Estos retos pueden abordarse seleccionando cuidadosamente fuentes de alimentación para carril DIN fácilmente disponibles y fusibles diseñados específicamente para estas aplicaciones.
Este artículo ofrece una breve descripción general de los retos que se plantean al implementar estas fuentes de alimentación. A continuación, presenta una línea de fuentes de alimentación CA/CC y CC/CC para carril DIN y un fusible de apoyo de RECOM Power, que suministran de forma fiable y segura energía CC de grado industrial.
Los retos de la alimentación industrial
Las fuentes de alimentación para aplicaciones industriales deben ser compactas, aceptar una amplia gama de entradas trifásicas CA o CC de alta tensión, ser altamente eficientes, cumplir numerosas normativas, admitir el funcionamiento en paralelo para la redundancia y proporcionar una protección robusta al usuario y al sistema. También deben satisfacer las especificaciones de rendimiento en un amplio rango de temperaturas utilizando únicamente refrigeración pasiva, demostrar una robustez general con un alto tiempo medio entre fallos (MTBF) y ser rentables en cuanto a su implementación y mantenimiento.
Los requisitos de estas aplicaciones excluyen los diseños y factores de forma personalizados, favoreciendo las fuentes de alimentación y los fusibles montados en carril DIN. El reto ahora pasa a ser la selección cuidadosa para optimizar la aplicación.
Fuentes de alimentación: empezar por el envolvente
Las fuentes de alimentación suelen estar infravaloradas por su papel fundamental en la integridad del sistema. Su diseño comienza con el embalaje, que afecta al rendimiento eléctrico, mecánico y térmico en entornos industriales. Por eso, en casi todos los casos, las fuentes de alimentación industriales están diseñadas para el montaje estándar en carril DIN (Figura 1).
Figura 1: Un armario industrial con una amplia gama de tipos de módulos montados en carriles DIN permite una cómoda instalación y extracción de los módulos por la parte delantera, así como un fácil acceso al cableado. (Fuente de la imagen: Hackaday)
El raíl se fija al panel trasero del armario o la carcasa del equipo. Todos los módulos eléctricos, como los accionamientos de motor, los controladores de bucle, la alimentación, las interfaces de señal, los subsistemas de seguridad y las interfaces de comunicaciones, se montan en este raíl, y todas las conexiones de alimentación y señal son accesibles desde la parte delantera.
El enfoque del raíl DIN contrasta fuertemente con el rack de 19" con conexiones frontales y traseras para los módulos. Este rack se utiliza ampliamente en instrumentación de laboratorio y sistemas de prueba/medición. El riel DIN es más cómodo y práctico, ya que el espacio del armario suele ser escaso debido al número de módulos que debe albergar.
Muchas fuentes de alimentación CA/CC en aplicaciones industriales funcionan con una entrada de línea trifásica de 320 VCA a 575 VCA y deben suministrar una tensión limpia, estable y resistente a las transiciones de 24 VCC o 48 VCC a cargas como un controlador de motor. Además, muchas aplicaciones requieren ahora un funcionamiento con una fuente de CC de alta tensión de 430 V a 815 V. El uso de una fuente de CC es muy adecuado para aplicaciones de automatización de fábricas basadas en microrredes y para soluciones de energía renovable, incluyendo biogás, energía fotovoltaica e instalaciones eólicas.
Para cumplir los exigentes requisitos de alimentación de aplicaciones industriales con montaje en carril DIN, los diseñadores pueden utilizar la familia de fuentes de alimentación trifásicas RACPRO1 de RECOM Power. Estas también se pueden utilizar con entradas de CC de alto voltaje.
Por ejemplo, los modelos RACPRO1-T240/24, RACPRO1-T480/24 y RACPRO1-T960/24 (figura 2, de izquierda a derecha) proporcionan niveles de potencia de 240 W, 480 W y 960 W, respectivamente, con salidas de 24 V. También hay versiones disponibles con una salida de 48 V, pero por lo demás son idénticas. Además, los voltajes de salida nominales de estas fuentes se pueden ajustar hasta 28 V desde 24 V y 56 V desde 48 V.
