需要哪些支持产品才能最大限度地发挥 VFD 和 VSD 的作用？- 第 2 部分

作者：Jeff Shepard

投稿人：DigiKey 北美编辑

2024-08-09

本系列文章的[第 1 部分]介绍了在选择电机连接电缆、输出电抗器、制动电阻器、线路电抗器和线路滤波器时应考虑的因素。第 2 部分继续探讨 VSD/VFD 与伺服驱动器之间的区别，回顾交流和直流旋转和直线伺服电机的用途，研究软启停装置在工业作业中的应用，以及直流转换器如何用于为传感器、人机接口 (HMI) 和安全设备等外围设备供电。

变速驱动器和变频驱动器 (VSD/VFD) 对于最大限度地提高工业作业效率和可持续性至关重要，但它们并不是唯一可用的工具。为了获得最佳性能，VSD/VFD 通常需要辅以其他设备，如伺服驱动器和电机、软启停装置、直流 (DC) 转换器和直流 (DC) 输入不间断电源 (UPS)，以实现最优工业自动化架构。

交流和直流伺服电机和驱动器适用于各种应用，从简单的 1 轴或 2 轴任务到 256 轴或更多轴运动的复杂任务。伺服电机控制的执行器可为工业机器提供精确和可重复的运动，并提供旋转和线性运动配置。

输送机、泵和桥式起重机等恒速应用通常更适合使用软启停装置而非 VSD/VFD。

根据应用要求，设计人员可选择冗余直流电源、美国国家电气规范 (NEC) 规定的 2 类电源或直流 UPS，来承担不可预测的主电源角色并提高系统可靠性。

本文首先介绍 VSD/VFD 与伺服驱动器之间的区别，回顾交流和直流旋转和直线伺服电机的用途，探讨软启停装置在工业作业中的应用，然后继续回顾直流转换器如何为传感器、人机接口 (HMI) 和安全设备等外围设备供电。最后研究何时使用冗余直流架构或直流 UPS 为这些设备供电，以及电池和超级电容器储能之间的选择。同时会介绍几个来自 [Schneider Electric]、[Omron]、[Lin Engineering]和 [Siemens] 的代表性器件。

在工业自动化架构中，伺服电机系统可作为 VSD/VFD 的补充。伺服电机系统专为复杂的动态运动系统而设计，可支持精确定位。伺服驱动器与永磁电机和编码器一起用于闭环控制。它们旨在用于支持快速加速和减速，并可支持线性或非线性运动曲线。

许多 VSD/VFD 使用开环控制来管理电机速度。它们无法达到伺服电机系统的精度和响应速度。此外，开环电机控制意味着，如果负载发生变化或电机停转， VSD/VFD 不一定会进行补偿。伺服电机系统用于高动态应用，而 VSD/VFD 则用于长期保持恒速或相对较少速度变化的应用。

伺服电机系统往往比 VSD/VFD 驱动器小，典型功率水平为 40 至 5,000 W。它们具有高速度（高达每分钟 5000 转）、低噪音、低振动和高扭矩的特点。伺服电机的框架尺寸多种多样，最大可达 180 mm 或更大。例如，Lin Engineering 的 [SBL40D1-04] 是一款 40 mm、60 W 的无刷直流 (BLDC) 伺服电机，额定电压为 36 V DC 。

伺服电机通常与驱动器配套使用。Schneider Electric 提供 [LXM28AU07M3X]驱动器和 [BCH2LF0733CA5C] 5,000 rpm 伺服电机（图 1），额定功率均为 750 W。该驱动器集成了 CANopen 和 CANmotion 通信接口，可使用单相或三相电源运行。配套的 80 mm 电机防护等级为 IP65，工作温度范围为 -20°C 至 +40°C。

图 1：配套的 750 W 伺服驱动器和 IP65 级电机。（图片来源：Schneider Electric）

直线和笛卡儿运动

直线运动可用于各种工业流程，从涂层材料、3D 打印到检测系统，并有多种实现方式。有些设计基于旋转步进电机，其他设计则使用直线电机。旋转式步进电机利用螺纹轴产生线性运动。有两种基本设计，即外螺母和内螺母，有时也称为非适应性设计。

螺母安装在外螺纹线性推杆的螺纹轴上。轴两端固定。当步进电机旋转时，螺母沿着轴来回移动，承载着要移动的物体（有效载荷）。在非自适应设计中，有效载荷与电机相连。轴两端固定，携带有效载荷的电机沿轴移动。

直线运动平台采用高效铁芯直线电机、磁轨和绝对编码器技术，可提供可重复的亚微米精度和 5G 加速度，在高速工业应用中的运动速度可达 5 m/s。与螺纹轴设计不同，直线电机可以提供更高的定位精度和更快的运动速度。

直线运动平台的机械零件可封装在高度封闭的结构中，以保护环境。Omron 提供基于铁芯电机的直线运动平台，其有效磁体宽度从 3 线圈的 30 mm 到 15 线圈 110 mm 不等。其额定驱动力从 48 牛顿 (N) 到 760 N 不等。

[R88L-EA-AF-0303-0686] 线性执行器电机有 230 V 和 400 V 两种型号。其额定驱动力为 48 N，峰值为 105 N。它可以用 [R88D-KN02H-ECT] 伺服驱动器驱动，该驱动器包含 EtherCAT 通信功能，可集成到工业网络中。两个线性运动平台可以叠加在一起，实现笛卡尔坐标系中的运动（图 2）。

