전장설계 시, 필요한 SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 용량 계산 및 회로 구성을 찾고 있나요?
차단기 선정 시, 내가 사용하고자 하는 부하의 용량 및 특성을 알아야 차단기 선정이 가능합니다.
또한, 사양 및 부하의 특성에 따라서 추가적으로 필요한 parts 들이 있습니다.
인터넷에서 ‘전장설계 회로 및 용량 계산’을 검색하면, 용량 계산 및 회로 구성을 알려주는 곳이 없어 이 글을 작성하게 되었습니다.
그럼 각 부하에 따른, 용량 계산 및 회로 구성 알아볼까요?
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1. SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 용량 계산 및 회로 구성
출처: weidmuller홈페이지
용량계산(Capacity Calculation) 및 구성(Configuration) 카테고리를 다룰 때에는 기본적으로 필요한 것이 있습니다.
바로 메뉴얼(Manual)이죠 메뉴얼이 아니더라도 적어도 카탈로그에 우리가 필요한 내용이 적혀 있어야 합니다.
제가 개인적으로 소지만 자료만 약 50GB 정도 되는데요. 그토록 다양한 메이커와 다양한 제품들이 있고 각 부하에 따른 특성이 있습니다.
하지만, 모든 부하들이 마찬가지지만 2가지의 용도와 3가지의 특성이 있습니다. 3가지의 특성은 앞전 “part”부분 카테고리에서도 말씀드렸지만 유도성, 용량성, 저항성 부하 이고 2가지의 용도는 동력, 제어 입니다.
- 부하의 용량 계산과 구성을 알려면, 그 부하의 메뉴얼이 필요하다.
- 부하는 2가지의 용도(동력, 제어)와 3가지의 특성(유도성, 용량성, 저항성 부하)가 있다.
- 해당 Part 는 주로 콘덴서 및 다이오드 등 전자 회로가 들어가 있으며 주로 용량성 부하(SMPS)와 저항성 부하(Sensor) 유도성 부하(Solenoid valve, Servo Motor Brake)가 포함되어 있다.
1.1. SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 용량 계산
출처: weidmuller홈페이지
SMPS는 제품에 용량이 표기되어 있어 P=VI 공식을 이용하여 간단하게 계산하시면 되겠으나, 이전 글에서 용량계산시, W말고 VA나 A로 계산하라고 말씀드린적이 있을겁니다.
출처: weidmuller홈페이지
다른 W의 SMPS 는 W * 1.5배 하면 어느정도 맞는편인데, 특이하게 120W 는 240W 의 SMPS 보다 더 많은 A를 소비 합니다. (다른메이커도 거의 동일합니다.)
제품에서 말하는W는 출력을 뜻합니다. 우리가 차단기는 선정할 때, 필요한 Spec은 제품의 입력 Spec 입니다. 제가 이러한 부분으로 인해, 때문에 W 로 계산하는 것이 아닌 메뉴얼을 보고 VA 나, A를 보고 용량을 산출하라고 말씀드린 이유입니다.
- 반복적으로 말씀드리나, 용량 산출 시, 꼭 제품의 입력Spec 을 확인하여 산출.
SMPS는 주부하원이 용량성(콘덴서)와 저항성(다이오드)이기때문에, 회로보호용 차단기를 사용합니다. [회로 보호용 차단기 설명 글]
120W SMPS 의 소비전력을 보게되면, 230VAC 시, 1.26A / 110VAC 시, 2.24A 를 소비하게 됩니다. 1.26A 차단기는 없으므로 2A 차단기를 사용하시면 됩니다.
추가적으로 DC 부하단 중에서 I/O card A 계산법에 대해서 말씀 드리겠습니다. DC Line 의 부하 종류는 주로 Sensor 나 Solenoid valve 로 이루어져 있습니다. 실제로 전장설계를 하시는 분들 대부분이 Sensor 나 Solenoid valve 부하는 계산이 아닌 이전에 했던 설계도면 아니면 직감으로 하는 경우가 대부분 입니다.
