作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美編輯

2024-08-09

本系列文章的[第 1 部分]介紹了在選擇電機(jī)連接電纜、輸出電抗器、制動(dòng)電阻器、線路電抗器和線路濾波器時(shí)應(yīng)考慮的因素。第 2 部分繼續(xù)探討 VSD/VFD 與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的區(qū)別，回顧交流和直流旋轉(zhuǎn)和直線伺服電機(jī)的用途，研究軟啟停裝置在工業(yè)作業(yè)中的應(yīng)用，以及直流轉(zhuǎn)換器如何用于為傳感器、人機(jī)接口 (HMI) 和安全設(shè)備等外圍設(shè)備供電。

變速驅(qū)動(dòng)器和變頻驅(qū)動(dòng)器 (VSD/VFD) 對(duì)于最大限度地提高工業(yè)作業(yè)效率和可持續(xù)性至關(guān)重要，但它們并不是唯一可用的工具。為了獲得最佳性能，VSD/VFD 通常需要輔以其他設(shè)備，如伺服驅(qū)動(dòng)器和電機(jī)、軟啟停裝置、直流 (DC) 轉(zhuǎn)換器和直流 (DC) 輸入不間斷電源 (UPS)，以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)。

交流和直流伺服電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器適用于各種應(yīng)用，從簡(jiǎn)單的 1 軸或 2 軸任務(wù)到 256 軸或更多軸運(yùn)動(dòng)的復(fù)雜任務(wù)。伺服電機(jī)控制的執(zhí)行器可為工業(yè)機(jī)器提供精確和可重復(fù)的運(yùn)動(dòng)，并提供旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動(dòng)配置。

輸送機(jī)、泵和橋式起重機(jī)等恒速應(yīng)用通常更適合使用軟啟停裝置而非 VSD/VFD。

根據(jù)應(yīng)用要求，設(shè)計(jì)人員可選擇冗余直流電源、美國(guó)國(guó)家電氣規(guī)范 (NEC) 規(guī)定的 2 類(lèi)電源或直流 UPS，來(lái)承擔(dān)不可預(yù)測(cè)的主電源角色并提高系統(tǒng)可靠性。

本文首先介紹 VSD/VFD 與伺服驅(qū)動(dòng)器之間的區(qū)別，回顧交流和直流旋轉(zhuǎn)和直線伺服電機(jī)的用途，探討軟啟停裝置在工業(yè)作業(yè)中的應(yīng)用，然后繼續(xù)回顧直流轉(zhuǎn)換器如何為傳感器、人機(jī)接口 (HMI) 和安全設(shè)備等外圍設(shè)備供電。最后研究何時(shí)使用冗余直流架構(gòu)或直流 UPS 為這些設(shè)備供電，以及電池和超級(jí)電容器儲(chǔ)能之間的選擇。同時(shí)會(huì)介紹幾個(gè)來(lái)自 [Schneider Electric]、[Omron]、[Lin Engineering]和 [Siemens] 的代表性器件。

在工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)中，伺服電機(jī)系統(tǒng)可作為 VSD/VFD 的補(bǔ)充。伺服電機(jī)系統(tǒng)專(zhuān)為復(fù)雜的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)而設(shè)計(jì)，可支持精確定位。伺服驅(qū)動(dòng)器與永磁電機(jī)和編碼器一起用于閉環(huán)控制。它們旨在用于支持快速加速和減速，并可支持線性或非線性運(yùn)動(dòng)曲線。

許多 VSD/VFD 使用開(kāi)環(huán)控制來(lái)管理電機(jī)速度。它們無(wú)法達(dá)到伺服電機(jī)系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。此外，開(kāi)環(huán)電機(jī)控制意味著，如果負(fù)載發(fā)生變化或電機(jī)停轉(zhuǎn)， VSD/VFD 不一定會(huì)進(jìn)行補(bǔ)償。伺服電機(jī)系統(tǒng)用于高動(dòng)態(tài)應(yīng)用，而 VSD/VFD 則用于長(zhǎng)期保持恒速或相對(duì)較少速度變化的應(yīng)用。

