Verwendung platzsparender AC/DC-Hutschienennetzteile und E-Sicherungen zur zuverlässigen Bereitstellung von Gleichstrom für die Industrie

Entwickler oder Planer von AC/DC-Stromversorgungen für die Industrie-, Fabrik-, Gebäude- und Prozessautomatisierung, die Stromerzeugung und -verteilung, die Infrastruktur sowie für Daten- und Telekommunikationsanwendungen stehen vor zahlreichen Herausforderungen in den Bereichen Elektrik, Physik, Bereitstellung, Wartung, Sicherheit und Einhaltung von Vorschriften. Diese Herausforderungen können durch die sorgfältige Auswahl von leicht erhältlichen Hutschienennetzteilen und speziell für diese Anwendungen entwickelten Sicherungen bewältigt werden.

Dieser Artikel gibt einen kurzen Überblick über die Herausforderungen, die beim Einsatz dieser Stromversorgungen auftreten. Anschließend wird eine Reihe von AC/DC- und DC/DC-Netzteilen für die Hutschiene (auch DIN-Schiene) sowie eine entsprechende Sicherung von RECOM Power vorgestellt, die zuverlässig und sicher Gleichstrom in Industriequalität liefern.

Die Herausforderungen der industriellen Energieversorgung

Stromversorgungen für industrielle Anwendungen müssen kompakt sein, ein breites Spektrum an Dreiphasen-Wechselstrom- oder Hochspannungs-Gleichstrom-Eingängen akzeptieren, hocheffizient sein, zahlreiche gesetzliche Vorschriften erfüllen, Parallelbetrieb für Redundanz unterstützen und robusten Benutzer- und Systemschutz bieten. Sie müssen außerdem Leistungsspezifikationen über einen breiten Temperaturbereich hinweg erfüllen, während sie ausschließlich passive Kühlung verwenden, eine hohe Gesamtrobustheit mit einer hohen mittleren Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF) aufweisen und kostengünstig in der Bereitstellung und Wartung sein.

Die Anforderungen dieser Anwendungen schließen kundenspezifische Designs und Formfaktoren aus und begünstigen hutschienenmontierbare Netzteile und Sicherungen. Die Herausforderung besteht nun in der sorgfältigen Auswahl zur Optimierung für die jeweilige Anwendung.

Stromversorgungen: Es beginnt mit dem Gehäuse

Die kritische Rolle, die Netzteile für die Systemintegrität spielen, wird oft unterschätzt. Ihr Design beginnt bei dem Gehäuse, das die elektrische, mechanische und thermische Performance in industriellen Umgebungen beeinflusst. Aus diesem Grund sind Industrienetzteile in fast allen Fällen für die Standard-Hutschienenmontage ausgelegt (Abbildung 1).

Abbildung 1: Ein Industrieschaltschrank mit einer Vielzahl von Modultypen, die auf Hutschienen montiert sind, ermöglicht die bequeme Montage und Demontage von Modulen an der Vorderseite sowie einen einfachen Zugang zur Verkabelung. (Bildquelle: Hackaday)

Die Schiene wird an der Rückwand des Geräteschranks oder -gehäuses befestigt. Alle elektrischen Module, wie z. B. Motorantriebe, Regelkreise, Leistungs- und Signalschnittstellen, Sicherheits-Subsysteme und Kommunikationsschnittstellen, werden auf dieser Schiene montiert, wobei alle Leistungs- und Signalanschlüsse von vorne zugänglich sind.

Das Konzept der Hutschiene steht in scharfem Kontrast zum 19"-Rack mit Anschlüssen an der Vorder- und Rückseite für Module. Dieses Rack wird häufig für die Instrumentierung von Laboren und Test-/Messsystemen verwendet. Die Hutschiene ist bequemer und praktischer, da der Platz in den Schränken aufgrund der Anzahl der darin unterzubringenden Module oft knapp bemessen ist.

Viele AC/DC-Netzteile in industriellen Anwendungen arbeiten mit einem dreiphasigen, 320 V_AC bis 575 V_AC Netzeingang und müssen saubere, stabile, transientenfeste 24 V_DC oder 48 V_DC an Lasten wie Motorsteuerungen liefern. Darüber hinaus erfordern viele Anwendungen heute den Betrieb mit einer Hochspannungs-Gleichstromquelle von 430 V bis 815 V. Die Verwendung einer Gleichstromquelle eignet sich gut für Microgrid-basierte Fabrikautomatisierungsanwendungen und für Lösungen im Bereich der erneuerbaren Energien, einschließlich Biogas-, Photovoltaik- und Windanlagen.

