Auswahl von Netzteilen für raue Industrieanwendungen und explosionsgefährdete Bereiche

Industrielle Systeme in rauen und explosionsgefährdeten Umgebungen, wie z. B. Fertigungsstraßen, Robotertechnik, Energieinfrastruktur, Raffinerien und Halbleiterherstellung, werden zunehmend automatisiert. Systementwickler benötigen Netzteile, die die Anforderungen an eine hohe Spitzenleistung und Gegenstromfestigkeit erfüllen und gleichzeitig Zuverlässigkeit, Langlebigkeit, Sicherheit, hohe Leistungsdichte, Effizienz und die Einhaltung komplexer gesetzlicher Vorschriften gewährleisten.

In diesem Artikel werden die Herausforderungen erörtert, denen sich Entwickler von Stromversorgungssystemen für raue Automatisierungsanwendungen gegenübersehen. Anschließend werden Hutschienennetzteile von TRACO Power vorgestellt und gezeigt, wie sie Entwicklern helfen können, diese Herausforderungen zu meistern.

Herausforderungen der industriellen Energieversorgung

Fertigungsstraßen, Systeme für erneuerbare Energien, Vertriebslager und chemische Verarbeitungsanlagen sind allesamt Anwendungen, bei denen elektronische Geräte und Systeme industriellen Umgebungen ausgesetzt sind. Die Elektronik kann extremen Temperaturen, Feuchtigkeit, mechanischen Stößen, elektromagnetischen Störungen (EMI), Vibrationen, Staub, chemischen Einflüssen und explosiven Atmosphären ausgesetzt sein. Da Elektronik in der Energieversorgung, Steuerung und Überwachung weit verbreitet ist, muss sie für alle diese Anwendungen auf Genauigkeit, Präzision, Zuverlässigkeit und Sicherheit ausgelegt sein.

Besonders kritisch sind die Netzteile. Als Herzstück der Industrieelektronik liefern sie geregelten Strom aus Wechsel- und Gleichstromquellen, und ihre Leistung muss den grundlegenden Energiebedarf der angeschlossenen Maschinen mit einer ausreichenden Sicherheitsmarge decken. So benötigen beispielsweise elektromechanische Systeme wie Motoren, Pumpen und bewegungsgesteuerte Antriebe beim Anfahren hohe Spitzenströme, die die Stromquelle liefern muss. Auch ein Schutz vor Überspannung, Überstrom und Übertemperatur ist in der Regel erforderlich.

Stromversorgungen müssen eine gute Spannungsregelung bei Last- oder Netzschwankungen aufweisen und einen hohen Wirkungsgrad gewährleisten. Dies ist besonders wichtig für Stromversorgungen in kompakten Gehäusen, bei denen ein geringer Wirkungsgrad zu einem übermäßigen Wärmestau führt.

Auch der Formfaktor des Netzteils ist wichtig. Es muss in Maschinen oder Schaltschränken untergebracht werden können, wo der Platz begrenzt ist. Für industrielle Anwendungen ist es außerdem wichtig, dass defekte Geräte schnell ausgetauscht werden können, daher sollte das Gerät so montiert sein, dass es leicht entfernt und ausgetauscht werden kann. Stromversorgungen müssen unbedingt für Sicherheit und elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) zertifiziert sein.

Gefahrenbereiche

Gefährliche Standorte (HazLoc) sind ein besonderer Bereich der Zertifizierung. Der National Electrical Code (NEC) definiert explosionsgefährdete Bereiche als Bereiche, in denen Brand- oder Explosionsgefahr durch brennbare Gase oder Dämpfe, brennbare Flüssigkeiten, brennbaren Staub oder entzündliche Fasern oder Flugstoffe bestehen kann. Netzteile und andere elektronische Geräte müssen speziell für den Betrieb in HazLoc-Umgebungen zertifiziert sein.

Underwriters Laboratories Inc. (UL) und Appareils destinés à être utilisés en Atmosphères Explosibles (ATEX) (Geräte zur Verwendung in explosionsgefährdeten Bereichen) legen die Standards für die Prüfung von HazLoc-Komponenten fest. Diese Zertifizierungen bestätigen, dass die relevanten Mindestsicherheitsstandards für den Einsatz des Geräts in bestimmten gefährlichen Umgebungen erfüllt sind.

Bei der Zertifizierung werden zwei Faktoren berücksichtigt: die Art der flüchtigen Stoffe und die Wahrscheinlichkeit ihres Vorhandenseins. Die Art der explosionsgefährdeten Stoffe bestimmt die Zertifizierungsklasse. Die Klasse 1 umfasst entzündliche Dämpfe und Gase, die Klasse 2 umfasst brennbaren Staub, wie Mehl, und die Klasse 3 umfasst entzündliche Fasern und Flugstoffe (kleine brennbare Partikel, wie z. B. Gewebe).

