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)動器和變頻驅(qū)動器 (VSD/VFD) 對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)自動化架構(gòu)。
交流和直流伺服電機(jī)和驅(qū)動器適用于各種應(yīng)用,從簡單的 1 軸或 2 軸任務(wù)到 256 軸或更多軸運(yùn)動的復(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,并提供旋轉(zhuǎn)和線性運(yùn)動配置。
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、美國國家電氣規(guī)范 (NEC) 規(guī)定的 2 類電源或直流 UPS,來承擔(dān)不可預(yù)測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,以及電池和超級電容器儲能之間的選擇。同時(shí)會介紹幾個(gè)來自 [Schneider Electric]、[Omron]、[Lin Engineering]和 [Siemens] 的代表性器件。
在工業(yè)自動化架構(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)專為復(fù)雜的動態(tài)運(yùn)動系統(tǒng)而設(shè)計(jì),可支持精確定位。伺服驅(qū)動器與永磁電機(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)動曲線。
許多 VSD/VFD 使用開環(huán)控制來管理電機(jī)速度。它們無法達(dá)到伺服電機(jī)系統(tǒng)的精度和響應(yīng)速度。此外,開環(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 不一定會進(jìn)行補(bǔ)償。伺服電機(jī)系統(tǒng)用于高動態(tài)應(yīng)用,而 VSD/VFD 則用于長期保持恒速或相對較少速度變化的應(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)動器配套使用。Schneider Electric 提供 [LXM28AU07M3X]驅(qū)動器和 [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)動器和 IP65 級電機(jī)。(圖片來源:Schneider Electric)
直線和笛卡兒運(yùn)動
直線運(yùn)動可用于各種工業(yè)流程,從涂層材料、3D 打印到檢測系統(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。有兩種基本設(shè)計(jì),即外螺母和內(nèi)螺母,有時(shí)也稱為非適應(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),螺母沿著軸來回移動,承載著要移動的物體(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。
直線運(yùn)動平臺采用高效鐵芯直線電機(jī)、磁軌和絕對編碼器技術(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)動速度。
直線運(yùn)動平臺的機(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)動平臺,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。其額定驅(qū)動力為 48 N,峰值為 105 N。它可以用 [R88D-KN02H-ECT] 伺服驅(qū)動器驅(qū)動,該驅(qū)動器包含 EtherCAT 通信功能,可集成到工業(yè)網(wǎng)絡(luò)中。兩個(gè)線性運(yùn)動平臺可以疊加在一起,實(shí)現(xiàn)笛卡爾坐標(biāo)系中的運(yùn)動(圖 2)。
圖 2:兩個(gè)直線電機(jī)平臺可以疊加,以支持笛卡爾坐標(biāo)運(yùn)動。(圖片來源:Omron)
軟啟停裝置
VFD/VSD 和伺服驅(qū)動器可在運(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)和自動門等不需要高啟動扭矩和恒速運(yùn)行的應(yīng)用。可控和可預(yù)測的速度變化還能提高操作員的安全性。
電機(jī)的啟動和停止速度由固態(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,可控硅就會通過接觸器旁路,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 類電機(jī)過載和過熱保護(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)。(圖片來源:DigiKey)
冗余電源
工業(yè)系統(tǒng)使用 24 VDC 電源來驅(qū)動像傳感器、人機(jī)接口和安全設(shè)備這樣的功能。基本冗余電源可提高工業(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連接電源,以確保任何一個(gè)電源發(fā)生故障時(shí)都不會影響其他電源的運(yùn)行。對于需要更高可靠性的應(yīng)用,可采用多個(gè)冗余模塊來消除單點(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。(圖片來源:Siemens)
2 類電源和冗余電源
使用 2 類電源是工業(yè)設(shè)備的一個(gè)重要安全保障。根據(jù)美國 NEC 的規(guī)定,2 類電源的輸出限制在 100 VA 以下。美國以外的一些工業(yè)設(shè)備也需要或建議使用 2 類電源。
限制功率可降低電擊和火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)。因此,2 類電源安裝不需要通過導(dǎo)管或管道鋪設(shè)電力電纜,從而簡化了安裝并降低了成本。此外,2 類電源安裝所需的檢查更為簡單,從而進(jìn)一步降低了成本。
有兩種方法可以獲得 2 類電源評級。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 2 類冗余模塊連接到四個(gè)負(fù)載。(圖片來源:Siemens)
不間斷電源
冗余電源可能有用,但對于關(guān)鍵應(yīng)用來說還不夠。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)鍵問題是儲能技術(shù)。超級電容器又稱雙層電容器,適用于短時(shí)間備用電源需求,如保存過程數(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,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)可以滿足更長時(shí)間的備用電源需求,關(guān)鍵通信或過程操作需要長達(dá)數(shù)小時(shí)的備用電源(圖 6)?;局绷?UPS 電池模塊的存儲容量最高可達(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,存儲容量為 2.5 Ah。
圖 6:超級電容器(UPS5005 和 UPS501S)可提供短時(shí)間備用電源(左圖),而電池(UPS16090 和 BAT1600)可支持更長時(shí)間的備用電源運(yùn)行(右圖)。(圖片來源:Siemens)
結(jié)語
VSD/VFD 通常被視為工業(yè)自動化的主力。然而,全面的工業(yè)自動化架構(gòu)需要更多,包括伺服驅(qū)動器、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
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