공장 자동화를 위한 AC/DC 전원 공급 장치 선택 및 적용

산업용 사물 인터넷(IIoT) 및 Factory 4.0 기술의 적용으로 공장 자동화 전환이 가속되고 있습니다. 강력한 전원 공급 장치는 이러한 기술의 기반 인프라를 구성합니다. 따라서 설계자는 제조 시설의 자동화, 네트워킹, 테스트 및 측정 장비 요구 사항을 충족하기 위해 다양한 전압 레벨을 지원하는 안정적인 전원 공급 장치를 신속하게 배포할 수 있어야 합니다.

이러한 요구에 대응하기 위해 설계자는 많은 비용과 시간을 들여서 직접 전원 공급 장치를 제작하거나 작업에 적합하고 예산 제약 내에서 쉽게 구할 수 있는 솔루션을 찾을 수 있습니다. 두 솔루션 모두 전자파 적합성(EMC) 및 안전 표준을 준수하면서 전자파 장해(EMI) 규정을 충족해야 합니다. 또한 공장 자동화 전원 공급 장치에는 산업 환경에 적합하도록 보호 기능이 있어야 합니다.

이 기사에서는 공장 자동화 응용 분야를 위한 AC/DC 전원 공급 장치의 요구 사항을 간략하게 설명하고 중요한 성능과 폼 팩터 선택 기준에 대해 요약합니다. 그런 다음 즉시 배포 가능한 장치의 예로 RECOM Power의 DIN 레일 전원 공급 장치를 소개하겠습니다.

공장 자동화를 위한 전원 공급 장치

공장 자동화에는 네트워킹 장비와 테스트 및 측정 도구도 포함되며, 강력하고 안정적인 전력이 매우 중요합니다. 전원 공급 장치 요구 사항은 응용 분야와 장비에 따라 다릅니다. 일반적인 솔루션은 주 전원 AC 전압(90V_AC ~ 264V_AC, 국가마다 약간씩 다름)을 DC 전압으로 변환합니다. 공장 자동화 장비는 12V, 15V, 24V, 48V 등 여러 표준 DC 전압에서 작동하므로 다양한 출력 요구 사항이 있습니다.

관련 안전 및 기타 규정에 대한 인증된 준수 이외에 모듈식 솔루션은 일반적으로 에너지 밀도와 효율성을 염두에 두고 설계됩니다. 다양한 표준 전압 및 전류 요구 사항을 충족하며 높은 신뢰성과 수명을 고려하여 제조됩니다.

공장 자동화를 위한 상용 모듈식 전원 공급 장치에는 널리 사용되는 DIN 레일 시스템에 적합한 옵션이 포함되어 있어 쉽게 배포할 수 있습니다. 이 시스템은 범용 표준 너비와 실장 하드웨어 모양으로 작동합니다. DIN 레일 시스템을 사용하여 설치하면 제조업체에 상관없이 전원 공급 장치를 포함한 전체 제품군에서 치수 일관성이 보장됩니다.

이러한 브랜드 간 호환성으로 인해 DIN 레일 시스템 사용자는 부품을 유연하게 혼합 및 정합할 수 있습니다(그림 1).

그림 1: DIN 레일을 사용하면 전원 공급 장치 배포가 간소화되고 부품의 혼합 및 정합이 가능합니다. (이미지 출처: RECOM Power)

비용 효율적인 DIN 레일 전원 공급 장치

공장 자동화 인프라는 여러 전원 공급 장치를 사용하므로 비용이 빠르게 증가합니다. RECOM Power REDIIN120 계열 120W DIN 레일 AC/DC 전원 공급 장치(그림 2)는 콤팩트하고 안정적이면서 비용을 최소화하도록 설계되었습니다. 각 장치의 크기는 123.6mm x 30.0mm x 116.8mm입니다.

그림 2: REDIIN120 계열 120W DIN 레일 전원 공급 장치의 크기는 123.6mm x 30.0mm x 116.8mm입니다. (이미지 출처: RECOM Power)

대류 냉각식 REDIIN120 AC/DC 전원 공급 장치는 -30°C ~ +50°C 온도 범위에서 최대 전력으로 작동할 수 있습니다. 이러한 제품은 안전 표준 IEC 62368-1, IEC 61010-1 및 IEC 61010-2-201에 따라 인증됩니다.

