Utilice fuentes de CA/CC de riel DIN que ahorran espacio y fusibles E para suministrar corriente continua industrial de forma fiable

Los diseñadores o especificadores de fuentes de alimentación CA/CC para automatización industrial, de fábricas, edificios y procesos; generación y distribución de energía; infraestructuras; y aplicaciones de datos y telecomunicaciones se enfrentan a numerosos retos eléctricos, físicos, de implementación, mantenimiento, seguridad y conformidad. Estos retos pueden abordarse seleccionando cuidadosamente las fuentes de alimentación para rieles DIN disponibles y los fusibles diseñados específicamente para estas aplicaciones.

Este artículo ofrece una breve visión general de los retos encontrados a la hora de aplicar estos suministros. A continuación, se presenta una línea de fuentes de alimentación de CA/CC y CC/CC para riel DIN y un fusible de apoyo de RECOM Power, que suministran de forma fiable y segura alimentación de CC de calidad industrial.

Los retos de la energía industrial

Las fuentes de alimentación para aplicaciones industriales deben ser compactas, aceptar una amplia gama de entradas de CA trifásica o CC de alto voltaje, ser altamente eficientes, cumplir numerosos mandatos normativos, admitir el funcionamiento en paralelo para redundancia y proporcionar una sólida protección al usuario y al sistema. También deben satisfacer las especificaciones de rendimiento en un amplio rango de temperaturas utilizando únicamente refrigeración pasiva, demostrar solidez general con un elevado tiempo medio entre fallos (MTBF) y ser rentables de implantar y mantener.

Los requisitos de estas aplicaciones impiden diseños y factores de forma personalizados, favoreciendo las fuentes y fusibles de montaje en riel DIN. El reto pasa ahora a una cuidadosa selección para optimizar la aplicación.

Fuentes de alimentación: empiece por el embalaje

Las fuentes de alimentación son a menudo infravaloradas por su papel crítico en la integridad del sistema. Su diseño comienza con el envase, que afecta al rendimiento eléctrico, mecánico y térmico en entornos industriales. Esta es la razón por la que, en casi todos los casos, los suministros industriales están diseñados para su montaje en riel DIN estándar (figura 1).

Figura 1: Un armario industrial con una amplia gama de tipos de módulos montados sobre rieles DIN permite instalar y retirar cómodamente los módulos de la parte frontal, así como acceder fácilmente al cableado. (Fuente de la imagen: Hackaday)

El riel se fija al panel trasero del armario o caja 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 riel, con todas las conexiones de alimentación y señal accesibles desde la parte frontal.

El enfoque de riel DIN contrasta claramente con el bastidor de 19" con conexiones delanteras y traseras para los módulos. Este bastidor se utiliza ampliamente en instrumentación de laboratorio y sistemas de prueba y 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 alojar.

Muchos suministros de CA/CC en aplicaciones industriales funcionan a partir de una entrada de línea trifásica de 320 V_CA a 575 V_CA y deben suministrar 24 V_CC o 48 V_CC limpios, estables y resistentes a transitorios a cargas como un controlador de motor. Además, muchas aplicaciones requieren ahora un funcionamiento a partir de 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 energías renovables, como el biogás, la energía fotovoltaica y las instalaciones eólicas.

Para satisfacer los exigentes requisitos de alimentación de aplicaciones industriales mediante montaje en riel DIN, los diseñadores pueden utilizar la familia de fuentes de alimentación CA/CC trifásicas RACPRO1 de RECOM Power. También pueden utilizarse 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) ofrecen niveles de potencia de 240 W, 480 W y 960 W, respectivamente, con salidas de 24 V. También existen versiones con una salida de 48 V, pero por lo demás son idénticas. Además, las tensiones nominales de salida de estas fuentes pueden ajustarse hasta 28 V a partir de 24 V y 56 V a partir de 48 V.

