Seleção e uso de fontes de alimentação CA/CC para automação de fábrica

A mudança para a automação da fábrica está se acelerando com a aplicação da Internet Industrial das Coisas (IIoT) e das tecnologias da Fábrica 4.0. Fontes de alimentação robustas são a infraestrutura fundamental para essas tecnologias. Isso faz com que seja fundamental que os projetistas possam implementar rapidamente fontes de alimentação confiáveis que suportem uma variedade de níveis de tensão para atender às necessidades dos equipamentos de automação, rede, teste e medição das instalações de fabricação.

Para atender a essa necessidade, os projetistas podem construir eles mesmos as fontes de alimentação, o que pode ser caro e demorado, ou encontrar soluções prontamente disponíveis adequadas para a tarefa e dentro de suas restrições orçamentárias. Qualquer uma das soluções deve aderir aos padrões de segurança e conformidade eletromagnética (EMC) e atender às normas de interferência eletromagnética (EMI). Além disso, as fontes de alimentação de automação de fábrica devem ter recursos de proteção para torná-las adequadas para ambientes industriais.

Este artigo discute brevemente os requisitos de uma fonte de alimentação CA/CC para aplicações de automação de fábrica e descreve os critérios críticos de desempenho e de seleção de fator de forma. Em seguida, ele apresenta as fontes de alimentação em trilho DIN da RECOM Power como exemplos de unidades prontas para implantação.

Fontes de alimentação para automação de fábrica

A automação da fábrica também inclui equipamentos de rede e ferramentas de teste e medição, e depende muito de energia robusta e confiável. Os requisitos da fonte de alimentação variam de acordo com a aplicação e o equipamento. Uma solução típica converte uma tensão CA da rede elétrica (90 V_CA a 264 V_CA, com pequenas variações entre os países) em uma tensão CC. Os requisitos de saída variam, pois o equipamento de automação da fábrica funciona com várias tensões CC padrão, incluindo 12 V, 15 V, 24 V e 48 V.

Além da conformidade certificada com a segurança relevante e outras regulamentações, as soluções modulares são normalmente projetadas tendo em mente a densidade e a eficiência energética. Elas atendem a uma variedade de tensões padrão e requisitos de corrente e são fabricadas para alta confiabilidade e longevidade.

As fontes de alimentação modulares comerciais para automação de fábrica incluem opções para se adequar ao popular sistema de trilho DIN para facilitar a implantação. Esse sistema funciona com larguras padrão universais e formas de hardware de montagem. Com o sistema de trilho DIN, os instaladores têm a garantia de consistência dimensional em um conjunto de produtos, incluindo fontes de alimentação, independentemente do fabricante.

Essa compatibilidade entre marcas oferece aos usuários de sistemas de trilhos DIN a flexibilidade de misturar e combinar componentes (Figura 1).

Figura 1: Os trilhos DIN simplificam a implementação da fonte de alimentação e permitem a mistura e a combinação de componentes. (Fonte da imagem: RECOM Power)

Fontes de alimentação econômicas em trilho DIN

As infraestruturas de automação de fábrica usam várias fontes de alimentação, o que faz com que os custos aumentem rapidamente. A série REDIIN120 da RECOM Power de fontes de alimentação CA/CC em trilho DIN de 120 W (Figura 2) foi projetada para minimizar o custo e, ao mesmo tempo, permanecer compacta e confiável. Cada unidade mede 123,6 x 30,0 x 116,8 milímetros (mm).

Figura 2: A série REDIIN120 de fontes de alimentação em trilho DIN de 120 W mede 123,6 x 30,0 x 116,8 milímetros (mm). (Fonte da imagem: RECOM Power)

As fontes de alimentação REDIIN120 CA/CC resfriadas por convecção podem operar com potência total em uma faixa de temperatura de -30°C a +50°C. Esses produtos são certificados de acordo com as normas de segurança IEC 62368-1, IEC 61010-1 e IEC 61010-2-201.

