнаружения и устранения неисправностей.

Автор: Билл Швейбер, предоставлено североамериканским редактором DigiKey .