전원 공급 장치를 통한 전자기 방사 및 전도성 방출은 EN 61000-6-2 내성 표준 및 중공업 EN 61000-6-4 클래스 B 방출 표준을 준수합니다. 또한 RoHS 규정에 따른 환경 보호 요구 사항을 준수합니다.

REDIIN120 계열은 세 가지 모델로 구성되며, 각 모델은 90V_AC ~ 264V_AC 입력에서 작동하고 출력 전압만 다릅니다. REDIIN120-12의 공칭 출력은 12V이며 10.8V ~ 13.2V 사이에서 가변적입니다. REDIIN120-24의 공칭 출력은 24V이며 21.6V ~ 26.4V 사이에서 가변적입니다. REDIIN120-48의 출력은 48V이며 43.2V ~ 52.8V 사이에서 가변적입니다. 최대 출력 전류는 각각 10A, 5A, 2.5A입니다.

전원 공급 장치는 장치에 따라 86% ~ 89.5% 사이의 최대 효율로 작동하며(그림 3), 무부하 전력 소비는 12V 및 24V 버전의 경우 150mW이고 48V 버전의 경우 210mW입니다.

그림 3: REDIIN120-24 전원 공급 장치의 효율성과 출력 부하를 비교하여 보여줍니다. (이미지 출처: RECOM Power)

이 전원 공급 장치는 정전류 모드에서 작동할 수 있으므로 모터, 솔레노이드, 계전기와 같은 유도 용량 및 정전 용량 부하에 적합한 계열입니다. 시동 시 최대 정전 용량 부하는 12V 및 24V 장치의 경우 8mF이고, 48V 장치의 경우 3mF입니다.

REDIIN120 전원 공급 장치는 포괄적인 과전류 보호(OCP), 과전압 보호(OVP), 고온 보호(OTP) 기능을 제공합니다(그림 4). 전압이 17.4V_DC(12V 장치), 33.6V_DC(24V 장치), 64.8V_DC(48V 장치)를 초과하면 래치 오프 조건이 생성됩니다.

그림 4: REDIIN120 계열은 포괄적인 보호 기능을 제공합니다. 전압이 17.4V_DC(12V 장치), 33.6V_DC(24V 장치), 64.8V_DC(48V 장치)를 초과하면 래치 오프 조건이 생성됩니다. (이미지 출처: RECOM Power)

REDIIN 제품군에는 15V 모델이 없습니다. 하지만 RECOM Power에서는 15V 작동을 위한 RACM15E-15SK/PMAD-CTN AC/DC 컨버터를 제공합니다(그림 5). 이 DIN 레일 실장 장치는 80V ~ 275V AC 입력 또는 370V DC 입력에서 15V, 1A 출력을 제공합니다. 최대 출력 전력은 15W이고 최대 부하 시 효율은 85%입니다. 이 장치는 의료, 가정, 산업 및 안전 변압기 표준에 대한 국제 안전 및 EMI 인증을 받았습니다.

그림 5: RACM15E-15SK/PMAD-CTN은 공장 자동화를 위한 15V, 15W DIN 레일 실장 AC/DC 컨버터입니다. (이미지 출처: RECOM Power)

DIN 레일 전원 공급 장치의 설계 고려 사항

설계자는 안전, EMC 및 EMI 요구 사항 이외에 공장 AC/DC 전원 공급 장치가 장기간 고장 없이 작동할 수 있도록 다른 중요한 파라미터를 고려해야 합니다.

예를 들어 문제를 방지하기 위해 작동 온도를 전원 공급 장치의 최대 정격 이하로 제한해야 합니다. 작동 온도가 높으면 성능이 저하되고 작동 수명이 단축되며 오작동 및 고장의 위험이 높아질 수 있습니다. 반대로 작동 온도가 낮으면 출력 전압 리플 증가, 출력 조정 불량 등 성능 문제가 발생할 수 있습니다. 또한 저온에서 전기적 특성이 변경되어 시동이 걸리지 않을 수 있습니다.

