Selección de fuentes de alimentación para aplicaciones industriales duras y ubicaciones peligrosas

Los sistemas industriales en entornos duros y potencialmente explosivos, como las líneas de producción, la robótica, las infraestructuras energéticas, las refinerías y la fabricación de semiconductores, están cada vez más automatizados. Los diseñadores de sistemas necesitan fuentes de alimentación que cumplan los requisitos de alta potencia de pico e inmunidad a la retroalimentación, al tiempo que ofrezcan fiabilidad, durabilidad, seguridad, alta densidad de potencia, eficiencia y cumplimiento de normativas complejas.

Este artículo analiza los retos a los que se enfrentan los diseñadores de sistemas de alimentación para aplicaciones de automatización difíciles. A continuación, se presentan las fuentes de alimentación para riel DIN de TRACO Power y muestra cómo pueden ayudar a los diseñadores a afrontar estos retos.

Retos de la energía industrial

Las líneas de producción manufacturera, los sistemas de energías renovables, los almacenes de distribución y las instalaciones de procesamiento químico son aplicaciones que exponen los dispositivos y sistemas electrónicos a entornos industriales. Los componentes electrónicos pueden estar expuestos a temperaturas extremas, humedad, golpes mecánicos, interferencias electromagnéticas (EMI), vibraciones, polvo, exposición a productos químicos y atmósferas explosivas. Dado que la electrónica se utiliza ampliamente para la alimentación, el control y la supervisión, debe diseñarse para ofrecer exactitud, precisión, fiabilidad y seguridad en todas estas aplicaciones.

Las fuentes de alimentación son especialmente críticas. En el núcleo de la electrónica industrial, proporcionan energía regulada a partir de fuentes tanto de CA como de CC, y su salida debe satisfacer las necesidades energéticas básicas de las máquinas conectadas con un margen de seguridad suficiente. Por ejemplo, los sistemas electromecánicos como motores, bombas y accionamientos controlados por movimiento requieren altas corrientes de pico en el arranque, que la fuente de alimentación debe suministrar. Por lo general, también se requiere protección contra sobretensión, sobrecorriente y sobretemperatura.

Las fuentes de alimentación deben presentar una buena regulación de la tensión bajo variaciones de carga o de línea y garantizar un alto rendimiento. Esto es especialmente importante para las fuentes de alimentación montadas en armarios compactos, donde la baja eficiencia provoca una acumulación excesiva de calor.

El factor de forma de la fuente de alimentación también es importante. Debe poder encajar en máquinas o armarios de control donde el espacio es limitado. Además, las aplicaciones industriales requieren la capacidad de sustituir rápidamente los dispositivos defectuosos, por lo que el dispositivo físico debe montarse para facilitar su extracción y sustitución. Es fundamental que las fuentes de alimentación estén certificadas en cuanto a seguridad y compatibilidad electromagnética (CEM).

Lugares peligrosos

Los lugares peligrosos (HazLoc) son un área especial de certificación. El Código Eléctrico Nacional (NEC) define las ubicaciones peligrosas como zonas en las que pueden existir riesgos de incendio o explosión debido a gases o vapores inflamables, líquidos inflamables, polvo combustible o fibras o partículas inflamables. Las fuentes de alimentación y otros componentes electrónicos deben estar certificados específicamente para funcionar en entornos HazLoc.

Underwriters Laboratories Inc. (UL) y Appareils destinés à être utilisés en Atmosphères Explosibles (ATEX) (equipos para uso en zonas con riesgo de explosión) establecen las normas para probar los componentes HazLoc. Estas certificaciones confirman que se han cumplido las normas de seguridad mínimas pertinentes para que el dispositivo pueda utilizarse en los entornos peligrosos designados.

La certificación tiene en cuenta dos factores: los tipos de sustancias volátiles y la probabilidad de su presencia. Los tipos de materiales potencialmente explosivos determinan la clase de certificación. La clase 1 incluye los vapores y gases inflamables; la clase 2 abarca el polvo combustible, como la harina; y la clase 3 es para las fibras inflamables y los volantes (pequeñas partículas inflamables, como los tejidos).

