Sélectionner des alimentations pour les applications industrielles difficiles et les environnements dangereux

Les systèmes industriels fonctionnant en environnements difficiles et potentiellement explosifs, tels que les lignes de production, les robots, les infrastructures énergétiques, les raffineries et les usines de semi-conducteurs, sont de plus en plus automatisés. Les concepteurs de systèmes ont besoin d'alimentations qui répondent aux exigences de haute puissance de crête et d'immunité aux retours d'alimentation, tout en garantissant fiabilité, durabilité, sécurité, haute densité de puissance, rendement et conformité aux réglementations complexes.

Cet article aborde les défis auxquels sont confrontés les concepteurs de systèmes d'alimentation pour les applications d'automatisation difficiles. Il présente ensuite des alimentations à rail DIN de TRACO Power et montre comment elles peuvent aider les concepteurs à relever ces défis.

Défis des alimentations industrielles

Les lignes de production, les systèmes d'énergies renouvelables, les entrepôts de distribution et les usines de traitement chimique sont autant d'applications qui exposent les dispositifs et les systèmes électroniques à des environnements industriels. Les composants électroniques peuvent être exposés à des températures extrêmes, à l'humidité, aux chocs mécaniques, aux interférences électromagnétiques (EMI), aux vibrations, à la poussière, aux produits chimiques et aux atmosphères explosives. L'électronique étant largement utilisée pour l'alimentation, le contrôle et la surveillance, elle doit être conçue pour garantir l'exactitude, la précision, la fiabilité et la sécurité dans toutes ces applications.

Les alimentations sont particulièrement critiques. Au cœur de l'électronique industrielle, elles fournissent une alimentation régulée à partir de sources CA et CC, et leur sortie doit répondre aux besoins énergétiques de base des machines connectées avec une marge de sécurité suffisante. Par exemple, les systèmes électromécaniques tels que les moteurs, les pompes et les variateurs de vitesse nécessitent des courants de crête élevés au démarrage, que la source d'alimentation doit pouvoir fournir. Une protection contre les surtensions, les surintensités et les surchauffes est également généralement requise.

Les alimentations doivent présenter une bonne régulation de tension sous charge ou variations de ligne et garantir un rendement élevé. Cela est particulièrement important pour les alimentations montées dans des boîtiers compacts, où un faible rendement entraîne une accumulation excessive de chaleur.

Le facteur de forme de l'alimentation est également important. L'alimentation doit pouvoir être intégrée dans des machines ou des armoires de commande où l'espace est limité. De plus, les applications industrielles exigent la capacité à pouvoir remplacer rapidement les dispositifs défectueux. Le dispositif physique doit donc être monté de manière à faciliter son retrait et son remplacement. Enfin, les alimentations doivent impérativement être certifiées pour la sécurité et la compatibilité électromagnétique (CEM).

Zones dangereuses

Les zones dangereuses (HazLoc) constituent un domaine de certification particulier. Le National Electrical Code (NEC) américain définit les zones dangereuses comme des emplacements où il existe des risques d'incendie ou d'explosion en raison de la présence de gaz ou de vapeurs inflammables, de liquides inflammables, de poussières combustibles ou de particules en suspension ou de fibres inflammables. Les alimentations et autres dispositifs électroniques doivent être spécifiquement certifiés pour fonctionner dans les environnements à risques.

Les certifications UL (Underwriters Laboratories Inc.) et ATEX (Appareils destinés à être utilisés en Atmosphères Explosibles) établissent les normes de test pour les composants en zones dangereuses. Ces certifications attestent que les normes de sécurité minimales applicables sont respectées pour l'utilisation du dispositif dans les environnements dangereux désignés.

La certification prend en compte deux facteurs : les types de substances volatiles et la probabilité de leur présence. Le type de matières potentiellement explosives détermine la classe de certification. La classe 1 inclut les vapeurs et les gaz inflammables, la classe 2 couvre les poussières combustibles, telles que la farine, et la classe 3 concerne les particules en suspension et les fibres inflammables (par exemple les particules de tissu).

