공간 절약형 DIN 레일 AC/DC 전원 공급 장치 및 전자 퓨즈를 사용하여 산업용 DC 전원을 안정적으로 공급

산업, 공장, 빌딩, 공정 자동화, 발전 및 배전, 인프라, 데이터 및 통신 응용 분야를 위한 AC/DC 전원 공급 장치의 설계자 또는 지정자는 수많은 전기적, 물리적, 배포, 유지보수, 안전 및 규정 준수 문제에 직면해 있습니다. 쉽게 구할 수 있는 DIN 레일 공급 장치 그리고 이러한 응용 분야를 위해 특별히 설계된 퓨즈를 신중하게 선택함으로써 이러한 문제를 해결할 수 있습니다.

이 기사에서는 이러한 소모품을 구현할 때 발생하는 문제에 대한 간략히 설명합니다. 그런 다음 산업용 등급의 DC 전력을 안정적이고 안전하게 공급하는 RECOM Power의 DIN 레일 AC/DC 및 DC/DC 전원 공급 장치와 지원 퓨즈 제품군을 소개합니다.

산업 전력 부문의 도전 과제

산업용 응용 제품에 사용되는 전원 공급 장치는 콤팩트해야 하고, 광범위한 3상 AC 또는 고전압 DC 입력을 수용해야 하며, 효율성이 높고, 수많은 규제 의무를 충족하고, 이중화를 위한 병렬 작동을 지원하고, 강력한 사용자 및 시스템 보호 기능을 제공해야 합니다. 또한 수동 냉각만을 사용하면서 넓은 온도 범위에서 성능 사양을 충족하고, 높은 평균 무고장 시간(MTBF)으로 전반적인 견고성을 입증해야 하며, 배포 및 유지 관리가 비용 효율적이어야 합니다.

이러한 요구 사항으로 인해 맞춤형 설계 및 폼 팩터가 배제되고 DIN 레일 마운트 공급 장치 및 퓨즈가 선호됩니다. 이제 응용 제품에 최적화하기 위한 신중한 선택으로 과제가 옮겨갑니다.

전원 공급 장치: 패키지 먼저 고려

전원 공급 장치는 시스템 무결성에 중요한 역할에 비해 과소평가되는 경우가 많습니다. 산업 환경의 전기, 기계, 열 성능에 영향을 미치는 패키지에서부터 설계가 시작됩니다. 그렇기 때문에 거의 모든 경우에 산업용 공급 장치는 표준 DIN 레일 장착용으로 설계됩니다(그림 1).

그림 1: 다양한 유형의 모듈이 DIN 레일에 장착된 산업용 캐비닛을 사용하면 전면 모듈을 편리하게 설치 및 제거할 수 있을 뿐만 아니라 배선에 바로 액세스할 수 있습니다(이미지 출처: Hackaday).

레일은 장비 캐비닛 또는 인클로저의 후면 패널에 부착됩니다. 모터 구동기, 루프 컨트롤러, 전원, 신호 인터페이스, 안전 서브 시스템, 통신 인터페이스 등 모든 전기 모듈이 이 레일에 장착되며, 모든 전원 및 신호 연결은 전면에서 액세스할 수 있습니다.

DIN 레일 방식은 모듈의 전면 및 후면 연결부가 있는 19" 랙과 뚜렷한 대조를 이룹니다. 이 랙은 실험실 계측 및 테스트/측정 시스템에서 널리 사용되며, 수용해야 하는 모듈 수가 많아 캐비닛 공간이 부족한 경우가 많기 때문에 DIN 레일이 더 편리하고 실용적인 옵션입니다.

산업용 응용 제품에서 많은 AC/DC 공급 장치가 3상, 320V_AC ~ 575V_AC 라인 입력에서 작동하며 모터 컨트롤러와 같은 부하에 깨끗하고 안정적이며 과도 전류에 강한 24V_DC 또는 48V_DC를 공급해야 합니다. 또한 현재 많은 응용 제품들이 430V ~ 815V의 고전압 DC 전원으로 작동해야 합니다. 마이크로그리드 기반 공장 자동화 응용 제품과 바이오가스, 광발전, 풍력 설비를 포함한 재생 에너지 솔루션의 경우 DC 전원 사용이 적합합니다.

