如何解決機(jī)器引起的電源問題

當(dāng)?shù)厥须婋娋W(wǎng)的波動(dòng)可能引起六種電能質(zhì)量問題，包括電壓浪涌、停電、頻率不穩(wěn)定和噪聲。這些波動(dòng)也可能源自每一個(gè)電動(dòng)自動(dòng)化設(shè)備的內(nèi)部，從而讓問題更加復(fù)雜化。幸運(yùn)的是，很多元器件可以解決這樣的電力一致性問題。這些電源和其他電源元器件可使機(jī)械發(fā)揮最佳性能，并防止機(jī)械對(duì)當(dāng)?shù)厥须婋娋W(wǎng)產(chǎn)生負(fù)面影響。

圖1：這款PULS CP系列單相電源安裝在工業(yè)自動(dòng)化中常見的DIN導(dǎo)軌上。特性包括瞬態(tài)和電涌的高抗擾性與低電磁輻射、DC-OK繼電器觸點(diǎn)、20%輸出功率儲(chǔ)備(本文稍后介紹)以及極小的涌流沖擊。此外，經(jīng)過特殊涂層處理的電源還可以執(zhí)行有功功率因數(shù)校正或PFC功能。(圖片來源：EE World)

設(shè)備內(nèi)部產(chǎn)生的電能質(zhì)量問題主要有兩類：噪聲和諧波干擾。

電源中的電噪聲是指高頻電壓變化。高頻是相對(duì)的，但總是表示頻率遠(yuǎn)高于系統(tǒng)交流頻率。從時(shí)域來看，交流電流應(yīng)表現(xiàn)為平滑的正弦波。噪聲使波形變得參差不齊。

在機(jī)械的供電系統(tǒng)中總是會(huì)有一定的噪聲，這由導(dǎo)線的電阻引起。此類噪聲稱為熱噪聲，通常是可忽略不計(jì)的干擾。更明顯且潛在有害的噪聲是由局部負(fù)載(如焊機(jī)和電動(dòng)機(jī))引起。來自此類部件和系統(tǒng)的噪聲通常難以量化，并且最有可能導(dǎo)致受影響的設(shè)備子部件過熱、磨損，甚至失效。

電力諧波是頻率為系統(tǒng)交流頻率整數(shù)倍的電壓或電流干擾。這些干擾由整流器、計(jì)算機(jī)電源、日光燈和某些類型的變速電機(jī)等非線性負(fù)載引起。電流諧波往往大于電壓諧波，實(shí)際上往往驅(qū)動(dòng)后者。

圖2：諧波波形是某些基本波形的頻率整數(shù)倍，(在電力系統(tǒng)中)可與基本波形相結(jié)合并引起問題。諧波通常源自某些電力負(fù)載或機(jī)械連接件內(nèi)(圖片來源：Design World)。

這些電力諧波(由于它們引起發(fā)熱的方式)會(huì)顯著降低電機(jī)的效率并縮短其壽命。它們還可能導(dǎo)致電機(jī)機(jī)械輸出的振動(dòng)和轉(zhuǎn)矩脈動(dòng)，從而縮短集成在電機(jī)中的動(dòng)力傳輸子部件(特別是軸支撐軸承)的壽命。

關(guān)鍵電力系統(tǒng)參數(shù)

電源的兩個(gè)重要規(guī)格包括功率因數(shù)和保持時(shí)間。 功率因數(shù)是一個(gè)無量綱比值，用來描述交流系統(tǒng)中有功功率與視在功率之間的差異。視在功率是有功功率和無功功率的組合。無功功率是依次從網(wǎng)絡(luò)中提取、暫時(shí)儲(chǔ)存，然后在不消耗的情況下返回。這通常由感性或容性負(fù)載引起，會(huì)導(dǎo)致電流和電壓異相。無功功率會(huì)增加配電系統(tǒng)的負(fù)荷、降低電能質(zhì)量，并導(dǎo)致能源費(fèi)用增加。 理想情況下，系統(tǒng)的功率因數(shù)為1，意味著系統(tǒng)中沒有無功功率。功率因數(shù)低于0.95的設(shè)計(jì)會(huì)導(dǎo)致配電系統(tǒng)的負(fù)荷增加，并可能會(huì)發(fā)生無功電費(fèi)。

圖3：圖中所示為Traco Power的TML 100C系列85-100W交流轉(zhuǎn)直流電源模塊。有功功率因數(shù)校正 (PFC) 確保功率因數(shù)優(yōu)于0.95(對(duì)于230VAC)和0.99(對(duì)于115VAC)。(圖片來源：Traco Power)