La probabilité de la présence de substances volatiles détermine la classification de la division. La division 1 concerne les environnements dans lesquels des matières dangereuses sont normalement présentes. La division 2 concerne les environnements dans lesquels les matières dangereuses ne sont généralement pas présentes, mais pourraient l'être dans certaines conditions.

Alimentations pour applications en zones dangereuses

Les alimentations à rail DIN haut rendement série TIB-EX de TRACO Power (Figure 1) sont destinées à une utilisation en environnements difficiles et en zones dangereuses. Le rail DIN est un rail métallique largement utilisé pour le montage d'équipements de contrôle industriels dans des racks ou des armoires. Ces alimentations sont également dotées d'une option de montage latéral offrant un profil plus bas pour le montage sur panneau plat. La série est qualifiée en matière de sécurité selon les normes UL HazLoc classe 1 division 2 (C1D2) et ATEX (EN60079-0, EN60079-7 et EN60079-15), et elle est certifiée EMC.

Figure 1 : Les alimentations à rail DIN série TIB-EX sont qualifiées HazLoc C1D2, certifiées EMC et disponibles en puissances nominales de 80 W, 120 W, 240 W et 480 W. (Source de l'image : TRACO Power)

Les alimentations HazLoc C1D2 sont conçues pour fonctionner en toute sécurité dans les zones où les gaz ou vapeurs inflammables sont normalement contenus mais peuvent s'échapper lors de conditions inhabituelles, telles que des fuites, des dysfonctionnements d'équipement ou des défaillances des systèmes de ventilation.

La caractéristique la plus importante des équipements C1D2 est qu'ils ne doivent pas constituer une source d'inflammation, que ce soit dans des conditions de fonctionnement normales ou inattendues. L'équipement est conçu de manière à ne pas libérer d'énergie électrique ou thermique suffisante pour enflammer une atmosphère volatile. De ce fait, il ne peut pas produire d'arcs électriques ou d'étincelles en fonctionnement normal, et son boîtier physique limite la vitesse de pénétration des substances volatiles.

Outre leurs certifications HazLoc, ces alimentations à refroidissement par convection présentent un haut rendement de 88 % à 95 % (selon le modèle) et peuvent fonctionner sur une plage de températures de -40°C à +60°C (pleine charge). Disponibles avec des puissances nominales de 80 W, 120 W, 240 W et 480 W à des tensions de sortie de 12 V, 24 V ou 48 V, elles fonctionnent à partir de tensions de ligne de 85 V_CA à 264 V_CA à 50/60 Hz.

La série TIB-EX est idéale pour les environnements industriels, avec un ensemble complet de protections opérationnelles, y compris une protection contre les surtensions de sortie et les courts-circuits. Côté entrée, il y a une protection contre la baisse soudaine de tension de ligne, définie comme une chute de tension en dessous de 90 % de la tension nominale, mais non une interruption complète. La durée typique est de 3 à 10 cycles ou de 50 ms à 167 ms. Cette série est conforme à la spécification d'immunité aux chutes de tension SEMI F47.

Les alimentations TIB-EX peuvent également tolérer des surcharges de puissance de courte durée, en maintenant leur sortie pendant 4 secondes à 150 % de surcharge. Cette caractéristique est idéale pour les conceptions utilisant des moteurs pas-à-pas, des solénoïdes ou des actionneurs qui absorbent un fort courant lors de leur connexion initiale.

Un autre phénomène fréquent dans les environnements industriels est le retour d'alimentation, où des charges, telles que des inductances et des moteurs en décélération, peuvent rediriger la tension vers l'alimentation. La série TIB-EX offre une importante fonction d'immunité aux retours d'alimentation qui contribue à prévenir les arrêts ou les dysfonctionnements sous de telles charges.

Les alimentations à découpage (SMPS) doivent initialement charger leurs condensateurs d'entrée, ce qui peut entraîner des courants d'appel importants lorsque l'alimentation est connectée pour la première fois à la ligne. La plupart des alimentations à découpage, telles que celles de la série TIB-EX, utilisent un limiteur de courant d'appel pour contrôler ce phénomène. Le courant d'appel nominal de ces alimentations est de 30 A pour une entrée de 230 V_CA et de 15 A pour une entrée de 115 VCA.