DIN 레일 실장을 사용하여 산업용 응용 제품에 전력을 공급해야 하는 까다로운 요구 사항을 충족하기 위해 설계자는 RECOM Power의 3상 RACPRO1 AC/DC 전원 공급 장치 제품군을 사용할 수 있는데, 이 제품군은 고전압 DC 입력과 함께 사용할 수도 있습니다.

예를 들어 RACPRO1-T240/24, RACPRO1-T480/24, RACPRO1-T960/24(그림 2, 왼쪽에서 오른쪽으로)는 각각 240W, 480W, 960W의 전력 레벨과 24V의 출력을 제공합니다. 48V 출력 버전도 제공되지만 그 외에는 동일합니다. 또한 이러한 전원 공급 장치의 공칭 출력 전압은 24V에서 최대 28V까지, 48V에서 최대 56V까지 조정할 수 있습니다.

그림 2: 콤팩트한 RACPRO1-T240/24(왼쪽), RACPRO1-T480/24(가운데) 및 RACPRO1-T960/24(오른쪽) DIN 레일 전원 공급 장치는 각각 240W, 480W 및 960W를 공급합니다(이미지 출처: RECOM Power).

이 모듈의 중요한 특징은 콤팩트한 폼 팩터입니다. 구체적으로 각 공급 장치의 폭은 각각 43mm, 52mm, 80mm(1.69", 2.05", 3.15")이며, 세 모듈의 높이는 모두 135mm(5.31"), 깊이는 140mm ~ 156mm(5.51" ~ 6.14")로 모델에 따라 다릅니다. +25° 푸시인 커넥터가 있는 푸시인 와이어 케이지 클램프를 사용하여 도구 없이 빠르고 쉽게 설치 및 제거할 수 있도록 모듈이 설계되었다는 점은 설치자와 기술자에게 중요한 특징입니다.

RACPRO1 계열은 효율이 높아 운영 비용을 낮추고 전원 공급 장치에서 발생하는 열을 줄여줍니다. 따라서 열 방출을 위해 필요한 방열판과 표면적이 적습니다.

이러한 공급 장치는 팬이나 기타 활성 시스템을 통한 강제 공기 냉각이 필요하지 않으며, 자연 대류에 의해서만 냉각되도록 설계되어 산업 환경에서 또 다른 이점을 제공합니다. 각 모듈에는 두 개의 개별 공기 흐름 연도 채널이 통합되어 있어 냉각을 위한 '굴뚝 효과'를 극대화합니다.

레이아웃과 부품을 제대로 선택하면 크기는 작게 유지하면서 효율을 높일 수 있습니다. RACPRO1-T960/24 장치의 효율은 96%, RACPRO1-T240/24 및 RACPRO1-T480/24의 효율은 각각 94.1% 및 95%입니다. 또한 수백 와트의 전력을 공급하지만 무부하 상태에서는 약 1W만 필요합니다.

이러한 전원 공급 장치의 우수한 효율과 냉각 기능 덕분에 높은 작동 온도에 대한 등급을 받을 수 있습니다. 960W RACPRO1-T960/24 공급 장치는 최대 출력 전력 등급을 +60°C까지 제공할 수 있으며, 240W RACPRO1-T240/24는 최고 범위가 +70°C까지 약간 더 확장되어 있습니다.

고온만이 문제가 되는 것은 아니며 실외 HVAC 장비와 같은 많은 시스템도 극한의 추위에 노출될 수 있습니다. 이러한 요구를 해결하기 위해 RACPRO1 공급장치는 -40°C에서 작동하도록 정격화되었습니다.

전기적 성능 및 기능

산업 환경을 위한 전원 공급 장치는 다양한 입력 전압과 부하에 걸쳐 공칭 전압값을 제공하는 것 이상의 기능을 수행해야 합니다. 기타 필수 특성으로는 높은 리턴 전압 내성, 확장된 서지 내성 및 전력 부스트 기능이 있습니다.

