Utiliser des alimentations CA/CC à rail DIN compactes et des fusibles électroniques pour fournir une alimentation CC industrielle fiable

Les concepteurs d'alimentations CA/CC pour l'immotique, l'automatisation industrielle, d'usine et de processus, la production et la distribution d'énergie, les infrastructures et les applications de données et de télécommunications sont confrontés à de nombreux défis électriques, physiques, de déploiement, de maintenance, de sécurité et de conformité. Ces défis peuvent être surmontés en sélectionnant avec soin des alimentations à rail DIN facilement disponibles et des fusibles conçus spécifiquement pour ces applications.

Cet article fournit un bref aperçu des défis rencontrés lors de la mise en œuvre de ces alimentations. Il présente ensuite une ligne d'alimentations CA/CC et CC/CC à rail DIN et un fusible associé de RECOM Power, qui permettent de fournir une alimentation CC de qualité industrielle de manière fiable et sûre.

Les défis des alimentations industrielles

Les alimentations destinées aux applications industrielles doivent être compactes, accepter une large plage d'entrées CA triphasées ou CC haute tension, offrir un haut rendement, répondre à de nombreuses exigences réglementaires, prendre en charge le fonctionnement en parallèle pour la redondance et fournir une protection robuste de l'utilisateur et du système. Elles doivent également satisfaire aux spécifications de performances sur une large plage de températures tout en utilisant uniquement un refroidissement passif, démontrer une robustesse globale avec un temps moyen entre pannes (MTBF) élevé et être rentables à déployer et à entretenir.

Les exigences de ces applications excluent de fait les conceptions et les facteurs de forme personnalisés, favorisant les fusibles et les alimentations à montage sur rail DIN. Le défi réside par conséquent dans la sélection rigoureuse des composants les mieux adaptés à l'application.

Alimentations : importance du conditionnement

Le rôle critique des alimentations dans l'intégrité des systèmes est souvent sous-estimé. Leur conception commence par le boîtier, qui affecte les performances électriques, mécaniques et thermiques dans les environnements industriels. C'est pourquoi, dans la plupart des cas, les alimentations industrielles sont conçues pour un montage sur rail DIN standard (Figure 1).

Figure 1 : Une armoire industrielle avec de nombreux types de modules montés sur rails DIN permet l'installation et le retrait pratiques des modules en façade, ainsi qu'un accès aisé au câblage. (Source de l'image : Hackaday)

Le rail est fixé au panneau arrière de l'armoire ou du boîtier de l'équipement. Tous les modules électriques, tels que les variateurs moteurs, les contrôleurs de boucle, l'alimentation, les interfaces de signaux, les sous-systèmes de sécurité et les interfaces de communication, sont montés sur ce rail, toutes les connexions d'alimentation et de signaux étant accessibles par l'avant.

L'approche à rail DIN contraste fortement avec le rack de 19 pouces doté de connexions avant et arrière pour les modules. Ce type de rack est largement utilisé dans les systèmes de test/mesure et d'instrumentation de laboratoire. Le rail DIN est plus pratique et plus fonctionnel, car l'espace disponible dans l'armoire est souvent limité en raison du nombre de modules qu'elle doit accueillir.

De nombreuses alimentations CA/CC dans les applications industrielles fonctionnent à partir d'une entrée de ligne triphasée de 320 V_CA à 575 V_CA et doivent fournir une sortie propre, stable et résistante aux transitoires de 24 V_CC ou 48 V_CC à des charges telles qu'un contrôleur moteur. De plus, de nombreuses applications requièrent maintenant un fonctionnement à partir d'une source CC haute tension de 430 V à 815 V. L'utilisation d'une source CC convient bien aux applications d'automatisation d'usine basées sur micro-réseaux et aux solutions d'énergies renouvelables, y compris les installations biogaz, photovoltaïques et éoliennes.

Pour répondre aux hautes exigences d'alimentation des applications industrielles à montage sur rail DIN, les concepteurs peuvent se tourner vers la gamme d'alimentations CA/CC triphasées RACPRO1 de RECOM Power. Ces dispositifs peuvent également être utilisés avec des entrées CC haute tension.

