[디지키 테크리포트] 공장 자동화 위한 AC/DC 전원 공급 장치의 선택과 적용

[테크월드뉴스=디지키] 산업용 사물인터넷(IIoT) 및 스마트 팩토리 기술이 적용되면서 공장 자동화로의 전환은 가속화되고 있고 견고한 전원 공급 장치는 이러한 기술을 뒷받침해주는 기본 인프라다.

따라서 디자이너는 다양한 제조 시설의 자동화, 네트워킹, 테스트 및 측정 장비의 요구사항을 충족하기 위해 다양한 전압을 지원하는 안정적인 전원 공급 장치를 선택해 배치할 수 있어야 한다.

이러한 요구를 해결하기 위해 디자이너는 2가지 중 하나를 선택해야 한다.

바로 비용과 시간이 많이 드는 전원 공급 장치를 직접 구성하거나 예산에 맞고 쉽게 사용할 수 있는 솔루션을 찾는 일이다.

물론 두 솔루션 모두 전자기 간섭(EMI) 규정을 충족하면서 전자기 규정(EMC)과 안전 표준을 준수해야만 한다. 또 공장 자동화 전원 공급 장치에서는 산업 환경에 적합하도록 보호 기능을 갖춰야 한다는 점도 고려해야 할 것이다.

이 기사에서는 공장 자동화 애플리케이션을 위한 AC/DC 전원 공급 장치의 요구사항을 간략하게 논의하고 중요한 성능 및 폼팩터 선택 기준을 설명한다. 이어 즉시 배치 가능한 유닛으로 레콤파워(RECOM Power)의 DIN 레일 전원 공급 장치를 예로 소개한다.

공장 자동화 위한 전원 공급 장치

공장 자동화에는 네트워킹 장비와 테스트, 측정 도구도 포함되며 이 시스템은 견고하고 신뢰할 수 있는 전원에 크게 의존한다. 또 전원 공급 장치의 요구사항은 애플리케이션과 장비에 따라 달라진다.

일반적인 솔루션은 AC 주전압(90VAC에서 264VAC, 국가에 따라 약간의 변동이 있음)을 DC 전압으로 변환한다. 공장 자동화 장비가 여러 표준 DC 전압(예: 12V, 15V, 24V, 48V)에서 작동하도록 설계됐기 때문에 출력 요구사항도 다양하다.

관련된 안전 규정과 기타 규정을 준수하는 인증 외에도 모듈형 솔루션은 일반적으로 에너지 밀도와 효율성을 고려해 설계된다. 이러한 솔루션은 다양한 표준 전압과 전류 요구사항을 충족하며 높은 신뢰성과 긴 제품 수명을 위해 만들어진다.

공장 자동화를 위한 상업용 모듈형 전원 공급 장치는 범용 표준 넓이와 장착 하드웨어 형태를 사용하는 표준화된 DIN 레일 시스템에 맞아 간편하고 쉽게 장착할 수 있다.

DIN 레일 시스템을 사용한다면 설치 작업자는 브랜드나 제조업체에 관계없이 일관된 크기의 전원 공급 장치를 포함한 제품군 전반의 치수를 보장받을 수 있다.

이러한 브랜드간 호환성은 DIN 레일 시스템 사용자들이 다양한 부품을 조합해 사용할 수 있는 유연성을 갖는다(그림1).

[그림1] DIN 레일은 전원 공급 장치의 배치를 간소화하고 부품을 조합해 사용할 수 있다. [출처=레콤파워]

비용 효율적 DIN 레일 전원 공급 장치

공장 자동화 인프라에서는 여러 개의 전원 공급 장치를 사용하게 되면 비용이 급격히 증가할 수 있다.

레콤파워의 REDIIN120 시리즈 120W DIN 레일 AC/DC 전원 공급 장치는 작고 안정적이면서도 비용을 최소화할 수 있도록 설계됐다. 각 장치의 크기는 123.6×30.0×116.8밀리미터(mm)다(그림2).

