【設備・機械を止めないために】DC24V電源（スイッチング電源）システムで設備の安全・安心を担保しよう

「可用性」という言葉について、あまり聞き覚えがない読者様も多いかもしれません。
ここでは可用性を「いかに機械や設備を正常に稼働できるのか、その時間の割合」として定義しておきましょう。
つまり信頼性が高い電源システムによって、機械や設備を正常に運転できるかどうか。それを達成するためには、どうすべきかという点をご説明しましょう。

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【目次】
電源システムの可用性を向上させるための3条件と各種コンポーネント
駆動回路に起因するノイズから、機器不良を防止しよう！
一次側電源の電圧低下による二次側の電圧降下、または瞬停を防止するには？
　【1】電源自体に具備されている出力保持機能を利用する
　【2】コンデンサを用いたバッファーモジュールを使用する
　【3】鉛蓄電池を用いたUPSコントローラを採用する
　【4】電源の冗長化／並列化の違いと、電源の交換周期を伸ばす方法
　【5】電源の交換周期を伸ばす方法
　【6】電源が故障してしまった場合に有効な冗長構成と、その注意点とは？
　【7】Murrelektronik社のアクティブ冗長運転ユニットで電源の高寿命化を！
　【8】3つの工夫によって、可用性を高くする電源システムを構築しよう！

電源システムの可用性を向上させるための3条件と各種コンポーネント

まず可用性が高い電源システムの条件を3つ挙げるとすれば、以下のようになるでしょう。

【1】モータ、またはインバータなどの駆動回路に起因するノイズによって、機器不良を起こさないこと
【2】一次側の電源ラインに何か異常があっても、安定して電力供給が行われること
【3】突発的な電源故障に備えて、冗長化対策が講じられていること

実は弊社では、これらの要件に該当する製品として、ドイツ・Murrrelektronik社の「EMCフィルター」「バッファーモジュール & UPSシステム（＋鉛蓄電池）」「冗長運転ユニット」を取り扱っています。
Murrelektronik社は、ドイツの制御機器メーカーとして知られており、世界50ヵ国で製品を販売しているグローバルカンパニーです。
本社工場を含めて世界に5つの生産拠点があり、主な製品群として「制御盤内機器」「各種インターフェース」「I/Oシステム」「コネクタ＆ケーブル」を製造・販売しています。

これらの製品群のうち、今回のテーマである「電源システムの可用性を向上させる各種コンポーネント」は、制御盤内機器に含まれるものになります。
弊社は、Murrelektronik社の総合代理店として、各種コンポーネントを組み合わせ、以下のような電源システムをソリューションとしてご提案しています。

弊社が提案する可用性アップのための電源システム。「ノイズ除去」「冗長構成」「電源停止時バックアップ」という3つのアプローチがある。

ここからは、これらの構成要素について1つずつ紹介していきましょう。

駆動回路に起因するノイズから、機器不良を防止しよう！

まず筆頭でご説明したいのが、モータやインバータなどの駆動回路に起因するノイズからの影響を防ぐ「EMCフィルター」です。
悪影響を及ぼすノイズには、モータなどからケーブルを伝わる「伝導ノイズ」や、空気中を伝わってくる「放射ノイズ」があります。
EMCフィルターで解決できるのは、前者の伝導ノイズです。
ノイズ発生源と受信側の前にEMCフィルターを置くことで、ノイズを抑制できるようになります。

ノイズ発生の経路。ノイズの種類には、伝導ノイズと放射ノイズがあるが、今回は伝導ノイズ対策の製品について紹介する。

この際、適切なシールド処理を行う必要があります。
シールド処理で注意したい点は、ケーブルの長さを短くして、低インピーダンスに保つことです。

またノイズ（高周波電流）が導体に流れるときは「表皮効果」が出ます。
これは相互インダクタンスにより、導体の中心よりも表面に近い部分に高周波電流が流れやすくなる現象です。
そのため三線のアース線では線の太さよりも表面積が重要になります。
ノイズの規制が厳しい欧州では銅編組シールドが使われることが多いです。