As emissões eletromagnéticas radiadas e conduzidas das fontes de alimentação estão em conformidade com o padrão de imunidade EN 61000-6-2 e com o padrão de emissão industrial pesada EN 61000-6-4 Classe B. As unidades também estão em conformidade com os requisitos de proteção ambiental de acordo com a diretiva RoHS.

A série REDIIN120 é composta por três modelos, cada um operando com uma entrada de 90 V_CA a 264 V_CA e diferindo apenas na tensão de saída. O REDIIN120-12 tem uma saída nominal de 12 V que é ajustável de 10,8 V a 13,2 V. O REDIIN120-24 tem uma saída nominal de 24 V que é ajustável de 21,6 V a 26,4 V. O REDIIN120-48 tem uma saída de 48 V que é ajustável de 43,2 V a 52,8 V. As correntes máximas de saída são 10 A, 5 A e 2,5 A, respectivamente.

As fontes de alimentação operam com uma eficiência máxima entre 86% e 89,5%, dependendo da unidade (Figura 3), e têm um consumo de potência sem carga de 150 miliwatts (mW) para as versões de 12 V e 24 V e 210 mW para a versão de 48 V.

Figura 3: É mostrada a eficiência em relação à carga de saída da fonte de alimentação REDIIN120-24. (Fonte da imagem: RECOM Power)

As fontes de alimentação podem operar no modo de corrente constante, tornando a série adequada para cargas indutivas e capacitivas, como motores, solenoides e relés. A carga capacitiva máxima na partida é de 8 milifarads (mF) para as unidades de 12 V e 24 V, e de 3 mF para a unidade de 48 V.

As fontes de alimentação REDIIN120 apresentam proteção abrangente contra sobrecorrente (OCP), proteção contra sobretensão (OVP) e proteção contra temperatura excessiva (OTP) (Figura 4). As tensões que excedem 17,4 V_CC para a unidade de 12 V, 33,6 V_CC para a unidade de 24 V e 64,8 V_CC para a unidade de 48 V geram uma condição de desligamento por bloqueio.

Figura 4: A série REDIIN120 tem proteção abrangente. As tensões que excedem 17,4 V_CC para a unidade de 12 V, 33,6 V_CC para a unidade de 24 V e 64,8 V_CC para a unidade de 48 V geram uma condição de desligamento por bloqueio. (Fonte da imagem: RECOM Power)

Não existe uma variante de 15 V na família REDIIN. Entretanto, a RECOM Power oferece o conversor CA/CC RACM15E-15SK/PMAD-CTN para operação em 15 V (Figura 5). Essa unidade montada em trilho DIN fornece uma saída de 15 V, 1 A a partir de uma entrada CA de 80 V a 275 V ou de uma entrada CC de 370 V. A potência máxima de saída é de 15 W, e sua eficiência em plena carga é de 85%. As unidades têm certificações internacionais de segurança e de EMI para padrões médicos, domésticos, industriais e de transformadores de segurança.

Figura 5: O RACM15E-15SK/PMAD-CTN é um conversor CA/CC de 15 V e 15 W montado em trilho DIN para automação de fábrica. (Fonte da imagem: RECOM Power)

Considerações de projeto para fontes de alimentação em trilho DIN

Além dos requisitos de segurança, EMC e EMI, os projetistas precisam considerar outros parâmetros críticos para garantir que as fontes de alimentação CA/CC de fábrica possam operar sem falhas por longos períodos.

Por exemplo, limitar a temperatura de operação abaixo do dimensionamento máximo da fonte de alimentação é essencial para evitar problemas. As altas temperaturas de operação podem reduzir o desempenho e, ao mesmo tempo, reduzir a vida útil e aumentar o risco de operação incorreta e falhas. As baixas temperaturas também podem causar problemas de desempenho, incluindo o aumento da ondulação da tensão de saída e a má regulagem da saída. Além disso, as alterações nas características elétricas em baixas temperaturas podem resultar em falha na partida.

