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應考慮的因素。第 2 部分繼續探討 VSD/VFD 與伺服驅動器之間的區別，回顧交流和直流旋轉和直線伺服電機的用途，研究軟啟停裝置在工業作業中的應用，以及直流轉換器如何用于為傳感器、人機接口 (HMI) 和安全設備等外圍設備供電。

變速驅動器和變頻驅動器 (VSD/VFD) 對于最大限度地提高工業作業效率和可持續性至關重要，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備，如伺服驅動器和電機、軟啟停裝置、直流 (DC) 轉換器和直流 (DC) 輸入不間斷電源 (UPS)，以實現最優工業自動化架構。

交流和直流伺服電機和驅動器適用于各種應用，從簡單的 1 軸或 2 軸任務到 256 軸或更多軸運動的復雜任務。伺服電機控制的執行器可為工業機器提供精確和可重復的運動，并提供旋轉和線性運動配置。

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

根據應用要求，設計人員可選擇冗余直流電源、美國國家電氣規范 (NEC) 規定的 2 類電源或直流 UPS，來承擔不可預測的主電源角色并提高系統可靠性。

本文首先介紹 VSD/VFD 與伺服驅動器之間的區別，回顧交流和直流旋轉和直線伺服電機的用途，探討軟啟停裝置在工業作業中的應用，然后繼續回顧直流轉換器如何為傳感器、人機接口 (HMI) 和安全設備等外圍設備供電。最后研究何時使用冗余直流架構或直流 UPS 為這些設備供電，以及電池和超級電容器儲能之間的選擇。同時會介紹幾個來自 [Schneider Electric]、[Omron]、[Lin Engineering]和 [Siemens] 的代表性器件。

在工業自動化架構中，伺服電機系統可作為 VSD/VFD 的補充。伺服電機系統專為復雜的動態運動系統而設計，可支持精確定位。伺服驅動器與永磁電機和編碼器一起用于閉環控制。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動曲線。

許多 VSD/VFD 使用開環控制來管理電機速度。它們無法達到伺服電機系統的精度和響應速度。此外，開環電機控制意味著，如果負載發生變化或電機停轉， VSD/VFD 不一定會進行補償。伺服電機系統用于高動態應用，而 VSD/VFD 則用于長期保持恒速或相對較少速度變化的應用。

伺服電機系統往往比 VSD/VFD 驅動器小，典型功率水平為 40 至 5,000 W。它們具有高速度（高達每分鐘 5000 轉）、低噪音、低振動和高扭矩的特點。伺服電機的框架尺寸多種多樣，最大可達 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，額定電壓為 36 V DC 。

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

圖 1：配套的 750 W 伺服驅動器和 IP65 級電機。（圖片來源：Schneider Electric）

直線和笛卡兒運動

直線運動可用于各種工業流程，從涂層材料、3D 打印到檢測系統，并有多種實現方式。有些設計基于旋轉步進電機，其他設計則使用直線電機。旋轉式步進電機利用螺紋軸產生線性運動。有兩種基本設計，即外螺母和內螺母，有時也稱為非適應性設計。

螺母安裝在外螺紋線性推桿的螺紋軸上。軸兩端固定。當步進電機旋轉時，螺母沿著軸來回移動，承載著要移動的物體（有效載荷）。在非自適應設計中，有效載荷與電機相連。軸兩端固定，攜帶有效載荷的電機沿軸移動。

直線運動平臺采用高效鐵芯直線電機、磁軌和絕對編碼器技術，可提供可重復的亞微米精度和 5G 加速度，在高速工業應用中的運動速度可達 5 m/s。與螺紋軸設計不同，直線電機可以提供更高的定位精度和更快的運動速度。

直線運動平臺的機械零件可封裝在高度封閉的結構中，以保護環境。Omron 提供基于鐵芯電機的直線運動平臺，其有效磁體寬度從 3 線圈的 30 mm 到 15 線圈 110 mm 不等。其額定驅動力從 48 牛頓 (N) 到 760 N 不等。

[R88L-EA-AF-0303-0686] 線性執行器電機有 230 V 和 400 V 兩種型號。其額定驅動力為 48 N，峰值為 105 N。它可以用 [R88D-KN02H-ECT] 伺服驅動器驅動，該驅動器包含 EtherCAT 通信功能，可集成到工業網絡中。兩個線性運動平臺可以疊加在一起，實現笛卡爾坐標系中的運動（圖 2）。