伺服電機(jī)系統(tǒng)往往比 VSD/VFD 驅(qū)動(dòng)器小，典型功率水平為 40 至 5,000 W。它們具有高速度（高達(dá)每分鐘 5000 轉(zhuǎn)）、低噪音、低振動(dòng)和高扭矩的特點(diǎn)。伺服電機(jī)的框架尺寸多種多樣，最大可達(dá) 180 mm 或更大。例如，Lin Engineering 的 [SBL40D1-04] 是一款 40 mm、60 W 的無(wú)刷直流 (BLDC) 伺服電機(jī)，額定電壓為 36 V DC 。

伺服電機(jī)通常與驅(qū)動(dòng)器配套使用。Schneider Electric 提供 [LXM28AU07M3X]驅(qū)動(dòng)器和 [BCH2LF0733CA5C] 5,000 rpm 伺服電機(jī)（圖 1），額定功率均為 750 W。該驅(qū)動(dòng)器集成了 CANopen 和 CANmotion 通信接口，可使用單相或三相電源運(yùn)行。配套的 80 mm 電機(jī)防護(hù)等級(jí)為 IP65，工作溫度范圍為 -20°C 至 +40°C。

圖 1：配套的 750 W 伺服驅(qū)動(dòng)器和 IP65 級(jí)電機(jī)。（圖片來(lái)源：Schneider Electric）

直線和笛卡兒運(yùn)動(dòng)

直線運(yùn)動(dòng)可用于各種工業(yè)流程，從涂層材料、3D 打印到檢測(cè)系統(tǒng)，并有多種實(shí)現(xiàn)方式。有些設(shè)計(jì)基于旋轉(zhuǎn)步進(jìn)電機(jī)，其他設(shè)計(jì)則使用直線電機(jī)。旋轉(zhuǎn)式步進(jìn)電機(jī)利用螺紋軸產(chǎn)生線性運(yùn)動(dòng)。有兩種基本設(shè)計(jì)，即外螺母和內(nèi)螺母，有時(shí)也稱(chēng)為非適應(yīng)性設(shè)計(jì)。

螺母安裝在外螺紋線性推桿的螺紋軸上。軸兩端固定。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)旋轉(zhuǎn)時(shí)，螺母沿著軸來(lái)回移動(dòng)，承載著要移動(dòng)的物體（有效載荷）。在非自適應(yīng)設(shè)計(jì)中，有效載荷與電機(jī)相連。軸兩端固定，攜帶有效載荷的電機(jī)沿軸移動(dòng)。

直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)采用高效鐵芯直線電機(jī)、磁軌和絕對(duì)編碼器技術(shù)，可提供可重復(fù)的亞微米精度和 5G 加速度，在高速工業(yè)應(yīng)用中的運(yùn)動(dòng)速度可達(dá) 5 m/s。與螺紋軸設(shè)計(jì)不同，直線電機(jī)可以提供更高的定位精度和更快的運(yùn)動(dòng)速度。

直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的機(jī)械零件可封裝在高度封閉的結(jié)構(gòu)中，以保護(hù)環(huán)境。Omron 提供基于鐵芯電機(jī)的直線運(yùn)動(dòng)平臺(tái)，其有效磁體寬度從 3 線圈的 30 mm 到 15 線圈 110 mm 不等。其額定驅(qū)動(dòng)力從 48 牛頓 (N) 到 760 N 不等。

[R88L-EA-AF-0303-0686] 線性執(zhí)行器電機(jī)有 230 V 和 400 V 兩種型號(hào)。其額定驅(qū)動(dòng)力為 48 N，峰值為 105 N。它可以用 [R88D-KN02H-ECT] 伺服驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)，該驅(qū)動(dòng)器包含 EtherCAT 通信功能，可集成到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。兩個(gè)線性運(yùn)動(dòng)平臺(tái)可以疊加在一起，實(shí)現(xiàn)笛卡爾坐標(biāo)系中的運(yùn)動(dòng)（圖 2）。