EMCフィルターには、三相や単相に使われるフィルターなどがありますが、いずれもケーブルから伝わるノイズをカットしたり、ノイズ干渉による機器不良を防止したりすることが可能です。
フィルターを設置すると高周波成分のノイズを除去していることが周波数特性グラフから読み取れるでしょう。

駆動回路に起因する高周波ノイズから機械や機器を保護するために、EMCフィルターを設置する。またノイズ干渉による機器不良も予防。

一次側電源の電圧低下による二次側の電圧降下、または瞬停を防止するには？

たとえば三相電源から一次側に単相電源を取り出しているとき、一次側電源に何か異常が起きると、負荷（機器）側の出力が足りなくなったり、最悪の場合は機器が停止してしまったりする恐れがあります。
そこで一次側にトラブルが発生しても、二次側の出力を保持できる仕組みが求められます。
このとき機器（負荷）が必要とする電流容量（A）と、どれだけ長く出力を保持するかによって、ご提案できるソリューションが3つあります。

何らかの原因で一次側の電圧が低下し、二次側の電圧降下や瞬停が起きても継続運用できるように、出力を保持できる仕組みが必要だ。

【1】電源自体に具備されている出力保持機能を利用する

もともと電源自体がサポートする機能なので、これが最もシンプルで低コストな解決法といえます。
たとえば、弊社が取り扱っているMurrelektronik社の代表的な電源「Emparro」の場合は、出力を最低30ms保持することが可能です。これにより瞬停には対応できます。
しかし、これ以上の停止や電圧低下でも対応したい場合は、次のような対策が必要になります。

一次側の電圧低下による二次側の電圧降下、瞬停からの保護その1。超短時間であれば、電源に備わっている出力保持機能が使える。

【2】コンデンサを用いたバッファーモジュールを使用する

電源の二次側に直列でバッファーモジュールを取り付ける方法があります。
長寿命のコンデンサに蓄えられた電力を使用するので、ある程度の時間の供給を保証してくれます。
負荷が産業用PCの場合は、シャットダウンまでの電力の供給も可能です。
またバッファーモジュールには、アラート出力による検知機能が付いている製品もあります。
もし電源やバッファーモジュール自体に何か異常があったとき、このアラート出力をPLC側に送ってアクションを起こせるでしょう。

一次側の電圧低下による二次側の電圧降下、瞬停からの保護その2。短時間であれば、コンデンサを用いたバッファーモジュールを使う。

Murrelektronik社のバッファーモジュールには、供給容量（1～40A）と保持時間（0.2秒～6分）によって、数多くのラインナップが用意されています。
より保持時間を長くしたい場合は、バッファーモジュールを並列につなぐことで解決できます。

【3】鉛蓄電池を用いたUPSコントローラを採用する

この方法は、UPS（無停電電源システム）を導入する方法になります。電源の二次側にMurrelektronik社のUPSコントローラと鉛蓄電池を取り付けて、バッファーモジュールよりも長時間のバックアップを実現する方法です。
鉛蓄電池の容量によっては、数時間の出力を確保することが可能です。

一次側の電圧低下による二次側の電圧降下、瞬停からの保護その3。長時間であれば 鉛蓄電池を用いたUPSコントローラを利用したい。

UPSコントローラには、取り付けたバッテリ（鉛蓄電池）の異常を検知する機能や、センサを取り付けてバッテリの充電タイミングをコントローラが知らせてくれる機能もあります。
これによりバッテリの長寿命化を実現できます。
さらにコントローラのUSB端子に産業用PCを接続し、一次電源の異常が発生したときに、専用ソフトを使って産業用PCを安全にシャットダウンする機能も用意されています。