La probabilidad de que haya sustancias volátiles determina la clasificación de la división. La División 1 cubre los entornos en los que normalmente hay materiales peligrosos. La División 2 abarca entornos en los que no suele haber materiales peligrosos, pero podría haberlos en determinadas condiciones.

Fuentes de alimentación para aplicaciones HazLoc

La serie TIB-EX de TRACO Power de fuentes de alimentación de alta eficiencia para riel DIN (figura 1) está diseñada para su uso en entornos difíciles y ubicaciones peligrosas. El riel DIN es un raíl metálico muy utilizado para montar equipos de control industrial en bastidores o armarios de equipos. Estas fuentes de alimentación también cuentan con una opción de montaje lateral que proporciona un perfil más bajo para el montaje en panel plano. La serie cuenta con la certificación de seguridad UL HazLoc Clase 1 División 2 (C1D2) y ATEX (EN60079-0, EN60079-7 y EN60079-15), así como con la certificación CEM.

Figura 1: La serie TIB-EX de fuentes de alimentación para riel DIN cuenta con la calificación HazLoc C1D2, la certificación EMC y tiene potencias nominales de 80 W, 120 W, 240 W y 480 W. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Las fuentes de alimentación HazLoc C1D2 están diseñadas para funcionar con seguridad en zonas en las que normalmente se contienen gases o vapores inflamables pero que pueden escapar en condiciones inusuales, como fugas, mal funcionamiento del equipo o fallos del sistema de ventilación.

El atributo más importante del equipo C1D2 es que no debe ser una fuente de ignición tanto en condiciones de funcionamiento normales como inesperadas. El equipo está diseñado para no liberar energía eléctrica o térmica suficiente para encender una atmósfera volátil. Como tal, no puede producir arcos ni chispas durante su funcionamiento normal, y su envoltorio físico limita la velocidad a la que puede entrar la sustancia volátil.

Además de sus certificaciones HazLoc, estas fuentes de alimentación refrigeradas por convección presentan un alto rendimiento de 88 a 95% (según el modelo) y pueden funcionar en un rango de temperaturas de -40 °C a +60 °C (a plena carga). Disponibles con potencias de 80 W, 120 W, 240 W y 480 W a tensiones de salida de 12 V, 24 V o 48 V, funcionan con tensiones de línea de 85_VCA a 264_VCA a 50/60 Hz.

La serie TIB-EX es ideal para entornos industriales, con un conjunto completo de protecciones de funcionamiento, incluida la protección contra sobretensiones de salida y cortocircuitos. En el lado de entrada, protegen contra la caída de tensión de la línea eléctrica, definida como una caída de tensión por debajo de 90% de la nominal, pero no una interrupción completa. La duración típica es de 3 a 10 ciclos o de 50 ms a 167 ms. Esta serie cumple la especificación de inmunidad al pandeo SEMI F47.

Las fuentes TIB-EX también pueden tolerar sobrecargas de potencia a corto plazo, manteniendo su salida hasta 4 s con una sobrecarga de 150%. Esto es ideal para diseños que utilizan motores paso a paso, solenoides o actuadores que consumen mucha corriente cuando se conectan inicialmente.

Otro fenómeno común en los entornos industriales es la retroalimentación, en la que las cargas, como los inductores y los motores en desaceleración, pueden retroalimentar tensión a la fuente de alimentación. La serie TIB-EX ofrece una importante función de inmunidad a la retroalimentación que ayuda a evitar paradas o fallos de funcionamiento bajo estas cargas.

Las fuentes de alimentación conmutadas (SMPS) deben cargar inicialmente sus condensadores de entrada, lo que puede provocar grandes corrientes de irrupción cuando la fuente se conecta por primera vez a la línea. La mayoría de las SMPS, como la serie TIB-EX, utilizan un limitador de corriente de irrupción para controlarla. La corriente de irrupción nominal de estas fuentes es de 30 A para una entrada de 230 V_CA y de 15 A para una entrada de 115 VCA.