Par exemple, les dispositifs RACPRO1-T240/24, RACPRO1-T480/24 et RACPRO1-T960/24 (Figure 2, de gauche à droite) délivrent des niveaux de puissance de 240 W, 480 W et 960 W, respectivement, avec des sorties de 24 V. Des versions présentant les mêmes caractéristiques mais avec une sortie de 48 V sont également disponibles. De plus, les tensions de sortie nominales de ces alimentations peuvent être ajustées jusqu'à 28 V à partir de 24 V et jusqu'à 56 V à partir de 48 V.

Figure 2 : Les alimentations à rail DIN compactes RACPRO1-T240/24 (à gauche), RACPRO1-T480/24 (au centre) et RACPRO1-T960/24 (à droite) délivrent respectivement 240 W, 480 W et 960 W. (Source de l'image : RECOM Power)

L'un des principaux atouts de ces modules réside dans leur facteur de forme compact. Les alimentations présentent une largeur de 43 mm, 52 mm et 80 mm, respectivement. Les trois modules affichent une hauteur de 135 mm, tandis que leur profondeur varie selon le modèle, s'étendant de 140 mm à 156 mm. Un autre avantage non négligeable pour les installateurs et les techniciens est que les modules sont conçus pour une installation et un retrait simples, rapides et sans outil, à l'aide de pinces à cage avec des connecteurs enfichables à +25°.

Le haut rendement de la série RACPRO1 permet de réduire les coûts d'exploitation et la chaleur générée par l'alimentation. C'est pourquoi un petit dissipateur thermique et une surface de dissipation thermique réduite sont suffisants.

Ces alimentations ne requièrent pas de refroidissement à air forcé avec des ventilateurs ou d'autres systèmes actifs. Elles sont conçues pour un refroidissement par convection naturelle uniquement, un autre avantage dans les environnements industriels. Chaque module intègre deux canaux de circulation d'air distincts afin de maximiser « l'effet de cheminée » pour le refroidissement.

Le format compact et le rendement élevé de cette série sont le fruit d'une sélection et d'une configuration intelligentes des composants. L'unité RACPRO1-T960/24 affiche un rendement de 96 % tandis que les unités RACPRO1-T240/24 et RACPRO1-T480/24 ont des rendements de 94,1 % et 95 %, respectivement. De plus, malgré leur capacité à fournir des centaines de watts, ces alimentations ne consomment qu'environ 1 W à vide.

Le rendement et le refroidissement de ces alimentations leur permettent d'être répertoriées pour des températures de fonctionnement élevées. L'alimentation RACPRO1-T960/24 de 960 W peut délivrer sa pleine puissance nominale de sortie jusqu'à +60°C. Le modèle RACPRO1-T240/24 de 240 W offre une valeur légèrement supérieure jusqu'à +70°C.

Les températures élevées ne sont pas la seule préoccupation : de nombreux systèmes, tels que les équipements de CVC extérieurs, peuvent également être exposés à un froid extrême. Pour répondre à ce besoin, les alimentations RACPRO1 sont répertoriées pour fonctionner jusqu'à -40°C.

Performances et caractéristiques électriques

Une alimentation destinée aux environnements industriels ne doit pas se limiter à fournir la valeur nominale de tension sur une plage de charges et de tensions d'entrée. Les autres attributs requis incluent une haute immunité à la tension de retour, une immunité étendue aux pointes d'énergie et une capacité d'augmentation de la puissance :

• Lors de la mise sous tension ou hors tension d'une charge non résistive, telle qu'un moteur, un retour de courant (ou reflux) peut se produire dans la sortie de l'alimentation. L'immunité à la tension de retour est la capacité à résister à ce reflux. Dans les alimentations RACPRO1, la sortie 24 V offre une immunité à la tension de retour jusqu'à 35 V, tandis que la sortie 48 V a une immunité jusqu'à 63 V.
• Pour les surtensions de ligne, ces unités offrent une immunité étendue aux pointes d'énergie jusqu'à 6 kV, conformément aux normes industrielles et réglementaires applicables.
• Ces alimentations offrent une capacité d'augmentation de la puissance pour accepter des charges qui nécessitent brièvement une puissance supérieure à la puissance de sortie nominale. Par exemple, le RACPRO1-T960/24 haute puissance peut augmenter la puissance jusqu'à 150 % pendant 6 secondes, éliminant ainsi de nombreuses interruptions dues à des conditions de charge transitoires.