Um die anspruchsvollen Anforderungen an die Stromversorgung industrieller Anwendungen mit Hutschienenmontage zu erfüllen, können Entwickler die dreiphasigen AC/DC-Netzteile der Familie RACPRO1 von RECOM Power einsetzen. Diese können auch mit Hochspannungs-Gleichstromeingängen verwendet werden.

Die Modelle RACPRO1-T240/24, RACPRO1-T480/24 und RACPRO1-T960/24 (Abbildung 2, von links nach rechts) liefern beispielsweise eine Leistung von 240 W, 480 W bzw. 960 W mit 24V-Ausgängen. Es sind auch Versionen mit einem 48V-Ausgang erhältlich, die ansonsten identisch sind. Darüber hinaus können die Nennausgangsspannungen dieser Netzteile von 24 V bis 28 V und von 48 V bis 56 V justiert werden.

Abbildung 2: Die kompakten Hutschienennetzteile RACPRO1-T240/24 (links), RACPRO1-T480/24 (Mitte) und RACPRO1-T960/24 (rechts) liefern 240 W, 480 W bzw. 960 W. (Bildquelle: RECOM Power)

Ein wichtiges Merkmal dieser Module ist ihr kompakter Formfaktor. Die Breite der einzelnen Netzteile beträgt 43 mm, 52 mm bzw. 80 mm (1,69", 2,05" und 3,15"). Alle drei Module sind 135 mm (5,31") hoch, während ihre Tiefe je nach Modell zwischen 140 mm und 156 mm (5,51" bis 6,14") variiert. Ein wichtiges Merkmal für Installateure und Techniker ist, dass die Module für eine schnelle, einfache und werkzeuglose Montage und Demontage mit Steckklemmen mit +25°-Anschlüssen ausgelegt sind.

Der hohe Wirkungsgrad der RACPRO1-Serie senkt die Betriebskosten und reduziert die Wärmeentwicklung des Netzteils. Daher werden ein kleinerer Kühlkörper und eine geringere Oberfläche für die Wärmeableitung benötigt.

Diese Netzteile benötigen keine erzwungene Luftkühlung mit Lüftern oder anderen aktiven Systemen; sie sind so konzipiert, dass sie ausschließlich durch natürliche Konvektion gekühlt werden, ein weiterer Vorteil in industriellen Umgebungen. Jedes Modul verfügt über zwei getrennte Abluftkanäle, um den „Kamineffekt“ für die Kühlung zu maximieren.

Die geringe Größe und der hohe Wirkungsgrad dieser Serie werden durch eine intelligente Auslegung und Komponentenauswahl erreicht. Das Netzteil RACPRO1-T960/24 hat einen Wirkungsgrad von 96%; die Netzteile RACPRO1-T240/24 und RACPRO1-T480/24 bieten einen Wirkungsgrad von 94,1% bzw. 95%. Obwohl sie Hunderte von Watt liefern, benötigen diese Netzteile im Leerlauf nur etwa 1 Watt.

Der Wirkungsgrad und die Kühlung dieser Netzteile ermöglichen es, sie für hohe Betriebstemperaturen auszulegen. Das 960W-Netzteil RACPRO1-T960/24 kann seine volle Ausgangsleistung bis zu +60 °C liefern; das 240W-Netzteil RACPRO1-T240/24 hat einen etwas höheren Spitzenbereich bis zu +70 °C.

Hohe Temperaturen sind nicht das einzige Problem; viele Systeme, wie z. B. die HLK-Anlagen im Freien, sind auch extremer Kälte ausgesetzt. Aus diesem Grund sind die RACPRO1-Netzteile für den Betrieb bei -40 °C ausgelegt.

Elektrische Performance und Merkmale

Eine Stromversorgung für industrielle Umgebungen muss mehr leisten als nur den Nennwert der Spannung über einen Bereich von Eingangsspannungen und Lasten zu liefern. Zu den weiteren geforderten Eigenschaften gehören hohe Rückspannungsfestigkeit, erweiterte Überspannungsfestigkeit und Power-Boost-Fähigkeit:

• Beim Ein- oder Ausschalten einer nichtohmschen Last, z. B. eines Motors, kann es zu einem Rückfluss (auch Rückspeisung genannt) in den Ausgang des Netzteils kommen. Die Rückspannungsfestigkeit ist die Fähigkeit, Rückflussspannungen zu widerstehen. Bei RACPRO1-Versorgungen ist der 24V-Ausgang gegen Rückspannungen bis 35 V immun, während der 48V-Ausgang gegen 63 V immun ist.
• Für Netzüberspannungen bieten diese Geräte eine erweiterte Überspannungsfestigkeit bis 6 kV gemäß den geltenden Industrie- und Regulierungsstandards.
• Diese Netzteile bieten eine Leistungserhöhungsfunktion, um Lasten zu versorgen, die kurzzeitig mehr als die Nennausgangsleistung benötigen. Das Hochleistungsnetzteil RACPRO1-T960/24 kann zum Beispiel die Leistung für 6 Sekunden (s) auf 150% erhöhen, wodurch viele Unterbrechungen aufgrund von vorübergehenden Lastzuständen vermieden werden.

