การเลือกและการใช้แหล่งจ่ายไฟ AC/DC สำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงาน

การเปลี่ยนแปลงไปสู่ระบบอัตโนมัติในโรงงานกำลังเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วด้วยการประยุกต์ใช้เทคโนโลยี Industrial Internet of Things (IIoT) และ Factory 4.0 โดยแหล่งจ่ายไฟที่คงทนเป็นโครงสร้างพื้นฐานสำหรับเทคโนโลยีเหล่านี้ ซึ่งทำให้การที่นักออกแบบต้องสามารถปรับใช้แหล่งจ่ายไฟที่เชื่อถือได้อย่างรวดเร็วซึ่งรองรับแรงดันไฟฟ้าระดับต่างๆ เพื่อตอบสนองความต้องการของอุปกรณ์อัตโนมัติ ระบบเครือข่าย รวมถึงอุปกรณ์การทดสอบและการวัดของโรงงานผลิตนั้นมีความจำเป็นอย่างยิ่ง

เพื่อตอบสนองความต้องการนี้ นักออกแบบสามารถสร้างแหล่งจ่ายไฟเองซึ่งอาจมีค่าใช้จ่ายสูงและใช้เวลานาน หรือไม่ก็ค้นหาแหล่งจ่ายไฟที่มีอยู่ทั่วไปที่เหมาะกับงานและอยู่ในข้อจำกัดด้านงบประมาณ โดยโซลูชันทั้งสองจะต้องปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านแม่เหล็กไฟฟ้า (EMC) และมาตรฐานความปลอดภัย พร้อมทั้งปฏิบัติตามข้อบังคับด้านการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า (EMI) นอกจากนี้ แหล่งจ่ายไฟอัตโนมัติในโรงงานยังต้องมีคุณสมบัติการป้องกันเพื่อให้เหมาะสมกับสภาพแวดล้อมทางอุตสาหกรรมอีกด้วย

บทความนี้จะกล่าวถึงข้อกำหนดของแหล่งจ่ายไฟ AC/DC สำหรับการใช้งานระบบอัตโนมัติในโรงงานโดยสังเขป และจะสรุปเกณฑ์การเลือกประสิทธิภาพและรูปแบบที่สำคัญ จากนั้นจึงนำแหล่งจ่ายไฟแบบราง DIN จาก RECOM Power มาใช้เป็นตัวอย่างของยูนิตที่พร้อมใช้งาน

แหล่งจ่ายไฟสำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงาน

ระบบอัตโนมัติในโรงงานยังรวมถึงอุปกรณ์เครือข่ายและเครื่องมือทดสอบและการวัด และยังต้องพึ่งพาพลังงานที่คงทนและเชื่อถือได้เป็นอย่างมาก โดยความต้องการแหล่งจ่ายไฟจะแตกต่างกันขึ้นอยู่กับการใช้งานและอุปกรณ์ โซลูชันทั่วไปจะแปลงแรงดันไฟฟ้ากระแสสลับหลัก (90 V_AC ถึง 264 V_AC โดยมีการเปลี่ยนแปลงเล็กน้อยในประเทศต่าง ๆ) เป็นแรงดันไฟฟ้า กระแสตรง ความต้องการเอาต์พุตจะแตกต่างกันออกไป เนื่องจากอุปกรณ์อัตโนมัติในโรงงานทำงานบนแรงดันไฟฟ้ากระแสตรงมาตรฐานหลายแบบรวมถึง 12 V, 15 V, 24 V และ 48 V

นอกเหนือจากการปฏิบัติตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยและข้อบังคับอื่นๆ ที่เกี่ยวข้องแล้ว โซลูชันแบบแยกส่วนมักได้รับการออกแบบโดยคำนึงถึงความหนาแน่นของพลังงานและประสิทธิภาพด้วย อุปกรณ์เหล่านี้ตอบสนองมาตรฐานแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้าต่างๆ และผลิตขึ้นเพื่อให้มีความน่าเชื่อถือและอายุการใช้งานยาวนาน

แหล่งจ่ายไฟแบบโมดูลาร์เชิงพาณิชย์สำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงานมีตัวเลือกที่เหมาะกับระบบราง DIN ยอดนิยมเพื่อความสะดวกในการใช้งาน ระบบนี้ทำงานด้วยความกว้างมาตรฐานสากลและรูปทรงฮาร์ดแวร์สำหรับติดตั้ง ด้วยระบบราง DIN ผู้ติดตั้งจะรับประกันความสม่ำเสมอของขนาดในชุดผลิตภัณฑ์ รวมถึงแหล่งจ่ายไฟ โดยไม่คำนึงถึงผู้ผลิต

ความเข้ากันได้ของหลายแบรนด์นี้ช่วยให้ผู้ใช้ระบบราง DIN มีความยืดหยุ่นในการผสมและจับคู่ส่วนประกอบต่างๆ (รูปที่ 1)