Figura 2: Las fuentes de alimentación compactas para riel 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 factor de forma compacto. En concreto, el ancho de cada suministro 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" a 6.14"). Una característica importante para los instaladores y técnicos es que los módulos están diseñados para un montaje y desmontaje rápidos, sencillos y sin herramientas, mediante abrazaderas con conectores a presión de +25°.

La alta eficiencia de la serie RACPRO1 disminuye los costos de funcionamiento y reduce el calor generado por la fuente de alimentación. Por lo tanto, se necesita un disipador más pequeño y menos superficie para la disipación térmica.

Estos suministros no requieren refrigeración por aire forzado con ventiladores u otros sistemas activos; están diseñados para refrigerarse únicamente por convección natural, otra ventaja en entornos industriales. Cada módulo incorpora dos canales de salida 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 y una selección de componentes inteligentes. La unidad RACPRO1-T960/24 tiene una eficiencia del 96%; las RACPRO1-T240/24 y RACPRO1-T480/24 tienen eficiencias de 94.1% y 95%, respectivamente. Además, a pesar de suministrar cientos de vatios, estas fuentes sólo necesitan alrededor de 1 W en vacío.

La eficacia y la refrigeración de estos suministros les permiten estar clasificados para altas temperaturas de funcionamiento. La fuente RACPRO1-T960/24 de 960 W puede suministrar toda su potencia nominal de salida hasta +60 °C; la RACPRO1-T240/24 de 240 W tiene una extensión superior ligeramente superior hasta +70 °C.

Las altas temperaturas no son la única preocupación; muchos sistemas, como los equipos de climatización exterior, también están sometidos a un frío extremo. Para responder a esta necesidad, las fuentes RACPRO1 están preparadas 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. Otros atributos necesarios son la alta inmunidad a la tensión de retorno, la inmunidad ampliada a las sobretensiones y la capacidad de refuerzo de potencia:

• Al alimentar o cortar la alimentación de una carga no resistiva, como un motor, puede producirse un reflujo (también llamado retroalimentación) en la salida de la fuente de alimentación. La inmunidad a la tensión de retorno es la capacidad de soportar la tensión de retorno. En los suministros RACPRO1, la salida de 24 V tiene inmunidad a la tensión de retorno hasta 35 V, mientras que la salida de 48 V tiene inmunidad hasta 63 V.
• Para las sobretensiones de línea, estas unidades presentan una inmunidad ampliada a las sobretensiones de hasta 6 kV, tal y como definen las normas industriales y reglamentarias aplicables.
• Estas fuentes proporcionan una capacidad de refuerzo de potencia para acomodar cargas que requieran brevemente una potencia de salida superior a la nominal. Por ejemplo, el RACPRO1-T960/24 de alta potencia puede aumentar la potencia a 150% durante 6 segundos (s), eliminando así muchas interrupciones debidas a condiciones de carga transitoria.

Otra característica de fácil manejo de las unidades RACPRO1 de 480 W y 960 W es una sencilla línea LED vertical única (figura 3) que indica el porcentaje de la potencia nominal de salida que está suministrando la fuente.

Figura 3: Los módulos RACPRO1 de 480 W y 960 W incluyen un práctico indicador que muestra el porcentaje de la potencia nominal de salida que está suministrando la fuente. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Fiabilidad mediante análisis, diseño y evaluación

Todas las aplicaciones requieren fiabilidad. En las unidades RACPRO1, la alta eficiencia reduce la disipación de calor, mejorando así 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 incorporadas. Las funciones de protección integradas, como la protección contra sobretensiones, cortocircuitos y desconexión térmica, también 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 estos suministros es de aproximadamente 80.000 horas a 40 ˚C en la condición más estresante, 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 redundancia o mayor capacidad de salida (figura 4).

Figura 4: Los modelos RACPRO1-T480/24 y RACPRO1-T960/24 pueden utilizarse en paralelo para proporcionar redundancia de reserva o aumentar la potencia nominal de salida. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Esta disposición proporciona redundancia y también permite compartir la carga, ya que ambas fuentes distribuyen la energía uniformemente. Estas características evitan el tiempo de inactividad del sistema y mantienen una alimentación 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 como respaldo adicional.