Os fabricantes geralmente recomendam a degradação da fonte de alimentação acima de um limite de temperatura, e as unidades da série REDIIN120 também incluem um corte de segurança acima de uma temperatura operacional máxima. A curva de degradação para a fonte de alimentação CA/CC REDIIN120-24 de 120 W (Figura 6) indica uma redução na potência de saída acima de +40°C para entradas de 100 V_CA e 115 V_CA, e acima de +50°C para uma entrada de 230 V_CA. A operação acima de +70°C dispara um corte.

Figura 6: A curva de degradação para a fonte de alimentação CA/CC REDIIN120-24 de 120 W indica uma redução na potência de saída acima de +40°C para entradas de +100 V_CA e 115 V_CA, e acima de +50°C para uma entrada de 230 V_CA. A operação acima de +70°C dispara um corte. (Fonte da imagem: RECOM Power)

Outra consideração é o comprimento do cabo. Cabos de força excessivamente longos podem incorrer em perdas resistivas que resultam em tensão reduzida na carga abaixo dos limites permitidos. Aumentar a bitola do fio ou a tensão de saída e usar a regulagem local de CC/CC no ponto de carga (PoL) pode superar as perdas de cabos.

O tipo de carga também deve ser considerado. O fornecimento de energia a cargas capacitivas ou indutivas pode ser um desafio. Cargas indutivas, como motores, solenoides e relés, podem causar picos de alta tensão. Alimentar cargas capacitivas pode reduzir a resposta de carga dinâmica da fonte de alimentação ou levar à instabilidade e ao aumento da ondulação de saída. Os projetistas devem considerar cuidadosamente os tipos de cargas que a aplicação exige ao selecionar a fonte de alimentação para garantir que ela seja capaz de lidar com isso. As unidades REDIIN120, por exemplo, oferecem um modo de corrente constante, tornando a série adequada para cargas indutivas e capacitivas.

Por fim, a OCP de saída é importante para minimizar os efeitos de ciclos perdidos e quedas de energia. As técnicas típicas para proteger a fonte de alimentação incluem a limitação da corrente a um valor definido, reduzindo progressivamente a corrente para um valor seguro conforme a carga aumenta ou a proteção de ‘hiccup’, em que a saída é desligada e ligada novamente após um atraso. Se a condição de sobrecorrente ainda existir, o ciclo de hiccup será repetido. Os produtos REDIIN120 apresentam proteção de hiccup.

Por exemplo, a fonte de alimentação CA/CC REDIIN120-24 de 120 W opera em um modo de tensão constante dentro de sua faixa de carga dimensionada (Figura 7). Para a OCP de saída, ao exceder o dimensionamento de corrente máxima em 105% a 150% de seu valor nominal, a unidade entra em um modo de corrente limitada, que leva a tensão de saída a aproximadamente 80% do ponto de ajuste nominal. O aumento da carga faz com que a fonte de alimentação entre em um modo hiccup com reinicialização automática.

Figura 7: A fonte de alimentação CA/CC REDIIN120-24 de 120 W opera em um modo de tensão constante dentro de sua faixa de carga dimensionada. Para a OCP de saída, ao exceder o dimensionamento de corrente máxima em 105% a 150% de seu valor nominal, a unidade entra em um modo de corrente limitada, que leva a tensão de saída a aproximadamente 80% do ponto de ajuste nominal. O aumento da carga faz com que a fonte de alimentação entre em um modo hiccup com reinicialização automática. (Fonte da imagem: RECOM Power)

Conclusão

As fontes de alimentação modulares comerciais montadas em trilho DIN da RECOM oferecem soluções econômicas, compactas, confiáveis e fáceis de implantar para automação de fábrica. As unidades são pré-certificadas de acordo com as normas obrigatórias e são fornecidas com uma variedade de saídas padrão de tensão e corrente CC. As fontes de alimentação oferecem uma série de recursos de segurança, e há opções disponíveis para alimentar cargas capacitivas e indutivas.