Une autre caractéristique pratique des unités RACPRO1 de 480 W et 960 W est une ligne LED verticale (Figure 3) qui indique le pourcentage de la puissance de sortie nominale fournie par l'alimentation.

Figure 3 : Les modules RACPRO1 de 480 W et 960 W sont dotés d'un indicateur pratique affichant le pourcentage de la puissance de sortie nominale fournie par l'alimentation. (Source de l'image : RECOM Power)

Fiabilité grâce à l'analyse, la conception et l'évaluation

Toutes les applications exigent une haute fiabilité. Pour les unités RACPRO1, le rendement élevé réduit la dissipation de chaleur, améliorant ainsi la fiabilité des composants. La série RACPRO1 est également conçue pour des performances et un rendement maximum, en tenant compte d'indicateurs clés tels que les performances thermiques, le temps moyen entre pannes et les fonctions de protection intégrées. En outre, les fonctions de protection intégrées, notamment la protection contre les surtensions, les courts-circuits et la surchauffe, améliorent la durabilité et garantissent un fonctionnement continu dans les environnements industriels difficiles.

Pour valider la fiabilité à long terme, RECOM soumet chaque modèle à des tests de durée de vie rigoureux, y compris des simulations de contraintes prolongées, des tests de chocs et de vibrations, et des évaluations d'endurance à haute température. La modélisation, l'analyse et les tests indiquent que la durée de vie de ces alimentations est d'environ 80 000 heures à 40°C dans les conditions les plus exigeantes, à pleine charge.

Néanmoins, il existe des applications où une défaillance, même rare, qu'elle soit due à des facteurs internes ou externes, est inacceptable. Pour ces applications, les modèles RACPRO1-T480/24 et -T960/24 permettent la connexion en parallèle de deux unités ou plus pour la redondance ou une capacité de sortie accrue (Figure 4).

Figure 4 : Les unités RACPRO1-T480/24 et RACPRO1-T960/24 peuvent être utilisées en parallèle pour fournir une redondance ou augmenter la puissance de sortie. (Source de l'image : RECOM Power)

Ce dispositif assure la redondance et permet également le partage de charge, les deux alimentations distribuant l'alimentation de manière égale. Ces fonctionnalités permettent d'éviter les temps d'arrêt des systèmes et de maintenir une alimentation stable dans les environnements d'automatisation industrielle et d'autres opérations où les interruptions peuvent avoir un impact sur la productivité et la sécurité. De plus, les caractéristiques de sortie à tension constante/courant constant (CV/CC) bien définies de ces alimentations permettent la charge de la batterie pour une alimentation de secours supplémentaire.

Répondre aux exigences réglementaires

Les alimentations, comme les autres produits électroniques, sont soumises à de nombreuses exigences réglementaires. Certaines de ces réglementations concernent les aspects opérationnels tels que le facteur de puissance (au-dessus de 0,9 pour ces alimentations), les interférences électromagnétiques (EMI), le rendement à différents niveaux de puissance et la dissipation de puissance à vide. D'autres obligations sont liées à la sécurité.

Parmi les nombreuses certifications de performances électriques, ces alimentations sont conformes aux normes EN 61000-6-4 Classe B (émissions) et EN 61000-6-2 (immunité). Les unités sont également certifiées selon les normes de sécurité mondiales CEI/EN/UL 62368-1, CEI/EN/UL 61010-1 et CEI/EN/UL/CSA 61010-2-201.