제조업체는 일반적으로 온도 임계값 이상으로 전력 공급 장치의 부하를 경감할 것을 권장하며, REDIIN120 계열 장치에는 최대 작동 온도 이상의 안전 차단 기능도 포함되어 있습니다. REDIIN120-24 120W AC/DC 전원 공급 장치의 부하 경감 곡선(그림 6)에 따르면 100V_AC 및 115V_AC 입력의 경우 +40°C 이상에서, 230V_AC 입력의 경우 +50°C 이상에서 전력 출력이 감소됩니다. 70°C 이상에서 작동하면 차단 기능이 트리거됩니다.

그림 6: REDIIN120-24 120W AC/DC 전원 공급 장치의 부하 경감 곡선에 따르면 +100 V_AC 및 115V_AC 입력의 경우 +40°C 이상에서, 230V_AC 입력의 경우 +50°C 이상에서 전력 출력이 감소됩니다. 70°C 이상에서 작동하면 차단 기능이 트리거됩니다. (이미지 출처: RECOM Power)

케이블 길이도 고려해야 합니다. 전원 케이블이 지나치게 길면 저항 손실이 발생하여 허용 한도 이하의 부하에서 전압이 감소할 수 있습니다. 전선 규격 또는 출력 전압을 높이고 부하점(PoL)에서 현지 DC/DC 조정을 사용하면 케이블 손실을 해결할 수 있습니다.

부하 유형도 고려해야 합니다. 정전 용량 또는 유도 용량 부하에 전력을 공급하는 것은 까다로울 수 있습니다. 모터, 솔레노이드, 계전기와 같은 유도 용량 부하는 고전압 스파이크를 일으킬 수 있습니다. 정전 용량 부하를 공급하면 전원 공급 장치의 동적 부하 응답이 감소하거나 불안정해지고 출력 리플이 증가할 수 있습니다. 설계자는 전원 공급 장치를 선택할 때 응용 분야에 요구되는 부하 유형을 신중하게 고려해야 합니다. 예를 들어 REDIIN120 장치는 정전류 모드를 제공하므로 유도 용량 및 정전 용량 부하에 적합한 계열입니다.

마지막으로 출력 OCP는 누락된 주기 및 드롭아웃의 영향을 최소화하는 데 중요합니다. 전원 공급 장치를 보호하는 일반적인 기술로는 전류를 설정된 값으로 제한하거나, 부하가 증가하면 전류를 안전한 값으로 '폴드백'하거나, 출력을 껐다가 잠시 후 다시 켜는 '히컵' 보호 등이 있습니다. 과전류 상태가 여전히 존재하면 히컵 주기가 반복됩니다. REDIIN120 제품은 히컵 보호 기능을 제공합니다.

예를 들어 REDIIN120-24 120W AC/DC 전원 공급 장치는 정격 부하 범위 내에서 정전압 모드로 작동합니다(그림 7). 출력 OCP의 경우 최대 정격 전류가 공칭 값의 105% ~ 150%를 초과하면 장치가 제한 전류 모드로 전환되어 출력 전압이 공칭 설정점의 약 80%로 구동됩니다. 부하가 증가하면 전원 공급 장치가 자동으로 다시 시작되어 히컵 모드로 전환됩니다.

그림 7: REDIIN120-24 120W AC/DC 전원 공급 장치는 정격 부하 범위 내에서 정전압 모드로 작동합니다. 출력 OCP의 경우 최대 정격 전류가 공칭 값의 105% ~ 150%를 초과하면 장치가 제한 전류 모드로 전환되어 출력 전압이 공칭 설정점의 약 80%로 구동됩니다. 부하가 증가하면 전원 공급 장치가 자동으로 다시 시작되어 히컵 모드로 전환됩니다. (이미지 출처: RECOM Power)

결론

RECOM의 상용 DIN 레일 실장 모듈식 전원 공급 장치는 공장 자동화를 위한 비용 효율적이고 콤팩트하며 안정적이고 배포하기 쉬운 솔루션을 제공합니다. 필수 규정에 따라 사전 인증을 받은 장치이므로 다양한 표준 DC 전압 및 전류 출력으로 공급됩니다. 또한 다양한 안전 기능을 제공하며 정전 용량 및 유도 용량 부하를 구동할 수 있는 옵션을 제공합니다.