[그림2] REDIIN120 시리즈의 120W DIN 레일 전원 공급 장치는 123.6×30.0×116.8밀리미터(mm)다. [출처=레콤파워]

대류 냉각 방식으로 작동하는 REDIIN120 AC/DC 전원 공급 장치는 -30°C에서 +50°C까지 넓은 범위에서 최대 전력을 사용할 수 있다. 해당 제품은 안전 기준인 IEC 62368-1, IEC 61010-1, 및 IEC 61010-2-201에 따라 인증받았다.

또 전원 공급 장치에서 발생하는 전자기 방사와 전도 방출은 두 가지 중요한 표준을 준수한다.

첫째 EN 61000-6-2 내성 표준과 둘째 중공업 환경을 위한 EN 61000-6-4 클래스 B 방출 표준을 준수한다. 이는 전원 공급 장치가 전자기 간섭에 대한 저항력을 갖추고 있으며 중공업 환경에서도 허용된 전자기 방출 수준을 유지하고 있다는 것을 의미한다. 이 장치는 RoHS 지침에 따른 환경 보호 요구사항도 준수한다.

REDIIN120 시리즈는 3가지 모델로 구성돼 있으며 각 모델은 90VAC에서 264VAC 입력 전압 범위에서 작동하고 출력 전압만 다르다.

REDIIN120-12는 공칭 12V 출력으로 10.8V에서 13.2V까지 조절할 수 있다. REDIIN120-24는 공칭 24V 출력으로 21.6V에서 26.4V까지 조절할 수 있으며 REDIIN120-48은 공칭 48 출력으로 43.2V에서 52.8V까지 조절할 수 있다. 최대 출력 전류는 각각 10A, 5A, 2.5A다.

전원 공급 장치는 모델에 따라 최대 효율이 86%에서 89.5% 사이에서 작동하며(그림3) 부하가 없는 상태에서의 전력 소비는 12V, 24V 버전의 경우 150mW, 48V 버전의 경우 210mW다.

[그림3] REDIIN120-24 전원 공급 장치의 효율과 출력 부하를 비교한 결과. [출처=레콤파워]

이 전원 공급 장치는 정전류 모드로 작동할 수 있어 모터, 솔레노이드 그리고 릴레이와 같은 유도성(inductive) 및 용량성(capacitive) 부하에 적합하다. 시작시 최대 용량성 부하는 12V, 24V 모델의 경우 8mF이며 48V 모델의 경우 3mF다.

REDIIN120 전원 공급 장치는 과전류 보호(OCP), 과전압 보호(OVP), 과온도 보호(OTP) 등 종합적인 보호 기능을 갖추고 있다(그림4).

12V 장치의 경우 17.4VDC, 24V 장치의 경우 33.6VDC, 48V 장치의 경우 64.8VDC를 초과하는 전압은 시스템이 안전을 위해 자동으로 전원을 차단하는 래치 오프(latch-off) 상태를 만든다.

[그림4] REDIIN120 시리즈는 종합적인 보호 기능을 갖추고 있다. 12V 모델의 경우 17.4VDC, 24V 모델의 경우 33.6VDC, 48V 모델의 경우 64.8VDC를 초과하는 전압이 발생하면 래치 오프 상태가 발생한다. [출처=레콤파워]

REDIIN 시리즈에는 15V 모델이 없지만 레콤파워는 15V 작동을 위한 RACM15E-15SK/PMAD-CTN AC/DC 컨버터를 제공한다(그림5). 이 DIN 레일 장착형 장치는 80V에서 275V의 AC 입력, 또는 120V에서 370V의 DC 입력으로부터 15V, 1A 출력을 제공한다. 최대 출력 전력은 15W이며 최대 부하에서 효율성은 85%다.

이 제품은 의료,가정,산업용 및 안전 변압기 표준에 대한 국제 안전과 EMI 인증을 받았다.

[그림5] RACM15E-15SK/PMAD-CTN은 공장 자동화를 위한 15V, 15W DIN 레일 장착형 AC/DC 컨버터다. [출처=레콤파워]

DIN 레일 전원 공급 장치 설계시 고려 주요 요소

안전과 EMC, EMI 요구사항 외에도 디자이너는 공장의 AC/DC 전원 공급 장치가 장기간 동안 고장 없이 작동하도록 하기 위해 다음과 같은 중요한 요소들을 고려해야 한다.