Die Wahrscheinlichkeit des Vorhandenseins flüchtiger Stoffe bestimmt die Klassifizierung der Bereiche. Bereich 1 deckt Umgebungen ab, in denen normalerweise Gefahrstoffe vorhanden sind. Bereich 2 deckt Umgebungen ab, in denen gefährliche Stoffe normalerweise nicht vorhanden sind, aber unter bestimmten Bedingungen vorhanden sein könnten.

Netzteile für HazLoc-Anwendungen

Die hocheffizienten Hutschienennetzteile der Serie TIB-EX von TRACO Power (Abbildung 1) sind für den Einsatz in rauen Umgebungen und gefährlichen Umgebungen konzipiert. Die Hutschiene ist eine Metallschiene, die häufig zur Montage von industriellen Steuergeräten in Gestellen oder Schränken verwendet wird. Diese Netzteile bieten auch eine Option für die seitliche Montage, die ein niedrigeres Profil für die Montage von Flachbildschirmen ermöglicht. Die Serie ist sicherheitsqualifiziert gemäß UL HazLoc Klasse 1 Bereich 2 (C1D2) und ATEX (EN60079-0, EN60079-7 und EN60079-15) und ist EMV-zertifiziert.

Abbildung 1: Die Hutschienennetzteile der Serie TIB-EX sind HazLoc-C1D2-qualifiziert, EMV-zertifiziert und haben eine Nennleistung von 80 W, 120 W, 240 W und 480 W. (Bildquelle: TRACO Power)

HazLoc-C1D2-Netzteile sind für den sicheren Betrieb in Bereichen ausgelegt, in denen entflammbare Gase oder Dämpfe normalerweise eingeschlossen sind, aber unter ungewöhnlichen Bedingungen, wie z. B. Leckagen, Gerätefehlfunktionen oder Ausfall des Lüftungssystems, entweichen können.

Die wichtigste Eigenschaft von C1D2-Geräten ist, dass sie weder unter normalen noch unter unerwarteten Betriebsbedingungen eine Zündquelle darstellen dürfen. Die Geräte sind so konstruiert, dass sie keine elektrische oder thermische Energie freisetzen, die ausreicht, um eine flüchtige Atmosphäre zu entzünden. Als solches können sie während des normalen Betriebs keine Lichtbögen oder Funken erzeugen, und ihre physikalische Verpackung begrenzt die Geschwindigkeit, mit der die flüchtige Substanz eindringen kann.

Zusätzlich zu ihren HazLoc-Zertifizierungen weisen diese konvektionsgekühlten Netzteile einen hohen Wirkungsgrad von 88 bis 95% (modellabhängig) auf und können in einem Temperaturbereich von -40°C bis +60°C (Volllast) betrieben werden. Sie sind mit Leistungen von 80 W, 120 W, 240 W und 480 W bei Ausgangsspannungen von 12 V, 24 V oder 48 V erhältlich und arbeiten mit Netzspannungen von 85 V_AC bis 264 V_AC bei 50/60 Hz.

Die TIB-EX-Serie ist ideal für industrielle Umgebungen geeignet und verfügt über eine Reihe von Schutzfunktionen, einschließlich Überspannungs- und Kurzschlussschutz am Ausgang. Auf der Eingangsseite schützen sie vor einem Spannungsabfall im Stromnetz, d. h. einem Spannungsabfall unter 90% des Nennwerts, aber nicht vor einer vollständigen Unterbrechung. Die typische Dauer liegt zwischen 3 und 10 Zyklen oder 50 ms bis 167 ms. Diese Serie entspricht der Spezifikation SEMI F47 für die Durchhangfestigkeit.

Die TIB-EX-Netzteile können auch kurzzeitige Überlastungen verkraften und halten ihre Leistung bis zu 4 Sekunden lang bei einer Überlast von 150% aufrecht. Dies ist ideal für Konstruktionen, die Schrittmotoren, Solenoide oder Aktuatoren verwenden, die beim ersten Anschluss einen hohen Strom verbrauchen.

Eine weitere häufige Erscheinung in industriellen Umgebungen ist die Rückspeisung, bei der Lasten, wie z. B. Induktoren und abbremsende Motoren, Spannung in das Stromnetz zurückspeisen können. Die TIB-EX-Serie bietet eine wichtige Funktion zur Verhinderung von Rückspeisungen, die Abschaltungen oder Fehlfunktionen unter diesen Belastungen verhindern hilft.