รูปที่ 1: ราง DIN ช่วยลดความยุ่งยากในการติดตั้งแหล่งจ่ายไฟ และช่วยให้สามารถผสมและจับคู่ส่วนประกอบต่างๆ ได้ (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

แหล่งจ่ายไฟแบบราง DIN ราคาประหยัด

โครงสร้างพื้นฐานระบบอัตโนมัติในโรงงานใช้แหล่งจ่ายไฟหลายแหล่ง ทำให้ต้นทุนเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว RECOM Power ซีรีส์ REDIIN120 เป็นแหล่งจ่ายไฟฟ้า AC/DC แบบราง DIN ขนาด 120 วัตต์ (รูปที่ 2) ได้รับการออกแบบมาเพื่อลดต้นทุนในขณะที่ยังคงขนาดกะทัดรัดและเชื่อถือได้ แต่ละหน่วยมีขนาด 123.6 x 30.0 x 116.8 มิลลิเมตร (มม.)

รูปที่ 2: แหล่งจ่ายไฟราง DIN 120 W ซีรีส์ REDIIN120 มีขนาด 123.6 x 30.0 x 116.8 มิลลิเมตร (มม.) (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

แหล่งจ่ายไฟ AC/DC REDIIN120 ที่ระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนสามารถทำงานได้ที่กำลังไฟสูงสุดในช่วงอุณหภูมิ -30°C ถึง +50°C ผลิตภัณฑ์เหล่านี้ได้รับการรับรองตามมาตรฐานความปลอดภัย IEC 62368-1, IEC 61010-1 และ IEC 61010-2-201

การแผ่รังสีแม่เหล็กไฟฟ้าและการนำไฟฟ้าจากแหล่งจ่ายไฟเป็นไปตามมาตรฐานภูมิคุ้มกัน EN 61000-6-2 และมาตรฐานการปล่อยคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า EN 61000-6-4 Class B ของอุตสาหกรรมหนัก อีกทั้งยังสอดคล้องกับข้อกำหนดการปกป้องสิ่งแวดล้อมตามข้อกำหนด RoHS

ซีรีส์ REDIIN120 ประกอบด้วยสามรุ่น โดยแต่ละรุ่นทำงานจากอินพุต 90 V_AC ถึง 264 V_AC และต่างกันเพียงแรงดันเอาต์พุตเท่านั้น REDIIN120-12 มีเอาต์พุตปกติ 12 V ที่ปรับได้ตั้งแต่ 10.8 V ถึง 13.2 V REDIIN120-24 มีเอาต์พุตที่กำหนด 24 V ซึ่งปรับได้ตั้งแต่ 21.6 V ถึง 26.4 V REDIIN120-48 มีเอาต์พุต 48 V ที่ปรับได้ตั้งแต่ 43.2 V ถึง 52.8 V กระแสไฟขาออกสูงสุดคือ 10 A, 5 A และ 2.5 A ตามลำดับ

แหล่งจ่ายไฟทำงานด้วยประสิทธิภาพสูงสุดระหว่าง 86% ถึง 89.5% ขึ้นอยู่กับหน่วย (รูปที่ 3) และมีอัตราการกินไฟขณะไม่มีโหลด 150 มิลลิวัตต์ (mW) สำหรับเวอร์ชัน 12 V และ 24 V และ 210 mW สำหรับเวอร์ชัน 48 V

รูปที่ 3: แสดงประสิทธิภาพเทียบกับโหลดเอาต์พุตสำหรับแหล่งจ่ายไฟ REDIIN120-24 (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

แหล่งจ่ายไฟสามารถทำงานในโหมดกระแสคงที่ ทำให้ซีรีส์นี้เหมาะกับโหลดเหนี่ยวนำและความจุ เช่น มอเตอร์ โซลินอยด์ และรีเลย์ โดยโหลดความจุสูงสุดเมื่อเริ่มต้นคือ 8 มิลลิฟารัด (mF) สำหรับหน่วย 12 V และ 24 V และ 3 mF สำหรับหน่วย 48 V

แหล่งจ่ายไฟ REDIIN120 มีคุณลักษณะการป้องกันกระแสเกิน (OCP), การป้องกันแรงดันไฟเกิน (OVP) และการป้องกันอุณหภูมิเกิน (OTP) (รูปที่ 4) แรงดันไฟฟ้าเกิน 17.4 V_DC สำหรับหน่วย 12 V, 33.6 V_DC สำหรับหน่วย 24 V และ 64.8 V_DC สำหรับหน่วย 48 V ให้สร้างสภาวะการปิดล็อก

