PULS普爾世的高轉(zhuǎn)換效率、高可靠性供電方案在傳送機(jī)直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒中的應(yīng)用

圖1 工業(yè)中的傳送機(jī)(圖片來源于互聯(lián)網(wǎng))

傳送機(jī)是現(xiàn)代工業(yè)自動(dòng)化中非常重要的設(shè)備，一次性投資較大，并要求長(zhǎng)期穩(wěn)定連續(xù)的工作，可靠性要求高，能量損耗也相對(duì)較大。傳統(tǒng)的傳送機(jī)采用大型交流電機(jī)集中驅(qū)動(dòng)，并通過鏈條、皮帶等傳動(dòng)裝置將動(dòng)力傳輸?shù)秸麄€(gè)傳送機(jī)上。這種集中式的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)在實(shí)際運(yùn)行中有幾個(gè)弊端：第一，能耗較大：動(dòng)輒數(shù)百米的鏈條、皮帶等動(dòng)力傳送部分白白損耗了很多功率，而且，無(wú)論整個(gè)傳送帶上放滿了貨物，還是只放了一件貨物，整個(gè)傳送機(jī)都在運(yùn)轉(zhuǎn)，都在耗費(fèi)能量，無(wú)法根據(jù)“負(fù)載波動(dòng)”調(diào)整其輸出功率，也無(wú)法根據(jù)貨物所處的位置使“需要的部分”運(yùn)轉(zhuǎn)；第二，可靠性較差：由于集中驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)的總輸出功率較大，常常成為維護(hù)工程師需要眷顧的對(duì)象；冗長(zhǎng)的動(dòng)力傳動(dòng)部分，也是傳送機(jī)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(duì)傳送機(jī)的更好使用。
從上世紀(jì)90年代開始，直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)的滾筒逐漸被應(yīng)用在傳送機(jī)設(shè)計(jì)中，它的基本想法是“讓每個(gè)滾筒成為自主的動(dòng)力源”，從而實(shí)現(xiàn)傳送機(jī)的分布式控制與驅(qū)動(dòng)：鄰近的幾個(gè)或十幾個(gè)滾筒組成一組，共用一套傳感器和驅(qū)動(dòng)控制，只有在貨物到達(dá)這里時(shí)才驅(qū)動(dòng)滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，大大減少了整個(gè)傳送機(jī)的“空載、輕載損耗”，省去了冗長(zhǎng)的動(dòng)力傳送部分，同時(shí)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(gè)難題：首先，電源的體積要足夠小，可以方便的安裝在傳送機(jī)邊上多個(gè)小型的電控柜中，配合實(shí)現(xiàn)分布式驅(qū)動(dòng)；其次，可靠性要高，傳送機(jī)如果因?yàn)殡娫磽p壞而停機(jī)，常常意味著整個(gè)生產(chǎn)流程都要停止，這會(huì)造成難以預(yù)計(jì)的損失；當(dāng)然，電源對(duì)減少能耗，降低整個(gè)傳送機(jī)的運(yùn)行成本也非常重要。

美國(guó)芝加哥的一家傳送機(jī)生產(chǎn)商原來的供電方案如圖2左側(cè)所示。在一個(gè)寬度約700mm的電控柜內(nèi)，需要安裝4臺(tái)960W（24V/40A）輸出的電源，來為鄰近的傳送機(jī)滾筒供電。所選DIN導(dǎo)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(shí)際運(yùn)行中，上部的兩臺(tái)電源(開關(guān)電源1和2)經(jīng)常出現(xiàn)損壞，經(jīng)過分析，發(fā)現(xiàn)這兩臺(tái)電源在運(yùn)行中非常熱。事實(shí)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(dǎo)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(huì)使其內(nèi)部的元件承受極大的壓力，非常容易出現(xiàn)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(tái)PULS普爾世的半調(diào)節(jié)電源XT40.241，如圖2右側(cè)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(tái)電源的可靠性彼此相當(dāng)；并且使控制柜內(nèi)的空間非常寬裕，為系統(tǒng)升級(jí)、增強(qiáng)功率或功能、提高設(shè)計(jì)靈活性等預(yù)留了足夠的“空間”。

圖2 傳送機(jī)中直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾筒的供電方案比較

第二，XT40的高可靠性。在25°C環(huán)境溫度、連續(xù)滿載輸出時(shí)的使用壽命預(yù)期超過14.2萬(wàn)小時(shí)，按照軍用標(biāo)準(zhǔn)MIL HDBK 217F計(jì)算的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF超過27.6萬(wàn)小時(shí)，按照工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)SN 29500(IEC 61709)計(jì)算的平均無(wú)故障時(shí)間MTBF則超過95.9萬(wàn)小時(shí)，這在1000W功率級(jí)的電源中幾乎是絕無(wú)僅有，大大提高了系統(tǒng)的綜合性能，降低了傳送機(jī)生命周期內(nèi)的維護(hù)成本。

圖3 PULS普爾世的電源XT40.241

第三，節(jié)能和降低運(yùn)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(shí)的功率損耗增加一倍多；連續(xù)運(yùn)行時(shí)，每年會(huì)產(chǎn)生445度更多的電能損耗；如果一條20米長(zhǎng)的傳送機(jī)上需要20臺(tái)電源，每年多支出的運(yùn)行成本達(dá)到近6791元。

表1 兩款電源的功率損耗對(duì)照表

第四，XT40是真正適合直接驅(qū)動(dòng)電機(jī)，為伺服驅(qū)動(dòng)、電磁閥等負(fù)載供電的開關(guān)電源。并不是所有開關(guān)電源都可以用于此類負(fù)載，因?yàn)樗鼈冊(cè)谄饎?dòng)時(shí)需要電源能夠提供短時(shí)的、數(shù)倍于平均電流的峰值電流，很多開關(guān)電源會(huì)在起動(dòng)此類負(fù)載時(shí)出現(xiàn)降壓限流、“打嗝”等現(xiàn)象，無(wú)法使它們起動(dòng)。而這正是大多數(shù)PULS普爾世開關(guān)電源產(chǎn)品的優(yōu)點(diǎn)。如圖4中XT40的輸出特性曲線所示，它能夠在15秒內(nèi)、保持24V電壓時(shí)輸出50A電流；最高則可以輸出100A以上的電流，是強(qiáng)勁的“電機(jī)起動(dòng)器”。而且，該系列電源的功率因數(shù)高達(dá)0.93，無(wú)輸入浪涌電流，具有過載、空載、短路及過壓、過溫保護(hù)，通過了IEC60950-1，UL508，UL60950-1等安規(guī)認(rèn)證，能夠有效地防止燃燒、電擊等各種危險(xiǎn)情況的發(fā)生，并能在-25°C到70°C環(huán)境溫度下正常工作。
XT40的輸出電壓沒有采用全調(diào)節(jié)，紋波可能相對(duì)較大，這一點(diǎn)是此類負(fù)載完全可以接受的，一般24V直流電機(jī)可以接受1.2V左右的紋波。同時(shí)，半調(diào)節(jié)電源XT40相對(duì)于一般的同功率級(jí)的全調(diào)節(jié)開關(guān)電源也有很高的成本優(yōu)勢(shì)。

圖4 XT40.241的輸出特性曲線

目前PULS普爾世的半調(diào)節(jié)XT系列包括8款電源，可根據(jù)對(duì)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(chǎn)品信息請(qǐng)參閱PULS普爾世的中文網(wǎng)站www.puls-power.cn。