PULS高转换效率、高可靠性供电方案,在传送机直流电机驱动滚筒中的应用

时间:2015-09-15 08:58:55

 

 

传送机是现代工业自动化中非常重要的设备,一次性投资较大,并要求长期稳定连续的工作,可靠性要求高,能量损耗也相对较大。传统的传送机采用大型交流电机集中驱动,并通过链条、皮带等传动装置将动力传输到整个传送机上。这种集中式的驱动设计在实际运行中有几个弊端:

第一,能耗 较大:动辄数百米的链条、皮带等动力传送部分白白损耗了很多功率,而且,无论整个传送带上放满了货物,还是只放了一件货物,整个传送机都在运转,都在耗费能量,无法根据“负载波动”调整其输出功率,也无法根据货物所处的位置使“需要的部分”运转;

第二,可靠性较差:由于集中驱动交流电机的总输出功率较大,常常成为维护工程师需要眷顾的对象;冗长的动力传动部分,也是传送机故障或人身伤害的主要原因。另外,较高的工作噪音、较大的占用体积,也影响了对传送机的更好使用。

从上世纪90年代开始,直流电机驱动的滚筒逐渐被应用在传送机设计中,它的基本想法是“让每个滚筒成为自主的动力源”,从而实现传送机的分布式控制与驱动:邻近的几个或十几个滚筒组成一组,共用一套传感器和驱动控制,只有在货物到达这里时才驱动滚筒转动,大大减少了整个传送机的“空载、轻载损耗”,省去了冗长的动力传送部分,同时也大大提高了可靠性和安全性等。

而如何为这些“自主的”滚筒供电,却成为了一个难题:首先,电源的体积要足够小,可以方便的安装在传送机边上多个小型的电控柜中,配合实现分布式驱动;其次,可靠性要高,传送机如果因为电源损坏而停机,常常意味着整个生产流程都要停止,这会造成难以预计的损失。

美国芝加哥一家传送机生产商原来的供电方案如图1左所示。在一个宽度约700mm的电控柜内,需要安装4台960W(24V/40A)输出的电源,来为邻近的传送机滚筒供电。所选DIN导轨式安装的电源的宽度为282mm,由于空间有限,采用彼此上下安装。在实际运行中,上部的两台电源(开关电源1和2)经常出现损坏,经过分析,发现这两台电源在运行中非常热。事实上,与几乎所有电子电器元件一样,温度升高是电源最大的敌人,导致温升的原因可能是自身散热,也可能是邻近的元件散热。从图1中可以看到,上部的电源要接受来自下部电源的热量的“炙烤”,尤其是电源1和2,就像下面有300W,400W功率的烤炉一样,这会使其内部元件承受极大的压力,非常容易出现故障,并大大降低有效使用寿命。

后来,该厂家采用了PULS普尔世提供的供电方案,用4台PULS普尔世的半调节电源XT40.241,如图1右侧所示。由于XT40的宽度只有96mm(宽x高x深为96x124x157mm,重量只有1.4kg),完全可以并排安装在电控柜中。这首先避免了下部电源加热上部电源的问题,保证4台电源的可靠性彼此相当;并且使控制柜内的空间更宽裕,为系统升级、增强功率或功能、提高设计灵活性等问题预留了足够的“空间”。

XT40的高可靠性。在 25°C环境温度、连续满载输出时的使用寿命预期超过14.2万小时,按照军用标准MIL HDBK 217F计算的平均无故障时间MTBF超过 27.6 万小时,按照工业标准SN 29500(IEC 61709)计算的平均无故障时间MTBF则超过95.9万小时,这在1000W功率级的电源中几乎是绝无仅有,大大提高了系统的综合性能,降低了传送机生命周期内的维护成本。

节能和降低运行成本。如图2所示,原方案中的电源比PULS普尔世电源在满载输出时的功率损耗增加一倍多;连续运行时,每年会产生445度更多的电能损耗;如果一条20米长的传送机上需要20台电源,每年多支出的运行成本达到近6791元。

第四,XT40是真正适合直接驱动电机,为伺服驱动、电磁阀等负载供电的开关电源。并不是所有开关电源都可以用于此类负载,因为它们在起动时需要电源能够提供短时的、数倍于平均电流的峰 值电流,很多开关电源会在起动此类负载时出现降压限流、“打嗝”等现象,无法使它们起动。而这正是大多数PULS普尔世开关电源产品的优点。如图3中XT40的输出特性曲线所示,它能够在15秒内、保持24V电压时输出50A电流;最高则可以输出100A以上的电流,是强劲的“电机起动 器”。而且,该系列电源的功率因数高达0.93,无输入浪涌电流,具有过载、空载、短路及过压、过温保护,通过了IEC60950-1,UL508,UL60950-1 等安规认证,能够有效地防止燃烧、电击等各种危险情况的发生,并能在-25°C到70°C环境温度下正常工作。

XT40的输出电压没有采用全调节,纹波可能相对较大,这一点是此类负载完全可以接受的,一般24V直流电机可以接受1.2V左右的纹波。同时,半调节电源XT40相对于一般的同功率级的全调节开关电源也有很高的成本优势。