圖 2：兩個(gè)直線電機(jī)平臺(tái)可以疊加，以支持笛卡爾坐標(biāo)運(yùn)動(dòng)。（圖片來(lái)源：Omron）

軟啟停裝置

VFD/VSD 和伺服驅(qū)動(dòng)器可在運(yùn)行時(shí)控制電機(jī)的速度和扭矩，而軟啟停裝置則可在電機(jī)啟動(dòng)時(shí)限制涌流，以保護(hù)電機(jī)并提供平穩(wěn)的速度和扭矩斜坡。當(dāng)電機(jī)停止時(shí)，它們能提供平穩(wěn)的降速。在啟動(dòng)或停止時(shí)，它們還能保護(hù)系統(tǒng)中的機(jī)械零件免受尖峰扭矩的損害。

電機(jī)軟啟停裝置適合輸送機(jī)、泵、風(fēng)扇、橋式起重機(jī)和自動(dòng)門(mén)等不需要高啟動(dòng)扭矩和恒速運(yùn)行的應(yīng)用。可控和可預(yù)測(cè)的速度變化還能提高操作員的安全性。

電機(jī)的啟動(dòng)和停止速度由固態(tài)裝置（如可控硅整流器）控制，這些裝置可控制電機(jī)的電壓和電流。一旦電機(jī)完全啟動(dòng)，可控硅就會(huì)通過(guò)接觸器旁路，以提高運(yùn)行效率。

像 Schneider Electric 的 [Alistart 22]系列這樣的軟啟停裝置可處理 4 kW 至 400 kW 的三相異步電機(jī)。它們包括 10 類(lèi)電機(jī)過(guò)載和過(guò)熱保護(hù)，提供 8 至 10 秒的快速跳斷時(shí)間。軟啟停裝置的額定功率通常取決于電機(jī)的工作電壓。例如，Schneider Electric 的 [ATS22D17S6U]裝置可處理額定功率為 3 馬力（208 V）、5 馬力（230 V）、10 馬力（460 V）和 15 馬力（575 V）的電機(jī)（圖 3）。其控制電路需要 110 VAC 50/60 Hz 電源。

圖 3：這種軟啟停裝置可處理最大 15 馬力的電機(jī)。（圖片來(lái)源：DigiKey）

冗余電源

工業(yè)系統(tǒng)使用 24 VDC 電源來(lái)驅(qū)動(dòng)像傳感器、人機(jī)接口和安全設(shè)備這樣的功能?；救哂嚯娫纯商岣吖I(yè)設(shè)備的可靠性。冗余電源使用兩個(gè)并聯(lián)的電源為負(fù)載供電，當(dāng)其中一個(gè)電源出現(xiàn)故障時(shí)，另一個(gè)電源也足以為整個(gè)負(fù)載供電。使用兩個(gè)電源時(shí)，稱(chēng)為 1+1 冗余。必須兩個(gè)電源都發(fā)生故障，系統(tǒng)電源才會(huì)出故障。

在 N+1 配置中使用更多電源可提高整個(gè)供電系統(tǒng)的可靠性。3+1 冗余電源架構(gòu)使用四個(gè)電源，其中任何三個(gè)都可以為整個(gè)負(fù)載供電。

冗余模塊通常使用二極管隔離來(lái)連接電源，以確保任何一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)都不會(huì)影響其他電源的運(yùn)行。對(duì)于需要更高可靠性的應(yīng)用，可采用多個(gè)冗余模塊來(lái)消除單點(diǎn)故障的可能性（圖 4）。例如，Omron 的 [S8VK-C12024] AC/DC 電源可支持最高 120 W 的 24 V 負(fù)載。使用 [S8VK-R10]冗余模塊可連接其中兩個(gè)電源，從而建立一個(gè) 120 W 的 1+1 冗余電源系統(tǒng)。

