電力通信系装置の設計

質問

電力及び通信装置の設計手法などについて以下の質問があります。
質問事項が多く恐縮ですが、解答頂けると幸いです。
(1)必要電力計算
施設のコンセントAC100Vから受電し、DC50Vを出力する装置の設計をしております。
最大消費電流値を算出したいのですが、一般的なDC/DC変換による計算
(変換効率=(Pin-Pout)/Pinから式変形してIinを計算)と同じでしょうか。
ACは電圧電流で実効値や力率もあるため、考慮するべき事項があれば
教えて下さい。

(2)計測誤差要求
電圧及び電流の計測機能を付加しようと考えておりますが、計測誤差として
考慮すべき事項などありますでしょうか。基本、その装置の使用目的を満足可能な
精度を設定する(解析に使用する場合は解析精度に影響が無い程度等)との理解
ですが、他にあれば教えて下さい。

(3)Ethernet
通信機能として、Ethernet通信を付加することを考えておりますが、通信規格は
半二重が要求されております。また、プロトコルとしてTCP/IPも要求されて
いるのですが、他の設計者よりTCP/IPは基本全二重通信である、と聞いたの
ですが、その通りなのでしょうか。半二重は衝突が起こるが、スイッチハブにより
ジャム信号を送信する等で対処する(物理層での対処？)と聞いたので、TCP/IPでも問題
無いと考えたのですが、誤りでしょうか。
また、データリンク層の要求として、Ethernet100Base-TXとあり、他の文書では
IEEE802.3もしくはEthernet2.0が要求されていました。
自分の調べた限りでは、Ethernet2.0が一般普及しており、TCP/IPもこちらでのみ
利用可能と記載されてました。
一方、100Base-TXを調査してもIEEE802.3のみが記載されており、Ethernet2.0は
確認することが出来ませんでした。
Ethernet通信規格の詳細について教えて頂けると大変ありがたいです。

回答No.4

ohkawa3 · ベストアンサー

回答(3)再出
DCの消費電力が1.5kWであれば、電源回路の入力は、効率を90%と仮定すれば1.5kW÷0.9＝1.67kW
電源の整流回路がコンデンサインプットであると、入力力率は60%程度なので、入力電流は1.67kW÷（100V×0.6)＝28A程度になります。コンセントが20Aの分岐回路に接続されていれば、完全に容量不足です。

電源回路としてPFC回路を採用したものなど力率の高いものを採用すること、電源電圧が低下した場合にはさらに入力電流が増えることなどを総合的に考慮して、十分に余裕のある（少なくとも20%以上）電流容量の分岐回路の専用コンセントを増設することが必要と思います。分電盤までは単相3線方式で200Vが供給されていることが一般的ですから、電源電圧をAC200Vとすることも視野に入れた方が良いと思います。

PFC回路
https://micro.rohm.com/jp/techweb/knowledge/si/s-si/05-s-si/7389

お礼

どうもご解答ありがとうございました。
やはり電流容量不足が懸念されますね。
AC200V給電での対応も視野に入れたいと思います。

回答No.5

lumiheart

回答２です

回答３さんへのお礼文に
＞1.5ｋW以上と考えています。
＞設備側には100V20Aの配電盤があると確認しておりますが
＞計算方法として抜けや誤りが無いかを気にしておりました。

基本はメーカの仕様書に記載してある値を使用する
https://www.cosel.co.jp/product/powersupply/PJA/PJA1500F/PJA1500F-48/
入力電流 18Ａ
突入電流 15/30typ（Io=90%）（1次突入電流値/ 2次突入電流値）再投入間隔 10 秒以上
https://www.cosel.co.jp/technical/qanda/a0048.html

ところで質問文にはＤＣ５０Ｖと有るけれど
本当に５０．０Ｖなんでしょうか？
ＤＣ４８Ｖじゃあダメなの？　＜　市販電源は４８Ｖしかない

そして４８Ｖだったとしてもメンテの関係で４８Ｖ３０Ａとかは使わない　
（ＤＣ回路の大電流遮断はアークが大きくて危険だから）
なのでＤＣ４８Ｖ１０Ａのタイプを複数台使用して
ＡＣ側で電源遮断するようにする

と、言うのが最近の流行だけれど

因みに
トランス容量は概ね負荷容量の１．５倍以上
http://www.e-aiharadenki.co.jp/faq.html
負荷容量1.5kVAなら2.25kVAのトランスと成りますがそんな半端なのは無い
ただ、2.5kVAも3kVAも価格も外寸も大して変わらないから3kVA

よーするに、市販品で安全率を考えると力率や効率なんてどーでも良くなる
結局のところ、ご予算が許す限りの最大容量に落ち着く

お礼

色々とご教示ありがとうございました。
現在選定している電源は出力電圧が可変であり、DC50Vは
ノミナル出力電圧値です(48Vも運用としてはありえます)。
電源の仕様値以内となるよう設計します。

回答No.3

ohkawa3

(1)について回答します。
AC100V→DC50Vの電源回路全体を設計するのであれば、まずはDC50V側に接続される装置が消費する最大電流を見積もることからスタートして、回路の変換効率、整流回路の力率などすべて考慮することで、入力電流の値を求めることができます。

