制御盤電源回路設計

Technology

(せいぎょばんでんげんかいろせっけい)

電源回路

制御盤電源回路設計とは、工場や設備から供給される電源を、制御盤内で使用するモーター、PLC、計量コントローラ、センサ、表示灯などに適した電圧へ変換・分配し、安全かつ安定して供給するための回路を設計することです。

制御盤内では、機器ごとに必要な電圧や消費電力が異なります。例えば、モーターなどの動力機器にはAC200VやAC400V、PLCや計量コントローラ、保守用コンセントにはAC100V、センサや表示灯、PLCの入出力回路にはDC24Vが使用されます。

受電した電源をそのまま各機器へ接続するのではなく、変圧器、DC電源、配線用遮断器、ヒューズ、ノイズフィルタなどを組み合わせ、必要な容量、安全性、保守性を確保します。

制御盤で使用する主な電源

AC200V・AC400V

モーター、インバーター、ヒーターなど、比較的大きな電力を必要とする機器に使用されます。三相電源を使用する場合は、相順、欠相、過電流などへの対策も必要です。

AC100V

計量コントローラ、PLC電源、タッチパネル、プリンター、保守用コンセントなどに使用されます。工場からAC100Vが供給されていない場合は、変圧器を使用してAC200Vなどから変換します。

DC24V

近接センサ、光電センサ、表示灯、電磁弁、リレー、PLCの入出力回路などに広く使用されます。AC電源をスイッチング電源でDC24Vへ変換し、各機器へ分配します。

その他の直流電源

機器によってはDC5V、DC12V、DC15Vなどが必要になる場合があります。計測回路や専用機器の仕様に合わせ、必要な電圧と安定性を持つ電源を選定します。

電源回路の基本構成

制御盤の電源回路は、主電源の受電、遮断、保護、変圧、整流、分配という流れで構成されます。工場側から受電した電源は、主幹遮断器を通して盤内へ取り込み、用途ごとに分岐します。

動力回路、制御回路、計測回路、保守用回路などへ分け、それぞれに配線用遮断器やヒューズを設けます。異常が発生した回路だけを切り離せるようにすることで、故障箇所を特定しやすくし、設備全体への影響を抑えます。

主な構成機器

配線用遮断器

短絡や過電流が発生した際に回路を遮断し、配線や機器を保護します。負荷電流、配線サイズ、突入電流などに応じて定格を選定します。

漏電遮断器

漏電を検出して回路を遮断する機器です。感電や火災の防止を目的として、保守用コンセントや設備条件に応じた回路へ設置します。

変圧器

AC200VをAC100Vへ変換するなど、交流電圧を必要な値へ変換します。接続する機器の消費電力、突入電流、将来の増設余裕を考慮して容量を決定します。

スイッチング電源

交流電源をDC24Vなどの直流電源へ変換します。センサ、PLC、リレー、電磁弁などの合計消費電流を確認し、必要な出力容量を選定します。

ノイズフィルタ・サージ保護機器

電源線から侵入するノイズや瞬間的な過電圧から制御機器を保護します。インバーターや電磁接触器を使用する設備では、ノイズの発生源と影響を受けやすい計測回路を分けて設計します。

設計上のポイント

電源容量の算定

各機器の定格消費電力や消費電流を合計し、必要な変圧器やDC電源の容量を算出します。単純な定格値の合計だけでなく、モーター、電磁弁、リレー、プリンターなどの起動時に発生する突入電流も考慮します。

容量に余裕がなければ、電源投入時の電圧低下や機器の誤動作が発生する可能性があります。一方、必要以上に大きな電源を選定すると、盤内スペースやコストが増えるため、設備条件に応じた適切な容量とします。

回路の分離

モーターやインバーターを含む動力回路と、センサや計測機器を含む制御・計測回路は、電源系統や配線経路を分けることが重要です。大きな電流変化や電気的ノイズが計測信号へ影響すると、重量値やセンサ入力が不安定になる場合があります。

必要に応じて、制御電源用の変圧器、絶縁電源、ノイズフィルタなどを使用し、影響を抑えます。

接地と絶縁

感電防止やノイズ対策のため、盤、機器、シールド線などを適切に接地します。ただし、接地方法が不適切な場合は、接地電位差やノイズ電流が計測回路へ流れ込むことがあります。

保護接地、機能接地、シールド接地の目的を整理し、機器メーカーの接続条件も確認して設計します。

停電・瞬時停電への対応

停電が発生した場合に、モーターやバルブがどの状態になるか、PLCや計量データをどのように保持するかを検討します。復電時に設備が不用意に再起動しないよう、再起動条件や自己保持回路を設計します。

短時間の停電でも制御を継続する必要がある場合は、無停電電源装置や直流電源のバックアップを検討します。

保守用電源の安全性

制御盤内へ保守用コンセントを設置する場合は、漏電遮断器や専用の分岐回路を設けます。制御機器用の電源と共用すると、保守工具の使用によって電圧低下や遮断が発生する可能性があるため、用途を分けることがあります。

盤内温度への配慮

変圧器やDC電源は動作中に発熱します。盤内温度が高くなると、電源機器の寿命や出力能力に影響するため、機器配置、放熱スペース、換気、冷却方法を検討します。

電源状態の監視

制御盤では、電圧、電流、電力、欠相、逆相などを監視することがあります。電圧計や電流計を盤面へ設置すれば、設備の運転状態や負荷状況を確認できます。

大きな電流を測定する場合は、CTを使用して計測器で扱える信号へ変換します。計測値をPLCや電力計測器へ取り込み、タッチパネルへの表示、警報、データ保存に利用することもできます。

DC24V電源についても、出力低下や電源異常信号を監視することで、センサやPLCが停止する前に異常を検出できる場合があります。

ハカルプラスの対応

ハカルプラスでは、工場から供給される一次電源、接続機器の電圧・容量、設備の運転条件を確認し、制御盤内の電源回路を設計します。

変圧器やDC電源の容量計算、配線用遮断器・ヒューズの選定、AC100V、AC200V、DC24V、DC15Vなどの電源系統の構成、端子台や盤内配線まで対応します。

また、動力回路と計測・制御回路の分離、ノイズ・サージ対策、接地、停電時の安全動作、将来の機器追加を考慮した設計を行います。CTや電力計測器を用いて、電圧、電流、電力などを盤面やタッチパネルへ表示する構成も検討できます。

よくある質問

Q. DC24V電源の容量はどのように決めますか？

A. PLC、センサ、表示灯、リレー、電磁弁などの消費電流を合計し、突入電流や将来の増設分を考慮して決定します。

Q. AC200VからAC100Vを作ることはできますか？

A. 変圧器を使用することで可能です。接続する機器の合計容量と突入電流に応じて、変圧器の容量を選定します。

Q. 動力回路と制御回路を分ける理由は何ですか？

A. モーターやインバーターから発生するノイズや電圧変動が、PLC、センサ、計量機器へ影響することを抑えるためです。

Q. 停電後に設備が自動で再起動することはありますか？

A. 回路やPLCプログラムの設計によって異なります。安全上問題がある設備では、復電後に作業者が再度起動操作を行うまで運転しない構成とします。

Q. 制御盤の電流や電力を表示できますか？

A. CTや電圧入力を電力計測器へ接続することで、電流、電圧、電力、電力量などを盤面やタッチパネルへ表示できます。