Figura 2: Las compactas fuentes de alimentación para carril DIN RACPRO1-T240/24 (izquierda), RACPRO1-T480/24 (centro) y RACPRO1-T960/24 (derecha) suministran 240 W, 480 W y 960 W, respectivamente. (Fuente de la imagen: RECOM Power)
Una característica importante de estos módulos es su formato compacto. Concretamente, la anchura de cada fuente de alimentación es de 43 mm, 52 mm y 80 mm (1,69«, 2,05» y 3,15"), respectivamente. Los tres módulos tienen una altura de 135 mm (5,31«), mientras que su profundidad varía según el modelo, oscilando entre 140 mm y 156 mm (5,51» y 6,14"). Una característica importante para los instaladores y técnicos es que los módulos están diseñados para una instalación y desinstalación rápida, fácil y sin herramientas, utilizando abrazaderas de jaula de alambre con conectores de inserción de +25°.
La alta eficiencia de la serie RACPRO1 reduce los costes operativos y el calor generado por la fuente de alimentación. Por lo tanto, se necesita un disipador de calor más pequeño y menos superficie para la disipación térmica.
Estas fuentes de alimentación no requieren refrigeración por aire forzado con ventiladores u otros sistemas activos; están diseñadas para refrigerarse únicamente por convección natural, otra ventaja en entornos industriales. Cada módulo incorpora dos canales de flujo de aire separados para maximizar el «efecto chimenea» para la refrigeración.
El pequeño tamaño y la alta eficiencia de esta serie se consiguen gracias a un diseño inteligente y a la selección de componentes. La unidad RACPRO1-T960/24 tiene una eficiencia del 96 %; las unidades RACPRO1-T240/24 y RACPRO1-T480/24 tienen una eficiencia del 94,1 % y del 95 %, respectivamente. Además, a pesar de suministrar cientos de vatios, estas fuentes solo requieren alrededor de 1 W sin carga.
La eficiencia y la refrigeración de estas fuentes de alimentación les permiten funcionar a altas temperaturas. La fuente de alimentación RACPRO1-T960/24 de 960 W puede suministrar toda su potencia nominal hasta +60 °C; la RACPRO1-T240/24 de 240 W tiene una extensión de rango superior ligeramente superior, hasta +70 °C.
Las altas temperaturas no son la única preocupación; muchos sistemas, como los equipos de climatización exteriores, también están sujetos a frío extremo. Para satisfacer esta necesidad, las fuentes de alimentación RACPRO1 están homologadas para funcionar a -40 °C.
Rendimiento eléctrico y características
Una fuente de alimentación para entornos industriales debe hacer algo más que suministrar el valor nominal de tensión en un rango de tensiones de entrada y cargas. Otras características necesarias son una alta inmunidad a la tensión de retorno, una inmunidad ampliada a las sobretensiones y la capacidad de aumento de potencia:
Al alimentar o desconectar una carga no resistiva, como un motor, puede producirse un reflujo (también llamado retroalimentación) en la salida de la fuente de alimentación. La inmunidad al voltaje de retorno es la capacidad de soportar el voltaje de reflujo. En las fuentes de alimentación RACPRO1, la salida de 24 V tiene una inmunidad al voltaje de retorno de 35 V, mientras que la salida de 48 V tiene una inmunidad de 63 V.
En cuanto a las sobretensiones de línea, estas unidades cuentan con una inmunidad ampliada a las sobretensiones de hasta 6 kV, tal y como se define en las normas industriales y reglamentarias aplicables.
Estas fuentes de alimentación proporcionan una capacidad de aumento de potencia para adaptarse a cargas que requieren brevemente más potencia que la potencia de salida nominal. Por ejemplo, la RACPRO1-T960/24 de alta potencia puede aumentar la potencia hasta un 150 % durante 6 segundos (s), lo que elimina muchas interrupciones debidas a condiciones de carga transitorias.