最後にバッファーモジュールとUPSコントローラの選定目安の一覧表を示しておきます。

バッファーモジュールとUPSコントローラの選定目安の一覧。求める電源容量と保持時間の関係から最適な製品を選べる。

電源の冗長化／並列化の違いと、電源の交換周期を伸ばす方法

複数の電源を接続する際には、冗長運転と並列運転があります。両方とも電源を並列には接続しますが目的が異なるので、もう一度振り返ってみましょう【★図1】。

冗長化運転と並列化運転の違い。両方とも電源を並列に接続するが、冗長化運転は主電源が故障したときに他電源で供給し、並列運転は電源の出力を増やすことが目的だ。

冗長運転とは「バックアップ運転」とも呼ばれ、1つの電源が故障したときに、もう1台で電源を供給することが目的になります。
冗長運転で、たとえば負荷側に10Aの電源×2台を並列接続した場合、10A×2で20Aを出力できるのでは？　と思われるかもしれませんが、あくまでもう1台の電源は冗長化のためのバックアップであり、負荷の最大値は10Aになります。

一方、並列運転とは出力を増やすことが目的なので、10A＋10Aで計20Aを出力できるようになります。
ここで注意したい点は、1つの電源が故障した場合に、もう1つの正常な電源からしか電力が供給されないので、このときは最大10Aとなってしまいます。
つまり、ここでは冗長化対策が施されてないことになります。

電源の冗長化については、「冗長化を実施しているが、電源の交換周期が早い」という課題が挙げられます。
これについて詳しく説明する前に、電源の寿命について簡単に触れたいと思います。

電源の交換周期を伸ばす方法

電源は複雑で、さまざまな部品から構成されています。この中で最も寿命の短い部品が「アルミ電解コンデンサ」です。
このコンデンサーの寿命は、周囲温度、および電源本体の温度が大きく関わってきます。

「アレニウスの法則」によると、10℃温度が下がると寿命が2倍になります。
下図のとおり、縦軸が電源本体の温度（コンデンサの周囲温度）で、横軸が寿命とすると、温度80度の場合は約2800時間の寿命、温度が70℃では約5500時間、さらに60℃では約11000時間となり、寿命が2倍になることが分かります。
つまり温度を低く抑えることが、電源の冗長化の交換周期を伸ばすベーシックな解決方法になります。したがって、電源の温度を上昇させない工夫が非常に重要となります。

電解コンデンサの周囲温度と寿命の関係。電源の部品で最も寿命が短いのが電解コンデンサ。この寿命には周囲温度と電源温度が関係し、寿命は「アレニウスの法則」に従う。

電源が故障してしまった場合に有効な冗長構成と、その注意点とは？

次に冒頭で触れたように、電源が故障してしまった場合の対処方法について説明します。

一般的に用いられる冗長運転では、電源が2つ並んでいますが、同じ電源を用いたとしても、厳密には出力電圧には差が発生します。
ただし、電源によっては調整用のトリマーが付いているため調整は可能です。
しかし、やはり工数もかかりますし、経時変化によって、また電圧を測って再調整することになります。

両方の電源の出力に差があり、たとえば1つの出力が24.05V、もう1つの出力が23.9Vとすると、出力の高い電圧だけが電力を供給し、もう一方は出力しないため、結果として一方の電源だけ100％負荷に近い状態になります。
すると電源本体が高温になり、電源寿命が短くなってしまいます。
また、出力電流が大きくなると、もう一方の（低出力の）電源に電流が逆流する恐れがあるため、冗長運転の際はダイオードの挿入が推奨されます【★図3】。

冗長運転の課題。電源出力にバラつきがあると、一方の電源に負荷が集中。電流の逆流も起きるので、順方向しか電流を通さないダイオードが必要。しかし熱損失が大きく、電圧が降下する。

このダイオードは、メーカーが推奨品を用意していないため、ダイオード取り付け基板を別途用意するなど、面倒な作業と自己責任を伴います。
これを回避するために、DINレールに取り付けられる冗長運転ユニットがあります。
ただし、それを採用しても、ダイオードによる熱損失が大きく、電圧が降下してしまうため、電源トリマーで電圧を少し大きな値になるように調整する工夫が必要になります。