图 2：两个直线电机平台可以叠加，以支持笛卡尔坐标运动。（图片来源：Omron）

软启停装置

VFD/VSD 和伺服驱动器可在运行时控制电机的速度和扭矩，而软启停装置则可在电机启动时限制涌流，以保护电机并提供平稳的速度和扭矩斜坡。当电机停止时，它们能提供平稳的降速。在启动或停止时，它们还能保护系统中的机械零件免受尖峰扭矩的损害。

电机软启停装置适合输送机、泵、风扇、桥式起重机和自动门等不需要高启动扭矩和恒速运行的应用。可控和可预测的速度变化还能提高操作员的安全性。

电机的启动和停止速度由固态装置（如可控硅整流器）控制，这些装置可控制电机的电压和电流。一旦电机完全启动，可控硅就会通过接触器旁路，以提高运行效率。

像 Schneider Electric 的 [Alistart 22]系列这样的软启停装置可处理 4 kW 至 400 kW 的三相异步电机。它们包括 10 类电机过载和过热保护，提供 8 至 10 秒的快速跳断时间。软启停装置的额定功率通常取决于电机的工作电压。例如，Schneider Electric 的 [ATS22D17S6U]装置可处理额定功率为 3 马力（208 V）、5 马力（230 V）、10 马力（460 V）和 15 马力（575 V）的电机（图 3）。其控制电路需要 110 VAC 50/60 Hz 电源。

图 3：这种软启停装置可处理最大 15 马力的电机。（图片来源：DigiKey）

冗余电源

工业系统使用 24 VDC 电源来驱动像传感器、人机接口和安全设备这样的功能。基本冗余电源可提高工业设备的可靠性。冗余电源使用两个并联的电源为负载供电，当其中一个电源出现故障时，另一个电源也足以为整个负载供电。使用两个电源时，称为 1+1 冗余。必须两个电源都发生故障，系统电源才会出故障。

在 N+1 配置中使用更多电源可提高整个供电系统的可靠性。3+1 冗余电源架构使用四个电源，其中任何三个都可以为整个负载供电。

冗余模块通常使用二极管隔离来连接电源，以确保任何一个电源发生故障时都不会影响其他电源的运行。对于需要更高可靠性的应用，可采用多个冗余模块来消除单点故障的可能性（图 4）。例如，Omron 的 [S8VK-C12024] AC/DC 电源可支持最高 120 W 的 24 V 负载。使用 [S8VK-R10]冗余模块可连接其中两个电源，从而建立一个 120 W 的 1+1 冗余电源系统。

图 4：使用多个冗余模块（右）可以消除单点故障，提高可靠性。（图片来源：Siemens）

2 类电源和冗余电源

使用 2 类电源是工业设备的一个重要安全保障。根据美国 NEC 的规定，2 类电源的输出限制在 100 VA 以下。美国以外的一些工业设备也需要或建议使用 2 类电源。

限制功率可降低电击和火灾风险。因此，2 类电源安装不需要通过导管或管道铺设电力电缆，从而简化了安装并降低了成本。此外，2 类电源安装所需的检查更为简单，从而进一步降低了成本。

有两种方法可以获得 2 类电源评级。将电源内部将输出功率限制在 100 VA 以下，或者，使用诸如 Siemens 的 480 W（24 VDC 和 20 A）[6EP15663AA00]之类高瓦数电源，同时配合使用 Siemens 的 [6EP19622BA00]冗余模块，后者可限制输出功率并为多个负载提供冗余（图 5）。

图 5：1+1 冗余电源（左）通过 2 类冗余模块连接到四个负载。（图片来源：Siemens）

不间断电源

冗余电源可能有用，但对于关键应用来说还不够。如果必须进行可追溯性和数据收集，需要确保安全，或要求不间断运行，则需要像 Siemens [6EP41363AB002AY0]SITOP UPS 这样的不间断电源。该 UPS 提供 24 VDC 输出，电流最高可达 20 A。

选择 UPS 时的一个关键问题是储能技术。超级电容器又称双层电容器，适用于短时间备用电源需求，如保存过程数据以及有序关闭工业 PC 和其他设备。它们使用寿命长，可提供高达 20 千瓦秒 (kWs) 的备用电力。例如，Siemens 的 [6EP19332EC41] 电容器储能装置则可提供最高 2.5 kWs 的备用电力。

铅酸和各种锂离子化学物质可以满足更长时间的备用电源需求，关键通信或过程操作需要长达数小时的备用电源（图 6）。基本直流 UPS 电池模块的存储容量最高可达 38 Ah。可使用多个电池模块，提供数小时的备用时间。Siemens 的 [6EP19356MD31] DC UPS 电池模块使用免维护密封铅酸蓄电池，最高可提供 15 A 电流，存储容量为 2.5 Ah。

图 6：超级电容器（UPS5005 和 UPS501S）可提供短时间备用电源（左图），而电池（UPS16090 和 BAT1600）可支持更长时间的备用电源运行（右图）。（图片来源：Siemens）

结语

VSD/VFD 通常被视为工业自动化的主力。然而，全面的工业自动化架构需要更多，包括伺服驱动器、电机和软启停装置。在优化正常运行时间和可靠性方面，工业自动化系统设计人员也有多种直流电源架构可供选择。

审核编辑 黄宇