Otra característica fácil de usar de las unidades RACPRO1 de 480 W y 960 W es una sencilla línea LED vertical (Figura 3) que indica el porcentaje de la potencia de salida nominal que está suministrando la fuente de alimentación.
Figura 3: Los módulos RACPRO1 de 480 W y 960 W incluyen un práctico indicador que muestra el porcentaje de la potencia de salida nominal que suministra la fuente de alimentación. (Fuente de la imagen: RECOM Power)
Fiabilidad mediante análisis, diseño y evaluación
Todas las aplicaciones requieren fiabilidad. En el caso de las unidades RACPRO1, la alta eficiencia reduce la disipación de calor, lo que mejora la fiabilidad de los componentes. Además, la serie RACPRO1 está diseñada para ofrecer el máximo rendimiento y eficiencia, abordando métricas clave como el rendimiento térmico, el MTBF y las funciones de protección integradas. Además, las funciones de protección integradas, que incluyen protección contra sobretensión, cortocircuito y apagado térmico, mejoran la durabilidad y garantizan un funcionamiento continuo en entornos industriales difíciles.
Para validar la fiabilidad a largo plazo, RECOM somete cada modelo a rigurosas pruebas de vida útil, que incluyen simulaciones de estrés prolongado, pruebas de choque y vibración, y evaluaciones de resistencia a altas temperaturas. El modelado, el análisis y las pruebas indican que la vida útil de estas fuentes de alimentación es de aproximadamente 80 000 horas a 40 °C en las condiciones más estresantes, a plena carga.
No obstante, hay aplicaciones en las que incluso un fallo poco frecuente, ya sea debido a factores internos o externos, es inaceptable. Para estas aplicaciones, los modelos RACPRO1-T480/24 y -T960/24 permiten la conexión en paralelo de dos o más unidades para obtener redundancia o aumentar la capacidad de salida (Figura 4).
Figura 4: Los modelos RACPRO1-T480/24 y RACPRO1-T960/24 pueden utilizarse en paralelo para proporcionar redundancia de respaldo o aumentar la potencia nominal de salida. (Fuente de la imagen: RECOM Power).
Esta disposición proporciona redundancia y también admite el reparto de carga, ya que ambas fuentes distribuyen la potencia de manera uniforme. Estas características evitan el tiempo de inactividad del sistema y mantienen una potencia estable en entornos de automatización industrial y otras operaciones en las que las interrupciones pueden afectar a la productividad y la seguridad. Además, las características de salida de tensión constante/corriente constante (CV/CC) bien definidas de estas fuentes permiten la carga de baterías para obtener una copia de seguridad adicional.
Cumplimiento de las normativas
Las fuentes de alimentación, al igual que otros productos electrónicos, están sujetas a numerosas normativas. Algunas de ellas se refieren a aspectos operativos como el factor de potencia (por encima de 0,9 para estas fuentes), las interferencias electromagnéticas (EMI), la eficiencia a diferentes niveles de potencia y la disipación de potencia sin carga. Otras normativas están relacionadas con la seguridad.
Entre sus numerosas certificaciones de rendimiento eléctrico, estas fuentes cumplen con la norma EN 61000-6-4 Clase B (emisiones) y la norma EN 61000-6-2 (inmunidad). Las unidades también están certificadas según las normas de seguridad globales IEC/EN/UL 62368-1, IEC/EN/UL 61010-1 e IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201.
Añada un fusible, por si acaso
Dadas las numerosas características de protección de estas fuentes de alimentación, un fusible que «se dispare» en respuesta a una sobrecorriente grave parece innecesario. Puede que sea cierto, pero es posible que los diseñadores quieran instalar uno por si acaso o, lo que es más probable, que lo exija el código eléctrico vigente en el momento de la instalación.
