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PULS普爾世的高轉換效率、高可靠性供電方案在傳送機直流電機驅動滾筒中的應用

PULS普爾世的高轉換效率、高可靠性供電方案在傳送機直流電機驅動滾筒中的應用


圖1 工業中的傳送機(圖片來源于互聯網)

傳送機是現代工業自動化中非常重要的設備,一次性投資較大,并要求長期穩定連續的工作,可靠性要求高,能量損耗也相對較大。傳統的傳送機采用大型交流電機集中驅動,并通過鏈條、皮帶等傳動裝置將動力傳輸到整個傳送機上。這種集中式的驅動設計在實際運行中有幾個弊端:第一,能耗較大:動輒數百米的鏈條、皮帶等動力傳送部分白白損耗了很多功率,而且,無論整個傳送帶上放滿了貨物,還是只放了一件貨物,整個傳送機都在運轉,都在耗費能量,無法根據“負載波動”調整其輸出功率,也無法根據貨物所處的位置使“需要的部分”運轉;第二,可靠性較差:由于集中驅動交流電機的總輸出功率較大,常常成為維護工程師需要眷顧的對象;冗長的動力傳動部分,也是傳送機故障或人身傷害的主要原因。另外,較高的工作噪音、較大的占用體積,也影響了對傳送機的更好使用。
從上世紀90年代開始,直流電機驅動的滾筒逐漸被應用在傳送機設計中,它的基本想法是“讓每個滾筒成為自主的動力源”,從而實現傳送機的分布式控制與驅動:鄰近的幾個或十幾個滾筒組成一組,共用一套傳感器和驅動控制,只有在貨物到達這里時才驅動滾筒轉動,大大減少了整個傳送機的“空載、輕載損耗”,省去了冗長的動力傳送部分,同時也大大提高了可靠性和安全性等。
而如何為這些“自主的”滾筒供電,卻成為了一個難題:首先,電源的體積要足夠小,可以方便的安裝在傳送機邊上多個小型的電控柜中,配合實現分布式驅動;其次,可靠性要高,傳送機如果因為電源損壞而停機,常常意味著整個生產流程都要停止,這會造成難以預計的損失;當然,電源對減少能耗,降低整個傳送機的運行成本也非常重要。

美國芝加哥的一家傳送機生產商原來的供電方案如圖2左側所示。在一個寬度約700mm的電控柜內,需要安裝4臺960W(24V/40A)輸出的電源,來為鄰近的傳送機滾筒供電。所選DIN導軌式安裝的電源的寬度為282mm,由于空間有限,采用彼此上下安裝。在實際運行中,上部的兩臺電源(開關電源1和2)經常出現損壞,經過分析,發現這兩臺電源在運行中非常熱。事實上,與幾乎所有電子電器元件一樣,溫度升高是電源最大的敵人,導致溫升的原因可能是自身散熱,也可能是鄰近的元件散熱。從圖2中可以看到,上部的電源要接受來自下部電源的熱量的“炙烤”,尤其是電源1和2,就像下面有300W,400W功率的烤爐一樣,這會使其內部的元件承受極大的壓力,非常容易出現故障,并大大降低有效使用壽命。
后來,該廠家采用了PULS普爾世提供的供電方案,使用4臺PULS普爾世的半調節電源XT40.241,如圖2右側所示。由于XT40的寬度只有96mm(寬x高x深為96x124x157mm,重量只有1.4kg),完全可以并排安裝在電控柜中。這首先避免了下部電源加熱上部電源的問題,保證4臺電源的可靠性彼此相當;并且使控制柜內的空間非常寬裕,為系統升級、增強功率或功能、提高設計靈活性等預留了足夠的“空間”。

圖2 傳送機中直流電機驅動滾筒的供電方案比較

第二,XT40的高可靠性。在25°C環境溫度、連續滿載輸出時的使用壽命預期超過14.2萬小時,按照軍用標準MIL HDBK 217F計算的平均無故障時間MTBF超過27.6萬小時,按照工業標準SN 29500(IEC 61709)計算的平均無故障時間MTBF則超過95.9萬小時,這在1000W功率級的電源中幾乎是絕無僅有,大大提高了系統的綜合性能,降低了傳送機生命周期內的維護成本。


圖3 PULS普爾世的電源XT40.241

第三,節能和降低運行成本。如表1所示,原方案中的電源比PULS普爾世電源在滿載輸出時的功率損耗增加一倍多;連續運行時,每年會產生445度更多的電能損耗;如果一條20米長的傳送機上需要20臺電源,每年多支出的運行成本達到近6791元。

表1 兩款電源的功率損耗對照表

第四,XT40是真正適合直接驅動電機,為伺服驅動、電磁閥等負載供電的開關電源。并不是所有開關電源都可以用于此類負載,因為它們在起動時需要電源能夠提供短時的、數倍于平均電流的峰值電流,很多開關電源會在起動此類負載時出現降壓限流、“打嗝”等現象,無法使它們起動。而這正是大多數PULS普爾世開關電源產品的優點。如圖4中XT40的輸出特性曲線所示,它能夠在15秒內、保持24V電壓時輸出50A電流;最高則可以輸出100A以上的電流,是強勁的“電機起動器”。而且,該系列電源的功率因數高達0.93,無輸入浪涌電流,具有過載、空載、短路及過壓、過溫保護,通過了IEC60950-1,UL508,UL60950-1等安規認證,能夠有效地防止燃燒、電擊等各種危險情況的發生,并能在-25°C到70°C環境溫度下正常工作。
XT40的輸出電壓沒有采用全調節,紋波可能相對較大,這一點是此類負載完全可以接受的,一般24V直流電機可以接受1.2V左右的紋波。同時,半調節電源XT40相對于一般的同功率級的全調節開關電源也有很高的成本優勢。

圖4 XT40.241的輸出特性曲線

目前PULS普爾世的半調節XT系列包括8款電源,可根據對輸入三相電壓380Vac/480Vac和輸出電壓24Vdc/36Vdc/48Vdc/72Vdc的不同要求來選擇。更詳盡的產品信息請參閱PULS普爾世的中文網站www.puls-power.cn。
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