Schaltnetzteile (SMPS) müssen ihre Eingangskondensatoren zunächst aufladen, was zu großen Einschaltströmen führen kann, wenn das Netzteil zum ersten Mal an das Netz angeschlossen wird. Die meisten Schaltnetzteile, wie z. B. die TIB-EX-Serie, verwenden einen Einschaltstrombegrenzer, um diesen Strom zu kontrollieren. Der Einschaltstrom dieser Netzteile beträgt 30 A für einen 230-V_AC-Eingang und 15 A für einen 115-VAC-Eingang.

Alle Modelle melden den Ausgangsstatus über einen DC-OK-Kontaktschluss und DC-OK-LEDs, die sich sowohl an der Vorderseite als auch an den Seitenwänden befinden.

Das 80-W-AC/DC-Hutschienennetzteil TIB 080-112EX (Abbildung 2) bietet eine Nennausgangsspannung von 12 V und einen maximalen Strom von 6,7 A. Es ist in einem kompakten Gehäuse mit den Abmessungen 3,71" × 1,26" × 4,50" untergebracht.

Abbildung 2: Das TIB 080-112EX ist ein Hutschienennetzteil für 12 V, 80 W mit HazLoc-Zulassung. (Bildquelle: TRACO Power)

Das TIB 080-112EX verwendet einen Flyback-Schaltregler mit einer Schaltfrequenz zwischen 60 kHz und 75 kHz. Der 12-V-Ausgang ist von 11,8 V_DC bis 15,0 V_DC einstellbar, die Eingangsspannungsregelung beträgt 0,1%, aufgrund von Leitungsschwankungen über den Nenneingangsspannungsbereich, und die Lastregelung beträgt 0,5% für eine Lastschwankung von 10 bis 90% der Nennlast. Das Gerät arbeitet mit einem Wirkungsgrad von 90% und hat eine mittlere Betriebsdauer zwischen zwei Ausfällen (MTBF) von 1.950.000 Stunden (hr) gemäß IEC 61709.

Das TIB 120-124EX (Abbildung 3) ist ein Beispiel für ein 120-W-Hutschienennetzteil. Es bietet Ausgangswerte von 24 V, 5 A und misst 4,5" × 4,89" × 1,42".

Abbildung 3: Das TIB 120-124EX ist ein 24-V-Netzteil für 120 W in einem Gehäuse mit den Abmessungen 4,5" × 4,89" × 1,42". (Bildquelle: TRACO Power)

Das TIB 120-124EX verwendet eine Halbbrücken-LCC-Topologie (Induktivität-Kondensator-Kondensator) mit einer Schaltfrequenz von 70 bis 100 kHz. Außerdem verfügt es über eine aktive Leistungsfaktorkorrektur.

Der nominale 24-V-Ausgang dieses Netzteils ist von 23,5 V bis 28 V einstellbar, und es hat einen Nennwirkungsgrad von 94%. Seine MTBF beträgt 1.450.000 Stunden.

Entwickler, die eine höhere Leistung benötigen, können sich für das TIB 240-148EX (Abbildung 4) entscheiden, ein 240-W-Netzteil mit einer Nennausgangsspannung von 48 V und einem maximalen Ausgangsstrom von 5 A. Es hat einen größeren Formfaktor und misst 4,5" × 4,89" × 1,89".

Abbildung 4: Das TIB 240-148EX ist ein 240-W-Hutschienennetzteil mit Ausgangswerten von 48 V bei 5 A. (Bildquelle: TRACO Power)

Wie die 120-W-Version verwendet auch dieses Netzteil eine Halbbrücken-LCC-Topologie mit einer Schaltfrequenz zwischen 75 kHz und 100 kHz. Es verfügt über eine aktive Leistungsfaktorkorrektur und hat eine Nennausgangsspannung von 48 V, die von 47 V bis 56 V einstellbar ist. Es ist bis zu 95% effizient und hat eine MTBF von 1.300.000 Stunden.

Das TIB 480-124EX (Abbildung 5) ist ein 480-W-Netzteil mit einem Ausgang von 24 V, 20 A und einem Wirkungsgrad von 95%. Das Gerät hat die Abmessungen 4,5" × 4,89" × 3,23" und bietet Fernaktivierung/-deaktivierung. Die Ausgangsspannung ist zwischen 23,5 V und 28 V einstellbar, und die MTBF beträgt 1.300.000 Stunden.

Abbildung 5: Das 480-Watt-Netzteil TIB 480-124EX bietet Fernaktivierung/-deaktivierung. (Bildquelle: TRACO Power)

Fazit

Die Hutschienennetzteile der TIB-EX-Serie von TRACO Power kombinieren hohe Leistung mit zuverlässigen, effizienten und langlebigen Schaltkreisen, die für die Schaltschrankmontage in industriellen Anwendungen optimiert sind. Sie bieten den entscheidenden Vorteil, dass sie für den Einsatz in gefährlichen Umgebungen geeignet sind.