保持時(shí)間是電源在斷電后可在其規(guī)定電壓范圍內(nèi)持續(xù)供電的時(shí)長(zhǎng)。請(qǐng)考慮一下不間斷電源 (UPS) 和發(fā)電機(jī)，這些是在停電和欠壓期間用于確保自動(dòng)化操作連續(xù)性的備用電源類型。正如本文最后一節(jié)所詳述，UPS必須在任何重要時(shí)間段內(nèi)供電。但根據(jù)UPS的設(shè)計(jì)，這些可能會(huì)在市電電力故障和UPS啟動(dòng)供電之間引入高達(dá)25毫秒的延遲。

電源保持時(shí)間可以讓電源彌補(bǔ)這一差距，主要是利用存儲(chǔ)在電容器中的電能。事實(shí)上，由于開關(guān)模式電源的電容電壓更高，因此其保持時(shí)間往往比線性電源更長(zhǎng)。

解決機(jī)器引起的電源問題

接地、隔離和濾波電源轉(zhuǎn)換器是高質(zhì)量電源的基礎(chǔ)。

接地

正確接地對(duì)于電源正常工作必不可少。它提供基準(zhǔn)電壓(由該電壓測(cè)量所有其他電壓)以及電流的返回路徑。

隔離

雖然非隔離電源的能效和緊湊性程度更高，但在輸入和輸出電壓之間進(jìn)行隔離，則可防止部件發(fā)生故障時(shí)危險(xiǎn)電壓傳遞到輸出。為了保護(hù)操作人員免受危險(xiǎn)電壓傷害，或保護(hù)設(shè)備免受瞬變和驟升的影響，也可能需要隔離。

隔離的形式包括：

部件之間的物理隔離

電感耦合，通過變壓器(改變電源系統(tǒng)電壓的電源轉(zhuǎn)換器)

光耦合，最適合電源系統(tǒng)不同部分之間的信號(hào)傳輸，同時(shí)確保極高的隔離水平

圖4：電源經(jīng)常用作電源轉(zhuǎn)換器，用于1) 改變交流電源的電壓或頻率，或2) 整流或以其他方式將交流轉(zhuǎn)換為直流。例如：這款來自Vicor Corp.的48-V 400-W交流轉(zhuǎn)直流脈沖頻率調(diào)制 (PFM) 轉(zhuǎn)換器集成了濾波和瞬態(tài)浪涌保護(hù)。提醒一下：Vicor集成適配器 (VIA) 轉(zhuǎn)換器僅接受經(jīng)外部整流的正弦交流電源輸入，功率因數(shù)由該模塊維持。諧波符合IEC61000-3-2標(biāo)準(zhǔn)，內(nèi)部濾波可滿足適用的浪涌和EMI要求。(圖片來源：Vicor Corp.)

電濾波器和浪涌抑制

浪涌抑制可消除瞬變和驟升，保護(hù)電氣設(shè)備免受這些過壓條件的影響。相比之下，電濾波器能平滑系統(tǒng)電壓以去除噪聲和諧波?；蛘呖紤]另一種在靠近使用點(diǎn)的自動(dòng)化裝置中特別常見的電濾波器類型(LC濾波器)，來補(bǔ)充電機(jī)驅(qū)動(dòng)器。LC濾波器是一種振蕩電路或諧振電路(也稱為調(diào)諧電路)，使用電感器L和電容器C來產(chǎn)生設(shè)定頻率的輸出。電機(jī)用LC濾波器的作用通常是將驅(qū)動(dòng)器的矩形PWM輸出電壓轉(zhuǎn)換為低殘余紋波的平滑正弦波。其優(yōu)點(diǎn)包括通過避免高dv/dt、過壓、過熱和渦電流損耗來延長(zhǎng)電機(jī)壽命。

圖5：這是Schaffner EMC Inc.的LC正弦波濾波器，用于幫助電機(jī)驅(qū)動(dòng)器將平滑的正弦波傳送到所連接的電機(jī)繞組，而不產(chǎn)生電壓峰值。該濾波器還允許安裝較長(zhǎng)的電機(jī)電纜。(圖片來源：Schaffner EMC Inc.)

浪涌保護(hù)器的工作原理是對(duì)電流進(jìn)行阻斷或短路，或組合浪涌阻斷和短路措施。

阻斷浪涌保護(hù)

電流可以采用電感器進(jìn)行阻斷，電感器可抑制電流的突然變化。但是，大多數(shù)浪涌保護(hù)器會(huì)在發(fā)生過壓時(shí)產(chǎn)生短路，從而將電流引回配電線路中，并在那里由電路導(dǎo)線中的電阻進(jìn)行耗散。

短路浪涌保護(hù)

快速短路(當(dāng)電壓超過設(shè)定水平時(shí)觸發(fā))是用火花隙、放電管或半導(dǎo)體器件來實(shí)現(xiàn)。只有在極少情況下(大浪涌或非常長(zhǎng)的浪涌期間)，浪涌會(huì)熔化浪涌保護(hù)器的電源線或內(nèi)部元器件。電容器也可以抑制電壓的突然變化。 浪涌保護(hù)器的主要規(guī)格包括箝位電壓、響應(yīng)時(shí)間和額定能量。箝位電壓又稱為允通電壓，是允許通過浪涌保護(hù)器的最大電壓。120V器件的典型箝位電壓為220V。額定能量(通常以焦耳為單位)是浪涌保護(hù)器內(nèi)的元器件在燒毀失效前所能吸收的最大功率。