とはいうものの、消費電力が数10W程度までであれば、AC100V側の電流値を気にすることなく、コンセントにプラグを差すだけでOKでしょう。

消費電力が100Wを超えるようなオーダーであったり、装置の信頼性を意識するのであれば、コンセント回路の供給能力に余裕があっても、分電盤にブレーカー（20A）を追加して、その装置専用のコンセント回路を設けることが適切と思います。

消費電力が1kWを超える場合は、AC100V側の電流値をきちんと見積もって、電流に見合った専用コンセント回路を設けることが必須でしょう。

補足

投稿内容に不足がありましたので、補足させて頂きます。
DC50V側の負荷の最大消費電力は大よそのアタリがついており、1.5ｋW以上と考えています。
仰る通り、数十～数百Wの消費電力であれば気にする必要は無いのですが、大容量になるため、
設備側としてどれくらいの容量があればよいか、ある程度精度よく算出する必要があると考えておりました。
設備側には100V20Aの配電盤があると確認しておりますが、AC/DC変換効率(こちらは値を仮設定)
を考慮して算出した場合に大よそ20A程度であったため、計算方法として抜けや誤りが無いかを
気にしておりました。

回答No.2

lumiheart

＞(1)必要電力計算
基本的事項として
全部自社で設計製作するんでしょうか？
昭和時代はともかくとして現代の主流は「市販品を使え」です
https://product.tdk.com/info/ja/products/power/switching-power/ac-dc-converter/catalog.html
https://www.cosel.co.jp/lineup/powersupply/input_current/type/

それとも、ブレーカ容量、或いはトランス容量や電線太さを計算したいのでしょうか？
基本的にそれらは負荷電流からだけでは計算できません
最優先事項は御予算！

逆から言えばご予算次第で全てが決まる

＞(2)計測誤差要求
これも（１）同様に計測器を内製するのか？購入するのか？
やはり同様にご予算だけで決めれる
https://www.watanabe-electric.co.jp/product/main-genre/mainGenreCode/13/firstCategory/18/
https://www.fa.omron.co.jp/products/category/control-components/digital-panel-indicators/voltage_current-input/
「粗悪品でない限り」と、言う前提条件は憑くけど
「通信装置」と有るのが民生機器でなく産業機器としてですけど
産業機器用途としての精度、信頼性は日本の産業機器メーカ製である限り
何処の製品を使っても問題は無い
問題は御予算と設置スペースだけ

産業機器の電源装置は↑に挙げた電源機器メーカには
業界ごとの規格や基準に適合した製品があります
https://www.cosel.co.jp/lineup/noisefilter/application/
性能的には医療機器やエネルギ機器向けの製品が良いのですが
それらの製品は当然の如く高価！

お礼

早速の解答ありがとうございます。
基本は民生品を組み合わせて装置を開発するつもりです。
ですが、選定した民生品が装置の要求を満足するかの確認をする必要があると
考えております。ご指摘の通り予算で決まることは認識しておりますが、
最初は技術的視点で、装置の仕様に問題無いかを評価したいと思いました。
技術的に問題がない＆予算的に問題がなければ現仕様で製作、片方に問題が
あればトレードオフする、ことになると考えてました。

回答No.1

TIGANS

(3)について回答します。

IEEE802.3もしくは　Ethernet2.0というのは　現在一般に市販されている
安価で流通性の良いイーサネット機材のことで、それを組み合わせて使え
特殊規格を使うなということ。（ケーブルカテゴリ、接続性互換など）

TCP-IP自体は全二重通信も半二重通信も関係ありません。
半二重で衝突回避するのはデータリンク層のCSMA/CDという仕組みで
正しくイーサネットを使う限り、対応機器が既に半二重をサポートしています。

100Base-TX　は全二重規格なので言っていることが矛盾しています。
http://www.aim-ele.co.jp/tech/metal-tech6/
というか、100Base-TXは今一番普及しているハブとPCなどを繋ぐ規格ですよ
100Base-Tは見たこと無いので、1000Base-TXの間違いでは無いでしょうか。

お礼

ご解答ありがとうございました。
Ethernet規格やプロトコルについて理解が深まりました。

補足

投稿内容が不明確で申し訳ございません。
先ず、上位の要求文書が複数あります。
一つ目の文書での要求は100Base-TX半二重
(仰るとおり100Base-TXは全二重規格であり、相手側の通信機器も
何だかんだでオートネゴシエーションにより全二重通信出来るみたいです。)
二つ目の文書ではプロトコルとしてTCP/IPが、データリンク層として
IEEE802.3もしくはEthernet2.0と要求されております。
(双方とも現時点での要求であり、変更/追加の可能性があります)

100Base-TXの要求を満足するLANボードを選定しているところですが、
他の設計者より基本TCP/IPは全二重のみで半二重通信でTCP/IPが出来る
LANボード(装置組込み用)は一般的に無い、と聞きました。
(自分の解釈が誤っている可能性もありますが。。。)

頂いた解答の内容からしますと、IEEE802.3とEthernet2.0のどちらでも
100Base-TX及びTCP/IPへ対応可能ということで宜しいでしょうか。