信頼性の高い産業用アプリケーションに最適な AC/DC 電源を見つける

ファクトリーオートメーションアプリケーションの電子デバイスは、多くの場合、さまざまな機能安全要件の最も厳しい規格のいくつかに準拠することが求められます。 これらのシステム内のすべての機器は、オペレーターと周囲の環境の安全と施設の円滑な運用を確保するために注意深く検査されます。 多くの既製の AC/DC 電源は、過電圧過渡現象、外部システムからのノイズ、およびコンポーネントの信頼性の高い動作を確保するためのその他の保護メカニズムに対する適切な保護を備えていない可能性があるため、適切ではない可能性があります。 これらのアプリケーションの電源は、一般的な環境ストレスや振動や衝撃などの機械的ストレスに耐えるのに十分な堅牢性も必要です。 周囲温度はデバイスの性能に悪影響を与える可能性があるため、高温/低温および変動する相対湿度による早期故障を防ぐための対策も講じる必要があります。 この記事では、信頼性の高い産業用およびロボット用途向けの電源を選択する際に考慮する必要があるさまざまな要素と、P-DUKE の TBF500 フルブリック 500W AC/DC 電源がこれらの過酷な用途に向けてどのように設計されているかについて詳しく説明します。環境。

産業オートメーションにおけるAC/DC電源

産業オートメーションでは、AC 入力からの安定化 DC 電源を必要とする例が数多くあります。 モーター ドライバーやその他のモーター制御システムでは、DC モーターをオンにし、場合によってはその速度を制御するためにこれらの電源が必要になります。 たとえば、工業用ポンプでは、液体は可変速度で処理されます。 モーターが始動すると、大きな突入電流が流れ、電力線の電圧が低下して他の機器に損傷を与えたり、システムが強制的にリセットされたりする可能性があります。 これらのドライブは通常、コンタクターとモータースターターユニットを使用して、他の電子機器を隔離して保護します。 通常、モータースターター、コンタクター、リレー、可変速ドライブには安定した 24 VDC 電圧が必要です。 プログラマブル ロジック コントローラー (PLC)、ヒューマン マシン インターフェイス (HMI)、センサー (圧力、レベル、温度/湿度など)、アクチュエーター (バルブ アイランドなど) も通常、ライン電圧を 24 VDC に変換して動作します。 これらのシステムは通常、産業オートメーション システム全体に分散されており、システムに含まれるコンポーネント (AC/DC 電源など) が運用の維持に重要になります。 これらのシステムがスムーズかつ安全に動作し、現場での寿命が長いためには、電源も規格への準拠、堅牢性、内蔵の安全機能の点で高品質である必要があります。

P-DUKE TBF500 は、高温アプリケーションでの冷却のためにシステム シャーシに取り付けられた 500 W フルブリック電源です。 85 ～ 264 VAC のユニバーサル入力範囲を備えた TBF500 は、標準 AC 電源 (120 VAC、230 VAC または 240 VAC) から電力を供給し、12、15、24、28、48、および 54 の DC 電圧を出力できます。 さまざまな機能を備えた TBF500 は、前述のいくつかのケースに最適です。

安全認証

過電圧カテゴリ(OVC) III

ファクトリーオートメーションおよびビルディングオートメーションのアプリケーションでは、過電圧カテゴリ III (OVC III) 定格がますます求められています。 これらのカテゴリは、多くの国際安全規格に含まれています。 最も一般的に引用される規格は IEC 60664-1 規格で、低電圧システムの絶縁要件 (沿面距離や空間距離など) に焦点を当てています。 その他の規格には、IEC/EN/UL 62368-1 情報技術安全規格、試験および測定 (T&M) 環境で使用される機器の安全性に関する IEC/UL 61010-1、産業用制御機器の安全性に関する UL 508 などがあります (たとえば、 、、IEC 60364 および EN 50110)。

OVC レベルは、特定の電気機器が設置されている場所によって異なります。 設置場所に応じて、雷や不安定な送電網の変化などの要因によって引き起こされるさまざまなレベルの過渡過電圧に耐える必要がある場合があります。 表 1 と表 2 に、さまざまな公称電圧でさまざまな OVC クラスが耐えられる過渡電圧と、さまざまな OVC 定格を持つ機器の位置を示します。