對(duì)于浪涌保護(hù)器而言，一個(gè)經(jīng)常被忽視的重要規(guī)格是當(dāng)浪涌保護(hù)器發(fā)生故障時(shí)會(huì)發(fā)生什么。如果浪涌超過保護(hù)器的額定能量，并且內(nèi)部子部件發(fā)生故障，該保護(hù)器將不能再提供浪涌保護(hù)。但這并不意味著斷電：一些浪涌保護(hù)器在發(fā)生故障后會(huì)繼續(xù)供電，比如一些設(shè)計(jì)用來保護(hù)服務(wù)器或其他電子存儲(chǔ)器的浪涌保護(hù)器。若不能再提供浪涌保護(hù)，唯一指示可能是警示燈。其他浪涌保護(hù)器確實(shí)會(huì)在失效時(shí)切斷電源或減少電力傳輸。

關(guān)鍵應(yīng)用中UPS輔助發(fā)電機(jī)

UPS和發(fā)電機(jī)可提供備用電源，確保在停電和欠壓期間操作的連續(xù)性。UPS使用電池，通常設(shè)計(jì)為提供幾分鐘到幾小時(shí)的電力。發(fā)電機(jī)使用發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)時(shí)間發(fā)電，直至燃料用盡。 UPS能即時(shí)對(duì)停電進(jìn)行響應(yīng)，確保供電不中斷。而發(fā)電機(jī)的啟動(dòng)時(shí)間至少為幾秒鐘。對(duì)于需要連續(xù)供電的應(yīng)用，必須將UPS與發(fā)電機(jī)相結(jié)合，以便在發(fā)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)能實(shí)現(xiàn)供電。

圖6：該24 VDC 5A不間斷電源 (UPS) 安裝在DIN導(dǎo)軌上，滿載時(shí)可提供長(zhǎng)達(dá)25分鐘的備用電源。(圖片來源：Phoenix Contact)

UPS保護(hù)設(shè)備不受斷電影響。離線或電壓和頻率依賴型UPS性價(jià)比最高，但有兩大不足：

在正常情況下，離線UPS將電流直接經(jīng)過蓄電池傳遞到輸出。當(dāng)UPS電路檢測(cè)到斷電時(shí)，開關(guān)通過逆變器將電池連接到輸出。這意味著電源可能中斷多達(dá)25毫秒。

此外，離線UPS也很少或根本不能對(duì)其他電能質(zhì)量問題(如浪涌和噪聲)提供保護(hù)。

相比之下，線路互動(dòng)式或電壓獨(dú)立 (VI) UPS的工作原理與電壓和頻率依賴型UPS基本相同，但前者額外配有穩(wěn)壓器，可在正常操作下提高電源輸出質(zhì)量。此類系統(tǒng)仍有一段斷電切換時(shí)間，但通常只有5毫秒左右，與大多數(shù)電源的保持時(shí)間相當(dāng)。

在線UPS又稱電壓和頻率獨(dú)立型UPS，使電源的復(fù)雜程度進(jìn)一步提高，以提供最大的保護(hù)。在UPS中，負(fù)載不直接連接到市電電源，而總是從系統(tǒng)電池汲取電力，電池則由市電電源持續(xù)充電。市電交流電源轉(zhuǎn)換為電池電壓并整流為直流，從而可以為電池充電。然后，來自電池的電力經(jīng)過逆變以產(chǎn)生交流電，并由另一個(gè)變壓器升壓到市電電壓。這意味著電源中的電能質(zhì)量問題不會(huì)影響輸出，并且提供非常高的電能質(zhì)量和保護(hù)水平。但是，這也導(dǎo)致能源效率大幅降低，且前期的UPS成本更高。

除了最敏感和最關(guān)鍵的負(fù)載外，離線UPS結(jié)合具有足夠保持時(shí)間的電源是更好的選擇。

總結(jié)

在確定設(shè)計(jì)對(duì)電能質(zhì)量的要求時(shí)，第一步是防止低品質(zhì)市電、電噪聲和諧波造成的停機(jī)和維護(hù)成本。根據(jù)機(jī)器的設(shè)計(jì)和功能，這些要求有很大的不同。但是，一旦定義了這些參數(shù)，設(shè)計(jì)工程師就可以正確指定具有濾波、浪涌抑制、備用電源和電源調(diào)節(jié)功能的電源。這樣可以極大地提高自動(dòng)化設(shè)備的可靠性。

原文標(biāo)題：自動(dòng)化系統(tǒng)如何獲得高質(zhì)量的電能?答案內(nèi)詳

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審核編輯：湯梓紅