圖 2：兩個直線電機平臺可以疊加，以支持笛卡爾坐標運動。（圖片來源：Omron）

軟啟停裝置

VFD/VSD 和伺服驅動器可在運行時控制電機的速度和扭矩，而軟啟停裝置則可在電機啟動時限制涌流，以保護電機并提供平穩的速度和扭矩斜坡。當電機停止時，它們能提供平穩的降速。在啟動或停止時，它們還能保護系統中的機械零件免受尖峰扭矩的損害。

電機軟啟停裝置適合輸送機、泵、風扇、橋式起重機和自動門等不需要高啟動扭矩和恒速運行的應用。可控和可預測的速度變化還能提高操作員的安全性。

電機的啟動和停止速度由固態裝置（如可控硅整流器）控制，這些裝置可控制電機的電壓和電流。一旦電機完全啟動，可控硅就會通過接觸器旁路，以提高運行效率。

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。它們包括 10 類電機過載和過熱保護，提供 8 至 10 秒的快速跳斷時間。軟啟停裝置的額定功率通常取決于電機的工作電壓。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（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。（圖片來源：DigiKey）

冗余電源

工業系統使用 24 VDC 電源來驅動像傳感器、人機接口和安全設備這樣的功能。基本冗余電源可提高工業設備的可靠性。冗余電源使用兩個并聯的電源為負載供電，當其中一個電源出現故障時，另一個電源也足以為整個負載供電。使用兩個電源時，稱為 1+1 冗余。必須兩個電源都發生故障，系統電源才會出故障。

在 N+1 配置中使用更多電源可提高整個供電系統的可靠性。3+1 冗余電源架構使用四個電源，其中任何三個都可以為整個負載供電。

冗余模塊通常使用二極管隔離來連接電源，以確保任何一個電源發生故障時都不會影響其他電源的運行。對于需要更高可靠性的應用，可采用多個冗余模塊來消除單點故障的可能性（圖 4）。例如，Omron 的 [S8VK-C12024] AC/DC 電源可支持最高 120 W 的 24 V 負載。使用 [S8VK-R10]冗余模塊可連接其中兩個電源，從而建立一個 120 W 的 1+1 冗余電源系統。

圖 4：使用多個冗余模塊（右）可以消除單點故障，提高可靠性。（圖片來源：Siemens）

2 類電源和冗余電源

使用 2 類電源是工業設備的一個重要安全保障。根據美國 NEC 的規定，2 類電源的輸出限制在 100 VA 以下。美國以外的一些工業設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風險。因此，2 類電源安裝不需要通過導管或管道鋪設電力電纜，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]之類高瓦數電源，同時配合使用 Siemens 的 [6EP19622BA00]冗余模塊，后者可限制輸出功率并為多個負載提供冗余（圖 5）。

圖 5：1+1 冗余電源（左）通過 2 類冗余模塊連接到四個負載。（圖片來源：Siemens）

不間斷電源

冗余電源可能有用，但對于關鍵應用來說還不夠。如果必須進行可追溯性和數據收集，需要確保安全，或要求不間斷運行，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 20 A。

選擇 UPS 時的一個關鍵問題是儲能技術。超級電容器又稱雙層電容器，適用于短時間備用電源需求，如保存過程數據以及有序關閉工業 PC 和其他設備。它們使用壽命長，可提供高達 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物質可以滿足更長時間的備用電源需求，關鍵通信或過程操作需要長達數小時的備用電源（圖 6）。基本直流 UPS 電池模塊的存儲容量最高可達 38 Ah。可使用多個電池模塊，提供數小時的備用時間。Siemens 的 [6EP19356MD31] DC UPS 電池模塊使用免維護密封鉛酸蓄電池，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）可提供短時間備用電源（左圖），而電池（UPS16090 和 BAT1600）可支持更長時間的備用電源運行（右圖）。（圖片來源：Siemens）

結語

VSD/VFD 通常被視為工業自動化的主力。然而，全面的工業自動化架構需要更多，包括伺服驅動器、電機和軟啟停裝置。在優化正常運行時間和可靠性方面，工業自動化系統設計人員也有多種直流電源架構可供選擇。

審核編輯 黃宇