Ajouter un fusible, par précaution

Compte tenu des nombreuses fonctions de protection de ces alimentations, un fusible qui se déclenche en cas de forte surintensité peut sembler superflu. C'est peut-être vrai, mais même lorsque les normes électriques en vigueur au moment de l'installation ne l'exigent pas, l'installation d'un fusible peut s'avérer judicieuse par précaution.

Pour répondre à ce besoin, la série RACPRO1 est prise en charge par le module de fusibles électroniques (e-fuse) à rail DIN RACPRO1-4SP/24V/5A (Figure 5), entièrement approuvé pour une utilisation à la place d'un fusible thermique ou d'un disjoncteur conventionnel. Notez que ce dispositif peut être utilisé avec n'importe quelle alimentation, et pas seulement avec la gamme RACPRO1.

Le RACPRO1-4SP/24V/5A est compact, avec des dimensions de 110,2 mm × 72,0 mm × 61,9 mm, et il fonctionne comme un élément de surveillance connecté au rail CC principal. Ce module de 5 A (une version de 10 A est également proposée) distribue 24 V_CC à quatre canaux de charge contrôlés séparément avec un contrôle indépendant de la limite de surintensité et une indication du courant de sortie en temps réel.

Figure 5 : Le module de fusibles électroniques à rail DIN RACPRO1-4SP/24V/5A est doté de quatre fusibles électroniques indépendants de 5 A chacun. (Source de l'image : RECOM Power)

Les canaux sont activés de manière séquentielle afin de réduire le courant d'appel d'entrée avec un délai préréglable. En cas de surcharge du système, les canaux déconnectent les charges en séquence inverse, préservant ainsi les fonctions essentielles jusqu'au bout. Bien que les canaux puissent être liés sur le plan opérationnel, chaque canal peut être activé ou désactivé indépendamment pour faciliter le diagnostic des défaillances ou la maintenance.

Le module de fusibles électroniques est bien plus qu'un simple substitut au fusible thermique classique qui se déclenche en cas de surintensité. Il est contrôlé par des circuits logiques internes pour protéger et hiérarchiser les charges et les alimentations, détectant les conditions de surintensité, de sous-tension et de surtension et y réagissant dynamiquement.

Chaque canal est protégé indépendamment, de sorte que les conditions de surcharge ou de défaut sur une charge individuelle n'affectent pas la fiabilité ou les fonctionnalités globales du système. En plus du courant de canal maximum de 5 A de base, le module fournit une augmentation de puissance de 150 % pendant 5 s et peut supporter une surcharge de plus de 150 % pendant 100 ms afin d'éviter les déclenchements intempestifs. Ce sont là des éléments importants à prendre en compte dans les installations industrielles, où les variations de charges, le calage des moteurs, les pics de courant au démarrage et d'autres événements perturbateurs sont attendus et inévitables.

Pour faciliter le dépannage, chaque canal est doté d'une barre LED pour l'indication d'état (Figure 6). Elle signale l'état du courant de sortie en passant du vert au jaune (courant dans la limite), à l'orange (courant à la limite) et au rouge (surintensité ou court-circuit).

Figure 6 : Chacun des quatre fusibles électroniques est doté d'une barre LED multicolore qui fournit rapidement de nombreuses informations sur l'état des canaux. (Source de l'image : RECOM Power)

Complétant les alimentations RACPRO1, ces fusibles électroniques affichent également une durée de vie supérieure à 80 000 heures à +40°C et ils permettent un câblage facile grâce à des bornes à levier de verrouillage/déverrouillage sans outil.

Conclusion

Les alimentations destinées aux applications industrielles doivent fournir de manière fiable et efficace un courant continu basse tension à partir d'un rail CC ou d'un courant alternatif à plus haute tension dans un facteur de forme compact. Les modules RACPRO1 à montage sur rail DIN de RECOM Power répondent à ces exigences tout en simplifiant l'installation et la maintenance. Le module de fusibles électroniques complémentaire à quatre canaux fournit des canaux indépendants tout en permettant leur liaison pour un fonctionnement plus efficace et une meilleure détection et gestion des défauts.

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