이걸 대략적으로 빠르게 계산 하는 방법이 있는데, 바로 말씀드리겠습니다.
Input: Sensor가 주 부하인데 접점당 0.02A 계산하시면 됩니다.
출처: Omron 카달로그
위 그림을 보시면 중간에 “Current consumption” 라는 단어가 보이실탠데, 소비 전류 입니다. 보통의 Sensor들은 위와 같이 0.015A 정도 소비하기 때문에 약간의 여유 Spec 을 두고 0.02A 로 계산합니다.
Output: 주로 Solenoid valve와 Relay가 주 부하인데 Solenoid, Relay, LED lamp 부하에는 0.02로 계산하시면 됩니다.
출처: SMC 카달로그
Output 도 마찬가지로 위 그림 중간에 소비전력이 있습니다. 전류(A)로 계산하면
0.35W/24V=0.014A 가 소비됩니다. 위와 동일하게 약간의 여유 Spec 을 두고 0.02A 로 계산합니다.
추가적으로 Relay 도 0.015A 정도 소비하기 때문에 0.02A 로 계산하시면 됩니다.
예를 들어보겠습니다. Input card(16ch * 2ea) 2개와 Output(16ch * 2ea) 카드 2개가 있다고 가정하겠습니다.
Input: 0.02 * 32ea=0.64A
Outpur: 0.02 * 32ea=0.64A
Total: 1.28A 이므로, 1.28A 보다 큰 SMPS인 3A(24V 기준 72W) SMPS 를 사용하면 됩니다.
보통 고객사의 사양서기준, I/O 접접은 60%, SMPS 의 용량도 60~70% 만 쓰도록 되어있습니다. 그래서 Spare 접점 까지 포함하여 계산하면 자연스럽게 SMPS 용량의 60~70%를 사용합니다.
또한, 기본적으로 소비전류의 1.5배하여 계산하였기 때문에 충분히 여유롭습니다.
그 외, 나머지 DC 전류는 AC 전류 구하는 방식과 동일합니다.
(단순히 전압이 AC, DC 차이 입니다.)
- DC Line 의 부하 종류는 주로 Sensor 나 Solenoid valve 로 이루어져 있다.
- Input, Output 부하 대부분은 접점당 0.02A 로 계산한다.
- 계산한 값보다 큰 SMPS를 선정한다.
1.2. SMPS(스위칭 모드 파워 써플라이)의 회로 구성
출처: Omron 홈페이지
DC 를 구성한다는것은 SMPS에 전원을 넣는다는 것과 같습니다. 장비의 전기메인은 AC 로 공급받기 때문인데요, 결론적으로 SMPS 의 용량과 맞춰 회로 구성을 해야 합니다.
DC 30V 이하는 안전전기 이기 때문에[SMPS 설명 글] SMPS2차측은 부하별로 차단기를 달아줄 필요는 없습니다. (예를들어 Sensor 개별로 차단기를 다는 것을 뜻합니다.)
고객사의 사양 및 여러가지 사유에 의해서 SMPS 를 용도별로 구성하는데요, 예를들어 Safety용, Input, Outpur Card 용 SMPS, FAN SMPS 등 용도별로 SMPS 를 설치하시면 됩니다.
하지만 무조건 단독으로 분리해야하는 경우가 있는데요, Safety용도로 사용하는 경우는 SMPS를 단독으로 써야 합니다. 해당 경우는 보통 고객사의 사양서에 적혀있긴하지만 이유를 말씀드리면, Safety PLC 및 Controller 는 장비 구동과 관계없이 인명사고를 방치하고자 위험상황 시, 공급원 차단 목적으로 설치되어 있는 장치입니다. 해당 SMPS가 문제가 있을 시, 인명사고에 직접적인 원인이 될 수 있으므로 단독으로 설치하여 신뢰성을 높히기 위함 입니다.