Tous les modèles signalent l'état de la sortie via une fermeture de contact DC-OK et des LED DC-OK situées sur les panneaux avant et latéraux.

L'alimentation CA/CC à rail DIN de 80 W TIB 080-112EX (Figure 2) fournit une tension de sortie nominale de 12 V et un courant maximum de 6,7 A. Elle présente un facteur de forme compact de 94,2 mm x 32,0 mm x 114,2 mm.

Figure 2 : Le TIB 080-112EX est une alimentation à rail DIN de 12 V, 80 W, répertoriée HazLoc. (Source de l'image : TRACO Power)

Le TIB 080-112EX utilise un régulateur à découpage indirect avec une fréquence de commutation comprise entre 60 kHz et 75 kHz. La sortie 12 V est réglable de 11,8 V_CC à 15,0 V_CC, la régulation de tension d'entrée est de 0,1 %, en raison des variations de ligne sur la plage de tensions d'entrée nominales, et la régulation de charge est de 0,5 % pour une variation de charge de 10 % à 90 % de la charge nominale. Ce dispositif fonctionne avec un rendement de 90 % et présente un temps moyen entre pannes (MTBF) de 1 950 000 heures, conformément à la norme CEI 61709.

Le TIB 120-124EX (Figure 3) est un exemple d'alimentation à rail DIN de 120 W. Il présente une sortie de 24 V, 5 A et mesure 114,2 mm x 124,2 mm x 36,0 mm.

Figure 3 : Le TIB 120-124EX est une alimentation de 24 V, 120 W, en boîtier de 114,2 mm x 124,2 mm x 36,0 mm. (Source de l'image : TRACO Power)

Le TIB 120-124EX utilise une topologie inductance-condensateur-condensateur (LCC) en demi-pont avec une fréquence de commutation de 70 kHz à 100 kHz. Il intègre également une correction du facteur de puissance active.

La sortie nominale de 24 V de cette alimentation est réglable de 23,5 V à 28 V et le rendement nominal est de 94 %. Le temps moyen entre pannes est de 1 450 000 heures.

Les concepteurs ayant besoin d'une puissance plus élevée peuvent se tourner vers le TIB 240-148EX (Figure 4), une alimentation de 240 W avec une tension de sortie nominale de 48 V et un courant de sortie maximum de 5 A. Ce modèle est disponible dans un facteur de forme plus grand de 114,2 mm x 124,2 mm x 48,0 mm.

Figure 4 : Le TIB 240-148EX est une alimentation à rail DIN de 240 W qui délivre 48 V à 5 A. (Source de l'image : TRACO Power)

Comme la version 120 W, cette alimentation utilise une topologie LCC en demi-pont avec une fréquence de commutation comprise entre 75 kHz et 100 kHz. Elle inclut la correction du facteur de puissance active et présente une tension de sortie nominale de 48 V, réglable de 47 V à 56 V. Son rendement atteint 95 % et son temps moyen entre pannes est de 1 300 000 heures.

Le TIB 480-124EX (Figure 5) est une alimentation de 480 W avec une sortie de 24 V, 20 A et un rendement de 95 %. Ce modèle est fourni en boîtier de 114,2 mm x 124,2 mm x 82,0 mm et dispose d'une fonction marche/arrêt à distance. La tension de sortie est réglable entre 23,5 V et 28 V, et le temps moyen entre pannes est de 1 300 000 heures.

Figure 5 : L'alimentation TIB 480-124EX de 480 W est dotée d'une fonction de commande marche/arrêt à distance. (Source de l'image : TRACO Power)

Conclusion

Les alimentations à rail DIN série TIB-EX de TRACO Power allient hautes performances et conceptions de circuits fiables, efficaces et durables, et elles sont optimisées pour le montage dans les armoires de commande dans les applications industrielles. Elles présentent l'avantage remarquable d'être qualifiées pour une utilisation en environnements dangereux.