예를 들어 작동 온도를 전원 공급 장치의 최대 정격 이하로 제한하는 것은 문제를 발생시키지 않기 위한 필수 조건이다. 고온에서는 전원 공급 장치의 성능이 저하될 수 있으며 이는 운영 수명을 단축시키고 고장의 위험을 높일 수 있다.

하지만 저온 환경에서는 출력 전압의 리플(ripple) 증가와 출력 전압 조절의 어려움이 발생할 수 있으며 이 또한 성능 문제를 발생시킬 수 있다. 게다가 저온 환경에서 전기적 특성이 변화해 시스템 가동에 실패로 이어질 수 있다.

제조업체들은 일반적으로 전원 공급 장치의 온도가 임계값을 넘는 경우 출력을 감소시키는 디레이팅(drating) 기능을 권장한다. REDIIN120 시리즈 제품도 최대 작동 온도를 초과할 경우 안전하게 차단하는 기능을 포함하고 있다.

REDIIN120-24 120W AC/DC 전원 공급 장치의 디레이팅 곡선(그림6)에 따르면 100VAC 및 115VAC 입력의 경우 +40°C 이상, 30 VAC 입력의 경우 +50°C를 넘을 때 전력 출력이 줄어든다. +70°C를 넘어 작동할 경우에는 차단이 발생하게 된다.

[그림6] REDIIN120-24 120W AC/DC 전원 공급 장치의 디레이팅 곡선은 +100VAC 및 115VAC 입력의 경우 +40°C를 이상일 때, 230VAC 입력의 경우 +50°C를 이상일 때 출력이 줄어든다. +70°C를 넘어 작동할 경우에는 차단이 발생한다. [출처=레콤파워]

전원 케이블의 길이는 전력 전송에 중요한 영향을 미친다. 케이블의 길이가 길어질수록 저항이 증가하며 부하에 도달하는 전압이 허용 범위 이하로 떨어질 수 있다. 더 두꺼운 와이어 게이지를 사용하거나 출력 전압을 높이고 부하지점(PoL)에서 로컬 DC/DC 변환기를 사용하면 케이블 손실을 극복할 수 있다.

부하의 유형도 고려해야 한다. 전원 공급 장치의 설계에서 용량성 부하 또는 유도성 부하에 전력을 공급한다는 것은 어려운 일일 수 있다.

모터, 솔레노이드, 릴레이와 같은 유도성 부하는 높은 전압 스파이크를 유발할 수 있고 유도성 부하에 전력을 공급하면 전원 공급 장치의 동적 부하 응답을 감소시키거나 불안정해져 출력 리플이 증가할 수 있다.

디자이너는 애플리케이션의 요구사항에 따라 부하의 유형을 신중하게 고려해 전원 공급 장치를 선택해야 한다.

예를 들어 REDIIN120은 정전류 모드를 지원해 이 시리즈는 유도성 및 용량성 부하에 적합하다.

마지막으로 출력 과전류 보호(OCP)는 사이클 누락과 전압 강하를 최소화하는 데 중요하다. 전원 공급 장치를 보호하는 대표적인 기술에는 설정된 값으로 전류를 제한하는 방식, 부하가 증가함에 따라 전류를 안전한 값으로 낮추는 ‘폴드백’ 방식, 또는 출력이 꺼졌다가 일정 시간 후 다시 켜지는 ‘히컵(hiccup)’ 보호 방식이 있다. 만약 과전류 상태가 지속되면 히컵 사이클은 반복된다. REDIIN120 제품은 히컵 보호 기능을 갖추고 있다.

예를 들어 REDIIN120-24 120W AC/DC 전원 공급 장치는 정격 부하 범위 내에서 정전압 모드로 작동한다(그림7). OCP의 경우 출력 전류가 최대 전류 정격을 공칭 값의 105%에서 150%를 넘으면 장치는 제한 전류 모드에 들어가며 이로 인해 출력 전압이 공칭 설정값의 약 80%까지 떨어진다. 부하가 증가하면 전원 공급 장치는 히컵 모드에 들어가며 자동으로 재시작된다.