保持自动化系统内的电能质量
作者：Lisa Eitel
如 Digi-Key 先前关于低质量市电细节的文章所述，当地市电电网的波动可能引起六种电能质量问题，包括电压浪涌、停电、频率不稳定和噪声。这些波动也可能源自每一个电动自动化设备的内部，从而让问题更加复杂化。幸运的是，很多元器件可以解决这样的电力一致性问题。这些电源和其他电源元器件可使机械发挥最佳性能，并防止机械对当地市电电网产生负面影响。
图 1：这款 PULS CP 系列单相电源安装在工业自动化中常见的 DIN 导轨上。特性包括瞬态和电涌的高抗扰性与低电磁辐射、DC-OK 继电器触点、20% 输出功率储备（本文稍后介绍）以及极小的涌流冲击。此外，经过特殊涂层处理的电源还可以执行有功功率因数校正或 PFC 功能。（图片来源：EE World）
设备内部产生的电能质量问题主要有两类：噪声和谐波干扰。
电源中的电噪声是指高频电压变化。高频是相对的，但总是表示频率远高于系统交流频率。从时域来看，交流电流应表现为平滑的正弦波。噪声使波形变得参差不齐。
在机械的供电系统中总是会有一定的噪声，这由导线的电阻引起。此类噪声称为热噪声，通常是可忽略不计的干扰。更明显且潜在有害的噪声是由局部负载（如焊机和电动机）引起。来自此类部件和系统的噪声通常难以量化，并且最有可能导致受影响的设备子部件过热、磨损，甚至失效。
电力谐波是频率为系统交流频率整数倍的电压或电流干扰。这些干扰由整流器、计算机电源、日光灯和某些类型的变速电机等非线性负载引起。电流谐波往往大于电压谐波，实际上往往驱动后者。
图 2：谐波波形是某些基本波形的频率整数倍，（在电力系统中）可与基本波形相结合并引起问题。谐波通常源自某些电力负载或机械连接件内。（图片来源：Design World）
这些电力谐波（由于它们引起发热的方式）会显著降低电机的效率并缩短其寿命。它们还可能导致电机机械输出的振动和转矩脉动，从而缩短集成在电机中的动力传输子部件（特别是轴支撑轴承）的寿命。
关键电力系统参数
电源的两个重要规格包括功率因数和保持时间。
功率因数是一个无量纲比值，用来描述交流系统中有功功率与视在功率之间的差异。视在功率是有功功率和无功功率的组合。无功功率是依次从网络中提取、暂时储存，然后在不消耗的情况下返回。这通常由感性或容性负载引起，会导致电流和电压异相。无功功率会增加配电系统的负荷、降低电能质量，并导致能源费用增加。
理想情况下，系统的功率因数为 1，意味着系统中没有无功功率。功率因数低于 0.95 的设计会导致配电系统的负荷增加，并可能会发生无功电费。
图 3：图中所示为 Traco Power 的 TML 100C 系列 85-100 W 交流转直流电源模块。有功功率因数校正 (PFC) 确保功率因数优于 0.95（对于 230 VAC）和 0.99（对于 115 VAC）。（图片来源：Traco Power）
保持时间是电源在断电后可在其规定电压范围内持续供电的时长。请考虑一下不间断电源 (UPS) 和发电机，这些是在停电和欠压期间用于确保自动化操作连续性的备用电源类型。正如本文最后一节所详述，UPS 必须在任何重要时间段内供电。但根据 UPS 的设计，这些可能会在市电电力故障和 UPS 启动供电之间引入高达 25 毫秒的延迟。
电源保持时间可以让电源弥补这一差距，主要是利用存储在电容器中的电能。事实上，由于开关模式电源的电容电压更高，因此其保持时间往往比线性电源更长。
有关能解决机器引起的电源问题的其他功能
接地、隔离和滤波电源转换器是高质量电源的基础。
接地：正确接地对于电源正常工作必不可少。它提供基准电压（由该电压测量所有其他电压）以及电流的返回路径。有关该主题的更多信息，请阅读 Digi-Key 文章接地故障感测和保护须知。
隔离：虽然非隔离电源的能效和紧凑性程度更高，但在输入和输出电压之间进行隔离，则可防止部件发生故障时危险电压传递到输出。为了保护操作人员免受危险电压伤害，或保护设备免受瞬变和骤升的影响，也可能需要隔离。
隔离的形式包括：
· 部件之间的物理隔离
· 电感耦合，通过变压器（改变电源系统电压的电源转换器）
· 光耦合，最适合电源系统不同部分之间的信号传输，同时确保极高的隔离水平
图 4：电源经常用作电源转换器，用于 1) 改变交流电源的电压或频率，或 2) 整流或以其他方式将交流转换为直流。例如：这款来自 Vicor Corp. 的 48-V 400-W 交流转直流脉冲频率调制 (PFM) 转换器集成了滤波和瞬态浪涌保护。提醒一下：Vicor 集成适配器 (VIA) 转换器仅接受经外部整流的正弦交流电源输入，功率因数由该模块维持。谐波符合 IEC 61000-3-2 标准，内部滤波可满足适用的浪涌和 EMI 要求。（图片来源：Vicor Corp.）