Ein weiteres benutzerfreundliches Merkmal der 480W- und 960W-RACPRO1-Geräte ist eine einfache vertikale LED-Zeile (Abbildung 3), die den Prozentsatz der Nennausgangsleistung anzeigt, den das Netzteil liefert.

Abbildung 3: Die 480W- und 960W-RACPRO1-Module verfügen über eine praktische Anzeige, die den Prozentsatz der Nennausgangsleistung anzeigt, die das Netzteil liefert. (Bildquelle: RECOM Power)

Zuverlässigkeit durch Analyse, Entwurf und Bewertung

Jede Anwendung erfordert Zuverlässigkeit. Bei den RACPRO1-Einheiten verringert der hohe Wirkungsgrad die Wärmeabgabe und verbessert so die Zuverlässigkeit der Komponenten. Darüber hinaus ist die RACPRO1-Serie auf maximale Performance und Effizienz ausgelegt und berücksichtigt wichtige Kennzahlen wie thermische Leistung, MTBF und integrierte Schutzfunktionen. Darüber hinaus verbessern integrierte Schutzfunktionen wie Überspannungs-, Kurzschluss- und thermischer Abschaltschutz die Haltbarkeit und gewährleisten einen kontinuierlichen Betrieb in rauen Industrieumgebungen.

Um die langfristige Zuverlässigkeit zu überprüfen, unterzieht RECOM jedes Modell strengen Lebensdauertests, einschließlich erweiterter Belastungssimulationen, Schock- und Vibrationstests und Hochtemperaturbelastungsprüfungen. Modellierung, Analyse und Tests zeigen, dass die Lebensdauer dieser Netzteile bei 40 °C und unter der höchsten Belastung, d. h. Volllast, etwa 80.000 Stunden beträgt.

Dennoch gibt es Anwendungen, bei denen selbst ein seltener Ausfall, sei es aufgrund interner oder externer Faktoren, inakzeptabel ist. Für diese Anwendungen ermöglichen die Modelle RACPRO1-T480/24 und -T960/24 den parallelen Anschluss von zwei oder mehr Geräten zur Redundanz oder Erhöhung der Ausgangskapazität (Abbildung 4).

Abbildung 4: Das RACPRO1-T480/24 und das RACPRO1-T960/24 können parallel eingesetzt werden, um eine Backup-Redundanz zu schaffen oder die Ausgangsleistung zu erhöhen. (Bildquelle: RECOM Power)

Diese Anordnung bietet Redundanz und unterstützt auch die Lastverteilung, wobei beide Netzteile den Strom gleichmäßig verteilen. Diese Funktionen verhindern Systemausfälle und sorgen für eine stabile Stromversorgung in industriellen Automatisierungsumgebungen und anderen Betrieben, in denen Unterbrechungen die Produktivität und Sicherheit beeinträchtigen können. Darüber hinaus ermöglichen die gut definierten CV/CC-Ausgangscharakteristiken (Constant Voltage/Constant Current = Konstantspannung/Konstantstrom) dieser Stromversorgungen das Aufladen von Batterien als zusätzliche Unterstützung.

Erfüllung gesetzlicher Vorschriften

Stromversorgungen unterliegen, wie andere elektronische Produkte auch, zahlreichen gesetzlichen Vorschriften. Einige davon beziehen sich auf betriebliche Aspekte wie Leistungsfaktor (über 0,9 für diese Netzteile), elektromagnetische Störungen (EMI), Effizienz bei verschiedenen Leistungsstufen und Verlustleistung bei Nulllast. Andere Vorschriften sind sicherheitsbezogen.

Neben ihren zahlreichen elektrischen Leistungszertifizierungen entsprechen diese Netzteile der EN 61000-6-4 Klasse B (Emissionen) und der EN 61000-6-2 (Störfestigkeit). Diese Produkte sind nach den Sicherheitsnormen IEC/EN/UL 62368-1, IEC/EN/UL 61010-1 und IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201 zertifiziert.

Fügen Sie eine Sicherung hinzu, nur für den Fall

In Anbetracht der zahlreichen Schutzfunktionen dieser Netzteile scheint eine Sicherung, die bei starkem Überstrom auslöst, unnötig. Das mag stimmen, aber die Entwickler möchten vielleicht, dass ein solches Gerät nur für den Fall der Fälle installiert wird, oder, was wahrscheinlicher ist, es ist durch die zum Zeitpunkt der Installation geltenden elektrischen Vorschriften vorgeschrieben.