그럼 SMPS(DC Line) 은 어떻게 회로 구성하는지 아래 그림으로 설명 드리겠습니다.
출처: Nalayang
- CP: SMPS 전원 개폐목적 [회로 보호용 차단기 설명 글]
- SMPS: AC전원을 DC전원으로 변환하는 장치[SMPS 설명 글]
해당 DC Line 은 Safety, 통신, Digital Sensor, Analog Sensor 입니다. Safety DC line 을 제외한 모든것은 합쳐도 크게 관계가 없습니다만, 혹여라도 영향을 줄수가 있어 나눴습니다.
요즘 Samsung 측에 납품하시는 분들은 Safety DC line 에 2중화 SMPS 에 다이오드모듈을 설치하여 사용하는 것으로 알고 있습니다. 이와 같이 Safety DC line 은 그 무엇보다 중요한 Line 이므로 꼭 분리하여 사용 바랍니다.
- DC line 은 안전전기로 구분되기 때문에, 부하별로 차단기를 설치하지 않는다.
- 다른 DC line 은 괜찮지만 Safety DC line 만큼은 꼭 분리한다.
- 인명사고와 크게 관련히 있어 신뢰성 확보 목적
- Safety DC line 의 등전위접지의 목적은 AC -> DC은 SMPS 내부에서 고주파 변압기로 절연되어 있지만 절연이 파괴 될 경우, 1차측의 AC 전압이 2차측의 접지로 흐르기 때문에 2차측의 Controller 와 같은 부하단의 손상을 막기위함.
부족하지만 여기까지 봐주신 여러분들께 감사합니다.
지금까지 Part 카테고리를 봐주시고, 해당 용량 계산 및 회로 구성 카테고리를 보신다면 이해 하실꺼라고 판단합니다.
다음 강의에서는 Safety PLC(안전PLC)의 용량 계산 및 회로 구성에 대해서 기본적으로 알아야할 부분을 알려 드리겠습니다.
“Step By Step” 라는 말이 있습니다. 여러분들도 꾸준하게 제 글을 봐주신다면 전장설계를 좀더 쉽게 다가가실 수 있으실 겁니다.
긴 글 읽어 주셔서 감사합니다. 다음시간에 뵙겠습니다.
많은 도움이 됩니다 ㅜㅜ 업데이트 기다리고 있습니다 ㅜㅜ
출장이 거의 마무리되어 슬슬 업데이트 하도록 하겠습니다. (원래 계획은 주1회 이상 글을 올리는거였는데, 장기 프로젝트가 걸려버려 그 동안 하지 못했습니다.ㅠㅠ)
블로그 글 쭈욱 읽어 봤습니다.
같은 분야 같은 직무의 종사자로서 꼭 알아두면 좋은 내용들이
알아듣기 쉽고 간결하게 정리가 잘 되어있네요.
어쩌다보니 읽게 되었는데, 처음 이 업을 시작했을 때 이런 정보를 알았다면 얼마나 좋았을까 하는 아쉬움이 들 정도로 좋은 자료라고 생각합니다. ㅎㅎ
좋은 정보 감사하고 느려도 좋으니 앞으로도 꾸준한 포스팅 기대해보겠습니다.
좋은자료 감사합니다.
좋은 댓글 감사합니다~ 저도 이쪽 계열 시작했을 때, 그리고 심지어 지금 현재까지도 전장 설계에 대한 제대로 된 교육이 없어 글을 작성하게 되었습니다. 슬슬 장기출장도 마무리가 되어가 꾸준하게 포스팅 하도록 하겠습니다.
전기설계직 신입사원인데 포스팅 잘보고있습니다 매번 감사합니다
댓글 감사합니다. 저도 신입 때, 맨땅에 헤딩하면서 했던 생각이 나네요. ㅎㅎ 자주 와주시면 감사하겠습니다.