表 2 に示すように、モーター制御システム、配電盤、負荷センターなどの固定設備に恒久的に接続された配電グレードの回路および産業用機器は、OVC クラス III で安全に使用できます。 P-DUKEのTBF500は、機器とオペレーターを保護するOVC IIIです。 EN/IEC 50032 クラス B、突入電流リミッタ機能、および OVC III (過電圧カテゴリ) に準拠するために必要な追加コンポーネントはわずかであることに注意してください (図 1)。

たとえば、この電源は、自動化プログラム ロジックによって処理された比較的弱い信号を受け取り、バルブ、ステッピング モーター、リレー、表示灯のソレノイドなどの出力デバイスを駆動できる機能に変換する安全 PLC 内のデジタル出力モジュールで使用できます。コイル、サイレン、機械ブレーキなど）。 図 2 に示すように、デジタル出力モジュールには制御デバイス (フォトカプラ、ダイオード、トライアック コンポーネントなど) が含まれているため、これらは通常、外部電源を使用します。

これに加えて、産業施設内の安全計装システム (SIS) は通常、安全計装レベル (SIL) を維持する必要があります。 これを行うには、システム内の各コンポーネントの信頼性または故障確率 (PFD) を評価する必要があります。 したがって、機械コンポーネントや電気コンポーネントが現場で使用されている間に発生する可能性のある潜在的な問題を分析することが不可欠です。 電気機器の場合、これは通常、システムの冗長性、絶縁調整レベル (つまり、OVC カテゴリ) などのさまざまな規格への準拠、および電気機器の過剰な寸法 (その結果、動作電圧電流/電圧よりもはるかに高い定格電流/電圧が発生する) に要約されます。

IEC/UL/EN 62368-1安全認証

TBF00 は、IEC/UL/EN 62368-1 の安全性認定も受けています。 62368-1 セキュリティ標準は、ハザードベース セキュリティ エンジニアリング (HBSE) アプローチのオーディオ/ビジュアル (A/V) および情報通信技術 (ICT) ドメインの消費者および企業のテクノロジに適用されます。 この方法では、デバイスのエネルギー タイプ (クラス 1、2、または 3 など) を考慮し、人や財産への損害を防ぐための適切な安全措置を決定し、その安全措置の有効性をテストします。 産業機器内の内部および外部電源は、特に A/V または IT 機器のシステム (Web カメラ、ルーター、マイク、サウンド カード、ビデオ キャプチャ カードなど) で使用される場合、これらの規制に準拠する必要がある場合があります。

電磁適合性 (EMC)

産業施設内には多くの騒音源があります。 たとえば、UPS 機器は、近くの機器から伝わる可能性のある高調波やノイズを運ぶ非正弦波形を生成することがあります。 これにより、電子機器の動作が妨げられる可能性があります (実際に干渉することもよくあります)。 大きな回転部品は電力変動を引き起こし、不要な EMI を引き起こします。 SiC パワー MOSFET などの高速スイッチング デバイスを使用する電源が増えていますが、適切にフィルタリングされていないと EMI が発生する可能性があります。 プラントの稼働を維持するには、機器レベルで EMI に対処することが重要です。 電源は EMC 規格に準拠する必要があります。 TBF500 は、表 3 に示すように、EN/IEC 55032 または EN 61000 規格のさまざまな条件に従ってテストされます。 4 本のボルトをシールド面に接続すると、TBF500 の EMI をさらに低減できることに注意してください。

保護機能

さまざまな安全規格を満たすことに加えて、電源自体にも故障を防ぐための多くの保護機能が必要です。 TBF500 には、過電流保護、短絡保護 (SCP)、過熱保護 (OTP)、および出力過電圧保護が含まれています。 OCP の場合、TBF500 は電流が電源の指定された制限を超えるとシャットダウンします。 しばらくすると電源が再起動し、過電流が続くと再びシャットダウンします。そのため、「一時停止モード」と呼ばれています。 SCP は同様の自動回復モードを使用し、短絡が発生した場合に電源が遮断され、短絡が解決されるまで断続的に再起動します。 内部サーミスターが OTP 機能をトリガーし、温度の問題が解決されるまで電源が一時停止モードになります。 出力過電圧保護はラッチモードを採用しており、過電圧が検出された後は手動で再起動する必要があります。 これらの機能はすべて、電力変動や障害からデバイスを保護します。