รูปที่ 4: ซีรีส์ REDIIN120 มีการป้องกันที่ครอบคลุม แรงดันไฟฟ้าเกิน 17.4 V_DC สำหรับหน่วย 12 V, 33.6 V_DC สำหรับหน่วย 24 V และ 64.8 V_DC สำหรับหน่วย 48 V ให้สร้างสภาวะการปิดล็อก (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

ในตระกูล REDIIN ไม่มีรุ่น 15 V อย่างไรก็ตาม RECOM Power เสนอตัวแปลง AC/DC รุ่น RACM15E-15SK/PMAD-CTN สำหรับการทำงาน 15 V (รูปที่ 5) โดยหน่วยที่ติดตั้งบนราง DIN นี้ให้เอาต์พุต 15 V, 1 A จากอินพุต AC 80 V ถึง 275 V หรืออินพุต DC 370 V กำลังขับสูงสุดคือ 15 W และประสิทธิภาพที่โหลดเต็มที่คือ 85% หน่วยต่างๆ ได้รับการรับรองความปลอดภัยและ EMI ในระดับสากลตามมาตรฐานหม้อแปลงทางการแพทย์ ครัวเรือน อุตสาหกรรม และความปลอดภัย

รูปที่ 5: RACM15E-15SK/PMAD-CTN คือตัวแปลง AC/DC 15 V, 15 W ที่ติดตั้งบนราง DIN สำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงาน (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

ข้อควรพิจารณาในการออกแบบสำหรับแหล่งจ่ายไฟราง DIN

นอกเหนือจากข้อกำหนดด้านความปลอดภัย EMC และ EMI แล้ว นักออกแบบยังต้องพิจารณาพารามิเตอร์ที่สำคัญอื่นๆ เพื่อให้แน่ใจว่าแหล่งจ่ายไฟ AC/DC ของโรงงานสามารถทำงานได้โดยไม่เกิดความล้มเหลวเป็นเวลานาน

ตัวอย่างเช่น การจำกัดอุณหภูมิในการทำงานให้ต่ำกว่าค่าพิกัดสูงสุดของแหล่งจ่ายไฟถือเป็นสิ่งสำคัญเพื่อหลีกเลี่ยงปัญหา อุณหภูมิในการทำงานที่สูงอาจทำให้ประสิทธิภาพลดลง ขณะเดียวกันก็ลดอายุการใช้งานและเพิ่มความเสี่ยงของการทำงานที่ไม่ถูกต้องและความล้มเหลว อุณหภูมิที่ต่ำยังสามารถทำให้เกิดปัญหาด้านประสิทธิภาพได้ เช่น แรงดันไฟขาออกที่เพิ่มขึ้น และการควบคุมขาออกที่ไม่ดี ยิ่งไปกว่านั้นการเปลี่ยนแปลงคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่อุณหภูมิต่ำอาจส่งผลให้ไม่สามารถเริ่มต้นได้

โดยทั่วไปแล้ว ผู้ผลิตจะแนะนำให้ลดแรงดันไฟฟ้าของแหล่งจ่ายไฟเมื่ออุณหภูมิสูงเกินเกณฑ์อุณหภูมิที่กำหนด และอุปกรณ์ในซีรีย์ REDIIN120 ยังรวมระบบตัดไฟอัตโนมัติเมื่ออุณหภูมิสูงเกินอุณหภูมิทำงานสูงสุดอีกด้วย กราฟการลดระดับสำหรับแหล่งจ่ายไฟ AC/DC REDIIN120-24 120 W (รูปที่ 6) แสดงให้เห็นการลดลงของกำลังไฟฟ้าขาออกที่สูงกว่า +40°C สำหรับอินพุต 100 V_AC และ 115 V_AC อินพุตและสูงกว่า +50°C สำหรับอินพุต 230 V_AC การทำงานที่อุณหภูมิสูงเกิน +70°C จะมีการตัดการทำงาน

รูปที่ 6: กราฟการลดระดับสำหรับแหล่งจ่ายไฟ AC/DC REDIIN120-24 120 W แสดงให้เห็นการลดลงของกำลังไฟฟ้าขาออกที่สูงกว่า +40°C สำหรับอินพุต +100 V_AC และ 115 V_AC และสูงกว่า +50°C สำหรับอินพุต 230 V_AC การทำงานที่อุณหภูมิสูงเกิน +70°C จะมีการตัดการทำงาน (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

สิ่งที่ต้องพิจารณาอีกประการหนึ่งคือความยาวของสายเคเบิล สายไฟที่ยาวเกินไปอาจทำให้เกิดการสูญเสียความต้านทานซึ่งส่งผลให้แรงดันไฟฟ้าลดลงที่โหลดต่ำกว่าขีดจำกัดที่อนุญาต การเพิ่มขนาดเส้นลวดหรือแรงดันไฟขาออกและการใช้การควบคุม DC/DC ในพื้นที่ที่จุดโหลด (PoL) สามารถเอาชนะการสูญเสียสายเคเบิลได้