圖 4：使用多個(gè)冗余模塊（右）可以消除單點(diǎn)故障，提高可靠性。（圖片來(lái)源：Siemens）

2 類(lèi)電源和冗余電源

使用 2 類(lèi)電源是工業(yè)設(shè)備的一個(gè)重要安全保障。根據(jù)美國(guó) NEC 的規(guī)定，2 類(lèi)電源的輸出限制在 100 VA 以下。美國(guó)以外的一些工業(yè)設(shè)備也需要或建議使用 2 類(lèi)電源。

限制功率可降低電擊和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。因此，2 類(lèi)電源安裝不需要通過(guò)導(dǎo)管或管道鋪設(shè)電力電纜，從而簡(jiǎn)化了安裝并降低了成本。此外，2 類(lèi)電源安裝所需的檢查更為簡(jiǎn)單，從而進(jìn)一步降低了成本。

有兩種方法可以獲得 2 類(lèi)電源評(píng)級(jí)。將電源內(nèi)部將輸出功率限制在 100 VA 以下，或者，使用諸如 Siemens 的 480 W（24 VDC 和 20 A）[6EP15663AA00]之類(lèi)高瓦數(shù)電源，同時(shí)配合使用 Siemens 的 [6EP19622BA00]冗余模塊，后者可限制輸出功率并為多個(gè)負(fù)載提供冗余（圖 5）。

圖 5：1+1 冗余電源（左）通過(guò) 2 類(lèi)冗余模塊連接到四個(gè)負(fù)載。（圖片來(lái)源：Siemens）

不間斷電源

冗余電源可能有用，但對(duì)于關(guān)鍵應(yīng)用來(lái)說(shuō)還不夠。如果必須進(jìn)行可追溯性和數(shù)據(jù)收集，需要確保安全，或要求不間斷運(yùn)行，則需要像 Siemens [6EP41363AB002AY0]SITOP UPS 這樣的不間斷電源。該 UPS 提供 24 VDC 輸出，電流最高可達(dá) 20 A。

選擇 UPS 時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題是儲(chǔ)能技術(shù)。超級(jí)電容器又稱(chēng)雙層電容器，適用于短時(shí)間備用電源需求，如保存過(guò)程數(shù)據(jù)以及有序關(guān)閉工業(yè) PC 和其他設(shè)備。它們使用壽命長(zhǎng)，可提供高達(dá) 20 千瓦秒 (kWs) 的備用電力。例如，Siemens 的 [6EP19332EC41] 電容器儲(chǔ)能裝置則可提供最高 2.5 kWs 的備用電力。

鉛酸和各種鋰離子化學(xué)物質(zhì)可以滿(mǎn)足更長(zhǎng)時(shí)間的備用電源需求，關(guān)鍵通信或過(guò)程操作需要長(zhǎng)達(dá)數(shù)小時(shí)的備用電源（圖 6）。基本直流 UPS 電池模塊的存儲(chǔ)容量最高可達(dá) 38 Ah?？墒褂枚鄠€(gè)電池模塊，提供數(shù)小時(shí)的備用時(shí)間。Siemens 的 [6EP19356MD31] DC UPS 電池模塊使用免維護(hù)密封鉛酸蓄電池，最高可提供 15 A 電流，存儲(chǔ)容量為 2.5 Ah。

圖 6：超級(jí)電容器（UPS5005 和 UPS501S）可提供短時(shí)間備用電源（左圖），而電池（UPS16090 和 BAT1600）可支持更長(zhǎng)時(shí)間的備用電源運(yùn)行（右圖）。（圖片來(lái)源：Siemens）

結(jié)語(yǔ)

VSD/VFD 通常被視為工業(yè)自動(dòng)化的主力。然而，全面的工業(yè)自動(dòng)化架構(gòu)需要更多，包括伺服驅(qū)動(dòng)器、電機(jī)和軟啟停裝置。在優(yōu)化正常運(yùn)行時(shí)間和可靠性方面，工業(yè)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員也有多種直流電源架構(gòu)可供選擇。

審核編輯 黃宇