Podczas projektowania układów automatyki przemysłowej dobór zasilacza impulsowego bardzo często sprowadza się do dwóch parametrów – napięcia wyjściowego oraz wymaganej mocy. W praktyce to jednak warunki pracy, a nie sama moc, najczęściej decydują o niezawodności całego układu.
Większość awarii nie wynika z uszkodzenia zasilacza
Jeżeli sterownik PLC, moduły wejść i wyjść oraz pozostałe odbiorniki wymagają napięcia 24 VDC i pobierają łącznie około 120 W, wybór zasilacza o mocy 150 lub 240 W wydaje się oczywisty. Takie podejście sprawdza się w wielu standardowych aplikacjach.
W praktyce przemysłowej zasilacz pracuje często w szczelnie zamkniętej szafie sterowniczej, w podwyższonej temperaturze, w otoczeniu urządzeń energoelektronicznych oraz innych urządzeń emitujących ciepło. Zdarza się również, że zasilanie dostępne jest wyłącznie między dwiema fazami sieci 400 VAC lub że odbiorniki podczas rozruchu pobierają prąd znacznie przekraczający wartość znamionową.
W takich warunkach dwa zasilacze o tej samej mocy mogą zachowywać się zupełnie inaczej. Jeden będzie pracował bezproblemowo przez wiele lat. Drugi będzie powodował losowe restarty sterownika, wyłączenia zabezpieczeń lub trudne do zdiagnozowania przerwy w pracy całej maszyny.
Z naszego doświadczenia wynika, że przyczyną takich problemów najczęściej nie jest wada samego zasilacza, lecz jego niewłaściwy dobór do warunków pracy.
Dobry zasilacz to nie tylko odpowiednia moc
Podczas rozmów z konstruktorami maszyn często spotykamy się z pytaniem: „Jaki zasilacz 24 V będzie najlepszy do naszej aplikacji?” Nie ma jednej uniwersalnej odpowiedzi. Znacznie ważniejsze jest inne pytanie: „W jakich warunkach ten zasilacz będzie pracował?”
To właśnie środowisko pracy decyduje o tym, jakie parametry powinny być brane pod uwagę podczas projektowania. Najczęściej analizujemy:
- dostępne napięcie zasilające,
- charakter odbiorników,
- temperaturę otoczenia,
- możliwość występowania przeciążeń,
- wymagania dotyczące diagnostyki,
- miejsce montażu w szafie sterowniczej.
Dopiero po odpowiedzi na te pytania można świadomie dobrać odpowiedni typ zasilacza. W ofercie Breve znajdują się między innymi dwie serie zasilaczy impulsowych montowanych na szynie DIN, które powstały z myślą o różnych wymaganiach aplikacyjnych:
- KWR – przeznaczona do pracy przy szerokim zakresie napięcia wejściowego,
- KDR – przeznaczona do aplikacji wymagających dużej odporności na przeciążenia oraz wysokiej sprawności.
Choć z zewnątrz oba urządzenia wyglądają podobnie, ich zastosowanie jest zupełnie inne.
Problem nr 1 – w szafie sterowniczej nie ma przewodu neutralnego
Jest to sytuacja znacznie częstsza, niż mogłoby się wydawać. W nowych obiektach przemysłowych, stacjach energetycznych, oczyszczalniach ścieków czy instalacjach infrastrukturalnych projektanci bardzo często mają do dyspozycji jedynie napięcie międzyfazowe 400 VAC. Nie zawsze doprowadzony jest przewód neutralny.
W praktyce oznacza to, że klasyczny zasilacz o zakresie wejściowym 85…264 VAC nie może zostać podłączony bezpośrednio do istniejącej instalacji. Najczęściej spotykamy trzy rozwiązania tego problemu.
Rozwiązanie pierwsze – doprowadzenie przewodu neutralnego
Technicznie jest to rozwiązanie poprawne. W praktyce jednak często oznacza konieczność przebudowy instalacji, wykonania dodatkowych pomiarów oraz zwiększenia kosztów inwestycji. Nie zawsze jest również możliwe w istniejących obiektach.
Rozwiązanie drugie – zastosowanie transformatora
Drugim rozwiązaniem jest zastosowanie transformatora obniżającego napięcie. Pozwala to wykorzystać standardowy zasilacz 230 VAC. Należy jednak pamiętać, że transformator:
- zajmuje dodatkowe miejsce,
- zwiększa masę całej rozdzielnicy.
W niewielkich szafach sterowniczych każdy centymetr przestrzeni może mieć znaczenie.
Rozwiązanie trzecie – zastosowanie zasilacza o szerokim zakresie napięcia wejściowego
W wielu przypadkach najprostszym rozwiązaniem jest zastosowanie zasilacza przystosowanego do pracy bezpośrednio z napięciem międzyfazowym. Seria KWR została zaprojektowana właśnie do takich zastosowań.
Zakres napięcia wejściowego wynosi 200–500 VAC oraz 230–700 VDC, dzięki czemu zasilacz może być podłączony bezpośrednio pomiędzy dwie fazy sieci trójfazowej bez stosowania dodatkowego transformatora. Parametry te odpowiadają rozwiązaniom klasy WDR stosowanym w aplikacjach przemysłowych.