Cumplir los mandatos reglamentarios

Las fuentes de alimentación, al igual que otros productos electrónicos, están sujetas a numerosos mandatos normativos. Algunas de ellas están relacionadas con aspectos operativos como el factor de potencia (superior a 0.9 para estas fuentes), las interferencias electromagnéticas (EMI), la eficiencia a diferentes niveles de potencia y la disipación de potencia en vacío. Otros mandatos están relacionados con la seguridad.

Entre sus numerosas certificaciones de rendimiento eléctrico, estas fuentes cumplen las normas EN 61000-6-4 Clase B (emisiones) y EN 61000-6-2 (inmunidad). Estos productos están certificados conforme a las normas de seguridad global 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 estos suministros, un fusible que se "dispare" en respuesta a una sobrecorriente severa parece innecesario. Puede que sea cierto, pero los diseñadores pueden querer que se instale 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 riel DIN RACPRO1-4SP/24V/5A (figura 5), totalmente homologado para su uso en lugar de un fusible térmico o disyuntor convencional. Tenga en cuenta que esta unidad puede utilizarse 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 elemento de monitorización conectado al riel principal de CC. Este módulo de 5 A (también se ofrece una versión de 10 A) distribuye 24 V_CC 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 fusible electrónico para riel DIN RACPRO1-4SP/24V/5A dispone de cuatro fusibles electrónicos independientes de 5 A cada uno. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Los canales se encienden secuencialmente para reducir la corriente de irrupción de entrada con un retardo de tiempo preajustable. En condiciones de sobrecarga del sistema, los canales desconectarán las cargas en secuencia inversa, manteniendo las funciones esenciales en funcionamiento hasta el final. Aunque los canales pueden estar vinculados desde el punto de vista operativo, cada uno de ellos puede conectarse o desconectarse de forma independiente para facilitar el diagnóstico de averías o el mantenimiento.

El módulo e-fuse es mucho más que un simple sustituto del clásico fusible térmico "abierto por sobrecorriente". Está controlado por circuitos lógicos internos para proteger y priorizar cargas y fuentes de alimentación, detectando y reaccionando dinámicamente ante 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 canal de 5 A, el módulo ofrece un refuerzo de potencia de 150% durante 5 s y puede soportar una sobrecarga de más de 150% durante un máximo de 100 ms para evitar disparos molestos. Todas estas son consideraciones importantes en las instalaciones industriales, donde los cambios de carga, las paradas del motor, los picos de corriente de arranque y otros eventos perturbadores son esperados e inevitables.

Como característica añadida para la localización de averías, cada canal dispone de una barra de LED para la indicación del 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 al límite) a rojo (sobrecorriente o cortocircuito).

Figura 6: Cada uno de los cuatro fusibles electrónicos tiene un indicador de tira de LED multicolor que transmite rápidamente una cantidad significativa de información sobre el estado del canal. (Fuente de la imagen: RECOM Power)

Como complementos de las fuentes de alimentación RACPRO1, estos fusibles electrónicos también tienen una vida útil superior a las 80.000 horas a +40 °C y presentan un cableado sencillo con terminales de inserción sin herramientas y de liberación por palanca.

Conclusión

Las fuentes de alimentación para aplicaciones industriales deben suministrar CC de bajo voltaje de forma fiable y eficiente a partir de una red de CA de alto voltaje o de un riel de CC en un factor de forma compacto. Los módulos RACPRO1 de RECOM Power para montaje en riel DIN cumplen estos requisitos a la vez que simplifican la instalación y el mantenimiento. El módulo complementario e-fuse de cuatro canales proporciona canales independientes a la vez que permite enlazarlos para un funcionamiento más eficaz y una mejor detección y gestión de los fallos.

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