このような冗長構成にすると、一方の電源が壊れた場合でも、もう一方の電源がバックアップとして働きます。
ただし、電源が故障したかどうかはアラームで検出できず、制御盤を開けるまで分からないため、対策が遅れてしまうことがデメリットになります。

Murrelektronik社のアクティブ冗長運転ユニットで電源の高寿命化を！

そこで提案したいのが、Murrelektronik製のアクティブ冗長運転ユニット「MB Redundancy Balance」です。
本製品は、電源の出力を50%ずつバランスよく常時50%に配分します。これにより発熱量が低く抑えられて、より電源が長持ちするのです【★図4】。

MOSFETを採用したアクティブ冗長運転ユニットの場合は、熱損失が少なく、冗長化された電源を均等に出力してくれるほか、故障時のアラーム機能もある。

さらに本製品は、半導体の素子としてMOSFETを採用しているため、ダイオードと比較して非常に省エネになります。
たとえばMurrelectronik社で実験した電源周りのサーモグラフの結果は以下の通りです【★写真5】。

電源周りのサーモグラフの結果。赤い部分が温度が高い＝電源が稼働しているところ。アクティブ冗長運転ユニットのほうが、両電源がバランスよく稼働し、温度も低いことが分かる。

ダイオードを用いた冗長運転では、2台のうち1台のみが100％電源を供給し、その温度が74℃であることが分かります。
一方、MOSFETの冗長ユニットは、両方の電源出力が均等になり、温度も57.9℃で、約16℃も低くなります。
そのため電源の寿命も2倍以上になり、電源の交換周期も伸びるわけです。

また本製品は、アラーム接点がついているため、冗長運転の際に電源が正常に動いていることが分かります。
両方の電源が50％で正常にバランスをとって運用されるように、そのバランシング設定の機能も付いています。
このほかLEDによる状態確認も可能です【★写真6】。

Murrelektronik製の「MB Redundancy Blance」の主な仕様。冗長運転はもちろん、冗長時の出力バランス調整機能、電源故障アラーム出力機能もある。

3つの工夫によって、可用性を高くする電源システムを構築しよう！

今回は、可用性を高める電源システムの工夫についてご説明しました。
まとめてみると、3つの方法があります。

まず1つ目電源の駆動回路に起因するノイズの影響を防ぐために、EMCフィルターを設置すること。また適切なシールド処理を施すことも大切です。

2つ目は一次電源の瞬停、もしくは瞬断に備えて「バッファーモジュール」や「UPSコントローラ」を設置すること。
そのとき負荷の容量や、出力を保持したい時間に応じて、対策を講じることになります。

3つ目はもし1台目の電源が故障しても、もう1台のバックアップ電源で運転を継続する冗長運転ユニットを採用することです。
この際、内臓の半導体素子はダイオードでなく、電界効果型のMOSFETを用いたアクティブ冗長運転ユニットを推奨します。

弊社が提案する可用性アップの電源システム。ノイズ対策、バックアップ電源、瞬停・停止に備えるバッファーやUPSコントローラという3つの対策で万全を期す。

このように弊社では、電源システムの可用性を最大限に高めるために、さまざまなご提案をさせて頂いております。
カタログも用意していますので、ご相談いただければ、お客様のニーズに応じた製品を選定させていただきます。
詳細につきましては、弊社窓口（info@kmecs-automation.jp）までお問合せ下さい。

今回ご紹介した製品の 製品詳細・型番は下記資料からダウンロード頂けます 資料ダウンロードはこちら

★★オンラインショップにて掲載中★★
Murrelektronik社のスイッチング電源の弊社在庫型番をオンラインショップに掲載しております。
https://shop.kmecs-automation.jp/c-item-detail?ic=MURR001
この機会にぜひチェックしてください！

次の後編では、電源の冗長化構成に関するお話をさせていただく予定です。お楽しみに！

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