• 모터와 같은 비저항성 부하에 전원을 공급하거나 전원을 차단할 때 전원 공급 장치의 출력에 역류(역피딩이라고도 함)가 발생할 수 있습니다. 리턴 전압 내성은 역류 전압을 견딜 수 있는 능력입니다. RACPRO1 공급 장치에서 24V 출력은 35V에 대한 리턴 전압 내성을 가지며, 48V 출력은 63V에 대한 내성을 가집니다.
• 회선 서지의 경우, 해당 산업 및 규제 표준에 정의된 대로 6kV까지 서지 내성을 확장한 것이 특징입니다.
• 이러한 전원 공급 장치는 정격 출력 전력보다 더 많은 전력을 잠시 필요로 하는 부하를 수용하기 위해 전력 부스트 기능을 제공합니다. 예를 들어, 고출력 RACPRO1-T960/24는 6초 동안 전력을 150%까지 높일 수 있으므로 일시적인 부하 조건으로 인한 많은 중단을 방지할 수 있습니다.

480W 및 960W RACPRO1 장치의 또 다른 사용자 친화적인 기능은 공급 장치가 제공하는 정격 출력 전력의 백분율을 나타내는 간단한 단일 수직 LED 라인입니다(그림 3).

그림 3: 480W 및 960W RACPRO1 모듈에는 공급 장치가 제공하는 정격 출력 전력의 백분율을 표시하는 편리한 표시기가 포함되어 있습니다(이미지 출처: RECOM Power).

분석, 설계 및 평가를 통한 신뢰성

모든 응용 제품에는 안정성이 필수입니다. RACPRO1 장치의 경우 고효율로 열 방출을 줄여 부품의 신뢰성을 향상시킵니다. 또한 RACPRO1 계열은 성능과 효율성을 극대화하도록 설계되어 열 성능, MTBF, 내장된 보호 기능 등 주요 지표를 충족합니다. 또한 과전압, 단락, 과열 시 전원 차단 등의 통합 보호 기능으로 내구성을 높이고 열악한 산업 환경에서도 지속적인 작동을 보장합니다.

장기적인 신뢰성을 검증하기 위해 RECOM은 각 모델에 대해 확장 스트레스 시뮬레이션, 충격 및 진동 테스트, 고온 내구성 평가 등 엄격한 수명 테스트를 거칩니다. 모델링, 분석 및 테스트 결과 이러한 소모품의 수명은 가장 스트레스가 심한 조건인 최대 부하 상태에서 40˚C에서 약 80,000시간인 것으로 나타났습니다.

그럼에도 불구하고 내부 또는 외부 요인으로 인해 드물게 발생하는 장애조차도 용납할 수 없는 경우도 있습니다. 이러한 경우 RACPRO1-T480/24 및 -T960/24 모델을 사용하면 두 개 이상의 유닛을 병렬로 연결하여 이중화 또는 출력 용량을 늘릴 수 있습니다(그림 4).

그림 4: RACPRO1-T480/24 및 RACPRO1-T960/24를 병렬로 사용하여 백업 이중화를 제공하거나 전력 출력 등급을 높일 수 있습니다(이미지 출처: RECOM Power).

이 배열은 이중화를 제공하고 두 공급 장치가 전력을 균등하게 분배하여 부하 공유를 지원합니다. 이러한 기능은 시스템 중단을 방지하고 중단이 생산성과 안전에 영향을 미칠 수 있는 산업 자동화 환경 및 기타 작업에서 안정적인 전력을 유지합니다. 또한 이러한 공급 장치의 잘 정의된 정전압/정전류(CV/CC) 출력 특성 덕분에 추가 백업을 위한 배터리 충전이 가능합니다.

규제 의무 충족

전원 공급 장치는 다른 전자 제품과 마찬가지로 수많은 규제의 적용을 받습니다. 이 중 일부는 역률(이러한 공급 장치의 경우 0.9 이상), 전자파 장해(EMI), 다양한 전력 수준에서의 효율성 및 무부하 전력 손실과 같은 작동 측면과 관련이 있습니다. 다른 의무 사항은 안전과 관련된 것입니다.

다양한 전기 성능 인증 중 EN 61000-6-4 클래스 B(방출) 및 EN 61000-6-2(내성)를 준수하는 전원 공급 장치입니다. 또한 이 장치는 글로벌 안전 표준 IEC/EN/UL 62368-1, IEC/EN/UL 61010-1 및 IEC/EN/UL/CSA 61010-2-201에 따라 인증되었습니다.