Todos los modelos informan del estado de la salida mediante un cierre de contacto DC-OK y LED DC-OK situados tanto en el panel frontal como en los laterales.

La fuente de alimentación CA/CC para riel DIN TIB 080-112EX de 80 W (figura 2) tiene una tensión nominal de salida de 12 V y una corriente máxima de 6.7 A. Está alojada en un formato compacto que mide 3.71" × 1.26" × 4.50"

Figura 2: La TIB 080-112EX es una fuente de alimentación de 12 V y 80 W para riel DIN con clasificación HazLoc. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

El TIB 080-112EX utiliza un regulador de conmutación flyback con una frecuencia de conmutación entre 60 kHz y 75 kHz. La salida de 12 V es ajustable de 11.8 V_CC a 15.0 V_CC, la regulación de la tensión de entrada es de 0.1%, debido a las variaciones de la línea en todo el rango de tensión de entrada nominal, y la regulación de la carga es de 0,5% para una variación de la carga de 10 a 90% de la carga nominal. Funciona con una eficiencia de 90% y tiene un tiempo medio entre fallos (MTBF) de 1,950,000 horas (h), según la norma IEC 61709.

La TIB 120-124EX (figura 3) es un ejemplo de fuente de alimentación para riel DIN de 120 W. Tiene una potencia nominal de salida de 24 V y 5 A y mide 4.5" × 4.89" × 1.42".

Figura 3: La TIB 120-124EX es una fuente de alimentación de 24 V y 120 W en un envase de 4.5" × 4.89" × 1.42". (Fuente de la imagen: TRACO Power)

El TIB 120-124EX utiliza una topología de medio puente inductor-capacitor-capacitor (LCC) con una frecuencia de conmutación de 70 a 100 kHz. También cuenta con corrección activa del factor de potencia.

La salida nominal de 24 V de esta fuente de alimentación es ajustable de 23.5 V a 28 V, y tiene una eficiencia nominal de 94%. Su MTBF es de 1,450,000 hr.

Los diseñadores que necesiten una mayor potencia pueden optar por la TIB 240-148EX (figura 4), un modelo de fuente de alimentación de 240 W con una tensión de salida nominal de 48 V y una corriente de salida máxima de 5 A. Se presenta en un factor de forma mayor, con unas dimensiones de 4.5" × 4.89" × 1.89".

Figura 4: La TIB 240-148EX es una fuente de alimentación para riel DIN de 240 W que emite 48 V a 5 A. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Al igual que la versión de 120 W, esta fuente de alimentación utiliza una topología LCC de medio puente con una frecuencia de conmutación entre 75 kHz y 100 kHz. Incluye corrección activa del factor de potencia y tiene una tensión nominal de salida de 48 V, ajustable de 47 V a 56 V. Tiene una eficiencia de hasta 95% y una vida útil media de 1,300,000 horas.

La TIB 480-124EX (figura 5) es una fuente de alimentación de 480 W con una salida de 24 V, 20 A y un rendimiento de 95%. Se presenta en un envase de 4.5" × 4.89" × 3.23" y dispone de función de encendido y apagado a distancia. La tensión de salida es ajustable entre 23.5 V y 28 V, y su MTBF es de 1,300,000 hr.

Figura 5: La fuente de alimentación TIB 480-124EX de 480 W incluye capacidad de control remoto de encendido y apagado. (Fuente de la imagen: TRACO Power)

Conclusión

La serie TRACO Power TIB-EX de fuentes de alimentación para riel DIN combina un alto rendimiento con diseños de circuitos fiables, eficientes y duraderos, optimizados para el montaje en armarios de control en aplicaciones industriales. Ofrecen la clara ventaja de estar cualificados para su uso en entornos peligrosos.