モータの起動時によく発生する突入電流から電源を保護するため、突入電流リミッタ機能を追加デバイスとして実装することもできます (図 1 を参照)。 これは、コンポーネントがオンになったときに低インピーダンスを示し、突入電流とも呼ばれる電流のサージを引き起こす産業環境で特に役立ちます。 この突入電流は、急速放電コンデンサを含む回路、またはより一般的には、起動時に指定された馬力を満たすために起動時に加速されるモータで見られます。 電気モーターは工場の多くのプロセスやシステム (プーリー、コンベア ベルト、ベルト、ロボットなど) で使用されるため、接続された回路が潜在的なサージ電流によって損傷しないようにすることが重要なことがよくあります。

環境および機械的硬化

高い信頼性を必要とする産業オートメーション用途では、安全性と法規制への準拠が非常に重要です。 電源が示す環境耐性と機械耐性も考慮する必要があります。 場合によっては、機器は継続的な振動や機械的衝撃にさらされることがあります。 高温（および低温）への曝露、温度サイクル、高相対湿度への曝露などの環境ストレス要因も考慮する必要がある場合があります。 一部の特殊なケースでは、産業施設で過酷な化学物質にさらされる場合もあります (塩分雰囲気、爆発性雰囲気、油圧オイル、エンジン オイルなど)。 場合によっては、これらの潜在的な結果から機器を保護する必要があります。

MIL-STD-810F 米国軍事規格は、さまざまな環境ストレス要因テストを扱う古典的な規格の 1 つです (表 4)。 TBF500 は、MIL-STD-810F に従って、動作高度 (5000 メートルまたは 16,400 フィート)、熱衝撃、機械的衝撃、および振動についてテストされています。 また、最大 95% の相対湿度でも動作できます。

このレベルの補強には、特別な設計と独自の構造が必要です。 たとえば、高地で稼働するプラントや施設での作業に適格となるには、高電圧アーク放電のリスクを制限するために、より広い空間距離と沿面距離が必要です。 高高度では大気が薄く、断熱効果が低いため、この現象が発生する可能性が高くなります。 また、空気は PCB から熱を除去する効果が低く、熱管理の問題を引き起こす可能性があります。 高地用電源を設計する際には、これを考慮する必要があります。

熱管理とパッケージサイズ

電源に関しては、熱管理とパッケージ サイズが関連することがよくあります。 電源自体の電力密度と効率は、ソリューション全体のサイズを縮小する上で非常に重要です。 TBF500 電源は、コンパクトなブリック パッケージ (4.2 インチ x 2.4 インチ x 0.5 インチ) に完全にパッケージ化されており、500 W を供給します。デバイスは最大 93% の効率で動作し、無負荷時の消費電力はわずか 0.6 W です。その 0.5 インチまたは 12.7 mm 電源の高さを限られたフォームファクタのスペースに簡単に設置できます。完全にカプセル化されたフォームファクタとベースプレート冷却の組み合わせにより、効果的な熱対策が施され、AC/DC電源をフル稼働できます。 -40 °C ～ 105 °C の過酷な環境で過酷なアプリケーションに対応します (図 3)。

このモジュールはオプションの電流共有と並列接続することもでき、最大 3 つのモジュールで出力電力を最大 1275W まで高めることができます (図 4)。 各モジュールは最大出力電力の 85% を超えないよう注意してください。

結論は

TBF500 は、いくつかの規格に従ってテストおよび認証されており、工場オートメーションなどの信頼性の高いアプリケーションに適しています。 IEC/UL/EN 62368-1 安全認証および EMC と組み合わせた OVC III 過電圧カテゴリ定格により、機器が産業および企業レベルの安全規格のガイドライン内で動作することが保証されます。 電源は、過酷な産業環境における重要な要素である環境および機械の信頼性についてもテストされています。 効率的で電力密度の高いモジュールを並列接続して電力を拡張し、TBF500 をより高い電力範囲の産業用途に活用することもできます。