Dla konstruktora oznacza to przede wszystkim prostszy projekt oraz mniejszą liczbę elementów w szafie sterowniczej.
Przykład z praktyki
Wyobraźmy sobie modernizację stacji pomp. W istniejącej rozdzielnicy dostępne jest jedynie napięcie 3×400 VAC. Projekt przewiduje montaż:
- sterownika PLC,
- panelu operatorskiego,
- modułów wejść i wyjść,
- przemysłowego switcha Ethernet,
- kilku przekaźników.
Łączne zapotrzebowanie wynosi około 180 W. Na pierwszy rzut oka wystarczy dowolny zasilacz 240 W. Po rozpoczęciu montażu okazuje się jednak, że w rozdzielnicy nie ma przewodu neutralnego – do dyspozycji pozostają jedynie trzy fazy.
W takiej sytuacji zastosowanie standardowego zasilacza wymagałoby przebudowy instalacji lub dołożenia transformatora. Zastosowanie serii KWR pozwala zasilić urządzenie bezpośrednio z dwóch faz, upraszczając projekt oraz ograniczając liczbę elementów. To jeden z przykładów, w których odpowiedni dobór zasilacza pozwala uniknąć kosztownych zmian jeszcze przed uruchomieniem instalacji.
Problem nr 2 – temperatura wewnątrz szafy jest znacznie wyższa niż zakładano
To jeden z najczęściej pomijanych parametrów podczas projektowania. W dokumentacji technicznej większość pomiarów wykonywana jest przy temperaturze otoczenia wynoszącej około 25°C. Tymczasem wnętrze pracującej szafy sterowniczej wygląda zupełnie inaczej. Znajdują się w niej między innymi:
- falowniki,
- serwonapędy,
- styczniki,
- softstarty,
- moduły komunikacyjne,
- sterowniki PLC,
- przekaźniki bezpieczeństwa.
Każde z tych urządzeń wydziela ciepło. Po kilku godzinach pracy temperatura powietrza wewnątrz szafy może być nawet o kilkanaście lub kilkadziesiąt stopni wyższa niż temperatura otoczenia. Nie jest niczym wyjątkowym osiągnięcie wartości 45°C, 55°C, a w niektórych aplikacjach nawet ponad 60°C. W takich warunkach zasilacz pracuje zupełnie inaczej niż podczas badań laboratoryjnych.
Dlaczego producenci publikują wykres deratingu?
W kartach katalogowych większości profesjonalnych zasilaczy impulsowych można znaleźć wykres przedstawiający dopuszczalne obciążenie w funkcji temperatury otoczenia. Część projektantów traktuje go jako informację dodatkową. W rzeczywistości jest to jedna z najważniejszych charakterystyk urządzenia.
Każdy zasilacz impulsowy ma określoną zdolność do odprowadzania ciepła. Jeżeli temperatura elementów elektronicznych przekroczy dopuszczalny poziom, ich trwałość zaczyna gwałtownie spadać. Dlatego producenci stosują tzw. derating, czyli stopniowe ograniczanie dopuszczalnej mocy wraz ze wzrostem temperatury otoczenia. Takie charakterystyki znajdują się również w dokumentacji technicznej profesjonalnych zasilaczy DIN, w tym modeli o podwyższonej odporności środowiskowej.
Praktyczna wskazówka inżyniera Breve
Nigdy nie dobieraj zasilacza wyłącznie na podstawie mocy odbiorników. Jeżeli urządzenie będzie pracowało w temperaturze przekraczającej 50°C, zawsze sprawdź wykres deratingu producenta oraz zalecane odstępy montażowe. Kilka dodatkowych centymetrów wolnej przestrzeni nad i pod zasilaczem może mieć większy wpływ na jego trwałość niż zwiększenie mocy o jeden rozmiar.
Podsumowanie
Dobór zasilacza impulsowego do szafy sterowniczej warto rozpocząć od analizy rzeczywistych warunków pracy, a nie wyłącznie od napięcia wyjściowego i wymaganej mocy. Zakres napięcia zasilającego, temperatura otoczenia, charakter odbiorników oraz sposób monitorowania pracy zasilacza mają bezpośredni wpływ na niezawodność całego układu.
Już na etapie projektu warto odpowiedzieć sobie na kilka prostych pytań:
- Czy w instalacji dostępny jest przewód neutralny?
- Czy odbiorniki pobierają duży prąd podczas rozruchu?
- Jak wysoka będzie temperatura wewnątrz szafy?
- Czy system powinien monitorować stan zasilacza? (w cz. 2)
- Czy w przyszłości planowana jest rozbudowa instalacji? (w cz. 2)
Odpowiedzi na te pytania bardzo często prowadzą do wyboru rozwiązania, które zapewni wieloletnią i bezawaryjną pracę urządzenia. W ofercie Breve znajdują się zarówno zasilacze serii KWR, przeznaczone do aplikacji wymagających szerokiego zakresu napięcia wejściowego, jak i seria KDR, zaprojektowana z myślą o aplikacjach wymagających dużej odporności na przeciążenia oraz wysokiej sprawności. Dzięki temu możliwe jest dobranie rozwiązania odpowiadającego rzeczywistym wymaganiom projektu, zamiast kierowania się wyłącznie mocą znamionową.