만일을 대비하여 퓨즈 추가

이러한 공급 장치 내 수많은 보호 기능을 고려할 때 심각한 과전류에 반응하여 '트립'되는 퓨즈는 불필요한 것으로 보입니다. 그럴 수도 있지만 설계자는 설치 시점에 적용되는 전기 규정에 의해 의무화되어 있을 가능성이 높으므로 이에 대비해 퓨즈 설치를 고려해 보는 것이 좋습니다.

이러한 요구를 충족하기 위해 RACPRO1 계열은 기존의 온도 퓨즈 또는 회로 차단기 대신 사용할 수 있도록 완전히 승인된 RACPRO1-4SP/24V/5A DIN 레일 전자 퓨즈 모듈(그림 5)로 지원됩니다. 이 장치는 RACPRO1 제품군뿐만 아니라 모든 전원 공급 장치와 함께 사용할 수 있습니다.

110.2mm × 72.0mm × 61.9mm(4.34" × 2.83" × 2.44")로 크기가 콤팩트한 RACPRO1-4SP/24V/5A는 메인 DC 레일에 연결된 모니터링 소자로 작동합니다. 이 5A 모듈(10A 버전도 제공)은 독립적인 과전류 제한 제어 및 실시간 출력 전류 표시 기능을 통해 24V_DC를 개별적으로 제어되는 4개의 부하 채널에 분배합니다.

그림 5: RACPRO1-4SP/24V/5A DIN 레일 전자 퓨즈 모듈에는 각각 5A 정격의 독립적인 전자 퓨즈 4개가 있습니다(이미지 출처: RECOM Power).

이들 채널에서는 입력 돌입 전류를 줄이기 위해 사전 설정 가능한 시간 지연으로 순차적으로 전원을 켭니다. 시스템 과부하 조건에서 채널은 역순으로 부하를 분리하여 필수 기능을 끝까지 실행합니다. 채널을 연결하여 작동시킬 수도 있지만, 각 채널을 독립적으로 켜거나 끌 수 있어 오류 진단 또는 유지보수가 용이합니다.

전자 퓨즈 모듈은 기존의 열 '과전류 시 개방' 퓨즈를 단순히 대체하는 것 이상의 기능을 제공합니다. 내부 논리 회로에 의해 제어되어 부하와 전원 공급 장치를 보호하고 우선 순위를 지정하며 과전류, 저전압 및 과전압 조건을 감지하고 동적으로 반응합니다.

각 채널은 독립적으로 보호되므로 개별 부하의 과부하 또는 오류 조건이 전체 시스템 안정성이나 기능에 영향을 미치지 않습니다. 이 모듈은 기본 5A 최대 채널 전류 외에도 5초 동안 150% 전력 부스트를 제공하고 최대 100ms 동안 150% 과부하를 처리하여 성가신 트립을 방지할 수 있습니다. 부하 이동, 모터 정지, 시동 전류 급증 및 기타 중단 이벤트가 예상되고 피할 수 없는 산업 시설에서 이러한 모든 사항은 중요한 고려 사항입니다.

추가 문제 해결 기능으로, 각 채널에는 상태 표시를 위한 LED 표시줄이 있습니다(그림 6). 출력 전류 상태가 녹색에서 노란색(한도 내 전류), 주황색(한도 초과 전류), 빨간색(과전류 또는 단락)으로 바뀌면서 표시됩니다.

그림 6: 4개의 전자 퓨즈 각각에는 채널 상태에 대한 상당한 양의 정보를 신속하게 전달하는 멀티컬러 LED 스트립 표시기가 있습니다(이미지 출처: RECOM Power).

RACPRO1 전원 공급 장치를 보완하는 이 전자 퓨즈는 +40°C에서 80,000시간 이상의 기대 수명을 제공하며 도구가 필요 없는 푸시인 및 레버 해제 단자로 배선을 쉽게 할 수 있습니다.

결론

산업용 응용 제품에 사용되는 전원 공급 장치는 고전압 AC 주전원 또는 DC 레일에서 저전압 DC를 콤팩트한 폼 팩터로 안정적이고 효율적으로 공급해야 합니다. RECOM Power의 DIN 레일 마운트 RACPRO1 모듈은 이러한 요구 사항을 충족하는 동시에 설치 및 유지보수를 간소화합니다. 상호 보완적인 4채널 전자 퓨즈 모듈은 독립적인 채널을 제공하면서 보다 효과적인 작동과 향상된 고장 감지 및 관리를 위해 연결할 수 있습니다.

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