Um diese Anforderung zu erfüllen, wird die RACPRO1-Serie durch das elektronische Sicherungsmodul RACPRO1-4SP/24V/5A für die Hutschiene (Abbildung 5) unterstützt, das für die Verwendung anstelle einer herkömmlichen Thermosicherung oder eines Schutzschalters zugelassen ist. Beachten Sie, dass dieses Modul mit jedem Netzteil verwendet werden kann, nicht nur mit der RACPRO1-Familie.

Das RACPRO1-4SP/24V/5A ist kompakt, misst 110,2 mm × 72,0 mm × 61,9 mm (4,34" × 2,83" × 2,44") und fungiert als Überwachungselement, das an die Hauptgleichstromschiene angeschlossen ist. Dieses 5A-Modul (eine 10A-Version wird ebenfalls angeboten) verteilt 24 V_DC an vier separat gesteuerte Lastkanäle mit unabhängiger Überstrombegrenzung und Echtzeit-Ausgangsstromanzeige.

Abbildung 5: Das E-Sicherungsmodul RACPRO1-4SP/24V/5A für die Hutschiene verfügt über vier unabhängige elektronische Sicherungen mit einem Nennwert von je 5 A. (Bildquelle: RECOM Power)

Die Kanäle schalten sich sequentiell ein, um den Einschaltstrom mit einer voreinstellbaren Zeitverzögerung zu reduzieren. Bei Überlastung des Systems schalten die Kanäle die Lasten in umgekehrter Reihenfolge ab, so dass die wichtigsten Funktionen bis zum Ende weiterlaufen. Obwohl die Kanäle betriebsmäßig miteinander verbunden sein können, kann jeder Kanal unabhängig ein- oder ausgeschaltet werden, um die Fehlerdiagnose oder die Wartung zu erleichtern.

Das E-Sicherungsmodul ist weit mehr als nur ein simpler Ersatz für die klassische thermische Sicherung, die „bei Überstrom öffnet“. Es wird durch interne Logikschaltungen gesteuert, um Lasten und Stromversorgungen zu schützen und zu priorisieren, und erkennt und reagiert dynamisch auf Überstrom-, Unterspannungs- und Überspannungsbedingungen.

Jeder Kanal ist unabhängig geschützt, so dass Überlastungen oder Fehlerzustände bei einer einzelnen Last die Zuverlässigkeit oder Funktionalität des gesamten Systems nicht beeinträchtigen. Zusätzlich zu dem maximalen Kanalstrom von 5 A liefert das Modul einen Power Boost von 150% für 5 s und kann eine Überlast von mehr als 150% für bis zu 100 ms bewältigen, um Fehlauslösungen zu verhindern. All dies sind wichtige Überlegungen in Industrieanlagen, in denen Lastwechsel, Motorblockaden, Anlaufstromspitzen und andere störende Ereignisse zu erwarten und unvermeidlich sind.

Als zusätzliche Funktion zur Fehlersuche verfügt jeder Kanal über eine LED-Leiste zur Statusanzeige (Abbildung 6). Sie zeigt den Status des Ausgangsstroms an, der von grün über gelb (Strom innerhalb des Grenzwerts) zu orange (Strom am Grenzwert) und rot (Überstrom oder Kurzschluss) wechselt.

Abbildung 6: Jede der vier E-Sicherungen verfügt über eine mehrfarbige LED-Leiste, die schnell eine große Menge an Informationen über den Kanalstatus vermittelt. (Bildquelle: RECOM Power)

Als Ergänzung zu den RACPRO1-Stromversorgungen haben diese E-Sicherungen eine Lebenserwartung von mehr als 80.000 Stunden bei +40°C und bieten eine einfache Verdrahtung mit werkzeuglosen Steck- und Hebelklemmen.

Fazit

Stromversorgungen für industrielle Anwendungen müssen zuverlässig und effizient Gleichstrom mit niedrigerer Spannung von einem Wechselstromnetz mit höherer Spannung oder einer Gleichstromschiene in einem kompakten Formfaktor liefern. Die auf Hutschienen montierten RACPRO1-Module von RECOM Power erfüllen diese Anforderungen und vereinfachen gleichzeitig die Installation und Wartung. Das ergänzende Vier-Kanal-E-Sicherungsmodul bietet unabhängige Kanäle, die für einen effektiveren Betrieb und eine verbesserte Fehlererkennung und -verwaltung miteinander verbunden werden können.

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