อีกทั้งยังต้องพิจารณาประเภทของโหลดด้วย การจ่ายพลังงานให้กับโหลดแบบเก็บประจุหรือแบบเหนี่ยวนำอาจเป็นเรื่องท้าทาย โหลดเหนี่ยวนำ เช่น มอเตอร์ โซลินอยด์ และรีเลย์ อาจทำให้เกิดไฟกระชากสูงได้ การจ่ายโหลดแบบความจุสามารถลดการตอบสนองโหลดแบบไดนามิกของแหล่งจ่ายไฟหรือทำให้เกิดความไม่เสถียรและริปเปิลเอาต์พุตเพิ่มขึ้น นักออกแบบควรพิจารณาประเภทของโหลดที่การใช้งานที่ต้องการอย่างรอบคอบเมื่อเลือกแหล่งจ่ายไฟเพื่อให้แน่ใจว่าสามารถรองรับได้ ตัวอย่างเช่น หน่วย REDIIN120 นำเสนอโหมดกระแสคงที่ ทำให้ซีรีส์นี้เหมาะสำหรับโหลดเหนี่ยวนำและความจุ

ท้ายที่สุด เอาต์พุต OCP เป็นสิ่งสำคัญในการลดผลกระทบของรอบที่พลาดและการหลุดออกให้เหลือน้อยที่สุด เทคนิคทั่วไปในการป้องกันแหล่งจ่ายไฟ ได้แก่ การจำกัดกระแสไฟให้เป็นค่าที่ตั้งไว้ การ "ย้อนกระแสไฟกลับ" ไปที่ค่าที่ปลอดภัยโดยเพิ่มโหลด หรือการป้องกัน "ฮิคคัป" โดยที่เอาต์พุตจะถูกปิดและเปิดใหม่อีกครั้งหลังจากระยะเวลาที่ล่าช้า หากยังมีภาวะกระแสเกินอยู่ วงจรฮิคคัปจะเกิดขึ้นซ้ำอีกครั้ง ผลิตภัณฑ์ REDIIN120 มีคุณสมบัติป้องกันอาการฮิคคัป

ตัวอย่างเช่น แหล่งจ่ายไฟ AC/DC รุ่น REDIIN120-24 120 W ทำงานในโหมดแรงดันคงที่ภายในช่วงโหลดที่กำหนด (รูปที่ 7) สำหรับค่า OCP เอาต์พุต เมื่อเกินค่าพิกัดกระแสไฟฟ้าสูงสุด 105% ถึง 150% ของค่าที่กำหนด อุปกรณ์จะเข้าสู่โหมดกระแสไฟฟ้าจำกัด ซึ่งจะขับแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตไปที่ประมาณ 80% ของค่าตั้งค่าที่กำหนด การเพิ่มโหลดทำให้แหล่งจ่ายไฟเข้าสู่โหมดฮิคคัปพร้อมการรีสตาร์ทอัตโนมัติ

รูปที่ 7: แหล่งจ่ายไฟ AC/DC REDIIN120-24 120 W ทำงานในโหมดแรงดันคงที่ภายในช่วงโหลดที่กำหนด สำหรับค่า OCP เอาต์พุต เมื่อเกินค่าพิกัดกระแสไฟฟ้าสูงสุด 105% ถึง 150% ของค่าที่กำหนด อุปกรณ์จะเข้าสู่โหมดกระแสไฟฟ้าจำกัด ซึ่งจะขับแรงดันไฟฟ้าเอาต์พุตไปที่ประมาณ 80% ของค่าตั้งค่าที่กำหนด การเพิ่มโหลดทำให้แหล่งจ่ายไฟเข้าสู่โหมดฮิคคัปพร้อมการรีสตาร์ทอัตโนมัติ (แหล่งที่มาภาพ: RECOM Power)

สรุป

แหล่งจ่ายไฟแบบโมดูลาร์ติดตั้งบนราง DIN เชิงพาณิชย์จาก RECOM นำเสนอโซลูชันที่คุ้มต้นทุน กะทัดรัด เชื่อถือได้ และใช้งานง่ายสำหรับระบบอัตโนมัติในโรงงาน หน่วยต่างๆ ได้รับการรับรองล่วงหน้าตามข้อบังคับ และมาพร้อมกับเอาต์พุตแรงดันไฟฟ้าและกระแสไฟฟ้ากระแสตรงมาตรฐานต่างๆ โดยอุปกรณ์ดังกล่าวมีคุณลักษณะด้านความปลอดภัยให้เลือกมากมาย และยังมีตัวเลือกสำหรับการจ่ายไฟให้กับโหลดแบบเก็บประจุและเหนี่ยวนำอีกด้วย