电滤波器和浪涌抑制：浪涌抑制可消除瞬变和骤升，保护电气设备免受这些过压条件的影响。相比之下，电滤波器能平滑系统电压以去除噪声和谐波。若要了解大型飞机（使用 400 Hz 电源）上使用的工业电源中的滤波器，请阅读 digikey.com 文章 400 Hz 电源上的电源操作。或者考虑另一种在靠近使用点的自动化装置中特别常见的电滤波器类型（LC 滤波器），来补充电机驱动器。LC 滤波器是一种振荡电路或谐振电路（也称为调谐电路），使用电感器 L 和电容器 C 来产生设定频率的输出。电机用 LC 滤波器的作用通常是将驱动器的矩形 PWM 输出电压转换为低残余纹波的平滑正弦波。其优点包括通过避免高 dv/dt、过压、过热和涡电流损耗来延长电机寿命。
图 5：这是 Schaffner EMC Inc. 的 LC 正弦波滤波器，用于帮助电机驱动器将平滑的正弦波传送到所连接的电机绕组，而不产生电压峰值。该滤波器还允许安装较长的电机电缆。（图片来源：Schaffner EMC Inc.）
浪涌保护器的工作原理是对电流进行阻断或短路，或组合浪涌阻断和短路措施。
阻断浪涌保护：电流可以采用电感器进行阻断，电感器可抑制电流的突然变化。但是，大多数浪涌保护器会在发生过压时产生短路，从而将电流引回配电线路中，并在那里由电路导线中的电阻进行耗散。
短路浪涌保护：快速短路（当电压超过设定水平时触发）是用火花隙、放电管或半导体器件来实现。只有在极少情况下（大浪涌或非常长的浪涌期间），浪涌会熔化浪涌保护器的电源线或内部元器件。电容器也可以抑制电压的突然变化。
浪涌保护器的主要规格包括箝位电压、响应时间和额定能量。箝位电压又称为允通电压，是允许通过浪涌保护器的最大电压。120 V 器件的典型箝位电压为 220 V。额定能量（通常以焦耳为单位）是浪涌保护器内的元器件在烧毁失效前所能吸收的最大功率。
对于浪涌保护器而言，一个经常被忽视的重要规格是当浪涌保护器发生故障时会发生什么。如果浪涌超过保护器的额定能量，并且内部子部件发生故障，该保护器将不能再提供浪涌保护。但这并不意味着断电：一些浪涌保护器在发生故障后会继续供电，比如一些设计用来保护服务器或其他电子存储器的浪涌保护器。若不能再提供浪涌保护，唯一指示可能是警示灯。其他浪涌保护器确实会在失效时切断电源或减少电力传输。
关键应用中 UPS 辅助发电机
UPS 和发电机可提供备用电源，确保在停电和欠压期间操作的连续性。UPS 使用电池，通常设计为提供几分钟到几小时的电力。发电机使用发动机长时间发电，直至燃料用尽。
UPS 能即时对停电进行响应，确保供电不中断。而发电机的启动时间至少为几秒钟。对于需要连续供电的应用，必须将 UPS 与发电机相结合，以便在发电机启动时能实现供电。
图 6：该 24 VDC 5 A 不间断电源 (UPS) 安装在 DIN 导轨上，满载时可提供长达 25 分钟的备用电源。（图片来源：Phoenix Contact）
UPS 保护设备不受断电影响。离线或电压和频率依赖型 UPS 性价比最高，但有两大不足：
· 在正常情况下，离线 UPS 将电流直接经过蓄电池传递到输出。当 UPS 电路检测到断电时，开关通过逆变器将电池连接到输出。这意味着电源可能中断多达 25 毫秒。
· 此外，离线 UPS 也很少或根本不能对其他电能质量问题（如浪涌和噪声）提供保护。
相比之下，线路互动式或电压独立 (VI) UPS 的工作原理与电压和频率依赖型 UPS 基本相同，但前者额外配有稳压器，可在正常操作下提高电源输出质量。此类系统仍有一段断电切换时间，但通常只有 5 毫秒左右，与大多数电源的保持时间相当。
在线 UPS 又称电压和频率独立型 UPS，使电源的复杂程度进一步提高，以提供最大的保护。在 UPS 中，负载不直接连接到市电电源，而总是从系统电池汲取电力，电池则由市电电源持续充电。市电交流电源转换为电池电压并整流为直流，从而可以为电池充电。然后，来自电池的电力经过逆变以产生交流电，并由另一个变压器升压到市电电压。这意味着电源中的电能质量问题不会影响输出，并且提供非常高的电能质量和保护水平。但是，这也导致能源效率大幅降低，且前期的 UPS 成本更高。
除了最敏感和最关键的负载外，离线 UPS 结合具有足够保持时间的电源是更好的选择。
总结
在确定设计对电能质量的要求时，第一步是防止低品质市电、电噪声和谐波造成的停机和维护成本。根据机器的设计和功能，这些要求有很大的不同。但是，一旦定义了这些参数，设计工程师就可以正确指定具有滤波、浪涌抑制、备用电源和电源调节功能的电源。这样可以极大地提高自动化设备的可靠性。