Para satisfacer esta necesidad, la serie RACPRO1 cuenta con el módulo de fusible electrónico (e-fuse) para carril DIN RACPRO1-4SP/24V/5A (Figura 5), que está totalmente homologado para su uso en lugar de un fusible térmico convencional o un disyuntor. Tenga en cuenta que esta unidad se puede utilizar con cualquier fuente de alimentación, no solo con la familia RACPRO1.
El RACPRO1-4SP/24V/5A es compacto, mide 110,2 mm × 72,0 mm × 61,9 mm (4,34« × 2,83» × 2,44") y funciona como un elemento de supervisión conectado al carril CC principal. Este módulo de 5 A (también se ofrece una versión de 10 A) distribuye 24 VCC a cuatro canales de carga controlados por separado con control independiente del límite de sobrecorriente e indicación de la corriente de salida en tiempo real.
Figura 5: El módulo de fusibles electrónicos para carril DIN RACPRO1-4SP/24V/5A tiene cuatro fusibles electrónicos independientes con una potencia nominal de 5 A cada uno. (Fuente de la imagen: RECOM Power)
Los canales se activan secuencialmente para reducir la corriente de entrada con un retardo de tiempo preestablecido. En condiciones de sobrecarga del sistema, los canales desconectarán las cargas en orden inverso, manteniendo las funciones esenciales en funcionamiento hasta el final. Aunque los canales pueden estar vinculados operativamente, cada canal se puede activar o desactivar de forma independiente para facilitar el diagnóstico de fallos o el mantenimiento.
El módulo de fusibles electrónicos es mucho más que un simple sustituto del clásico fusible térmico «abierto en caso de sobrecorriente». Está controlado por circuitos lógicos internos para proteger y priorizar las cargas y las fuentes de alimentación, detectando y reaccionando dinámicamente a condiciones de sobrecorriente, subtensión y sobretensión.
Cada canal está protegido de forma independiente, por lo que las condiciones de sobrecarga o fallo en una carga individual no afectan a la fiabilidad o funcionalidad general del sistema. Además de la corriente máxima básica de 5 A por canal, el módulo proporciona un aumento de potencia del 150 % durante 5 s y puede soportar más del 150 % de sobrecarga durante un máximo de 100 ms para evitar disparos indeseados. Todas estas son consideraciones importantes en instalaciones industriales, donde los cambios de carga, los bloqueos de motores, los picos de corriente de arranque y otros eventos disruptivos son previsibles e inevitables.
Como característica adicional para la resolución de problemas, cada canal tiene una barra LED para indicar el estado (Figura 6). Muestra el estado de la corriente de salida a medida que cambia de verde a amarillo (corriente dentro del límite) a naranja (corriente en el límite) a rojo (sobrecorriente o cortocircuito).
Figura 6: Cada uno de los cuatro fusibles electrónicos tiene una tira indicadora LED multicolor que transmite rápidamente una gran cantidad de información sobre el estado del canal. (Fuente de la imagen: RECOM Power)
Como complemento a las fuentes de alimentación RACPRO1, estos fusibles electrónicos también tienen una vida útil prevista superior a 80 000 horas a +40 °C y cuentan con un cableado sencillo con terminales de inserción sin herramientas y liberación por palanca.
Conclusión
Las fuentes de alimentación para aplicaciones industriales deben suministrar de forma fiable y eficiente corriente continua de bajo voltaje a partir de redes de CA de alto voltaje o de un raíl de CC en un formato compacto. Los módulos RACPRO1 de montaje en carril DIN de RECOM Power cumplen estos requisitos y simplifican la instalación y el mantenimiento. El módulo complementario de fusibles electrónicos de cuatro canales proporciona canales independientes, al tiempo que permite conectarlos para un funcionamiento más eficaz y una mejor detección y gestión de fallos.
Autor: Bill Schweber, Contributed By DigiKey's North American Editor, Digikey
