PULS普尔世的高转换效率、高可靠性供电方案在传送机直流电机驱动滚筒中的应用

图1 工业中的传送机(图片来源于互联网)

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；当然，电源对减少能耗，降低整个传送机的运行成本也非常重要。

美国芝加哥的一家传送机生产商原来的供电方案如图2左侧所示。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2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，这会使其内部的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，使用4台PULS普尔世的半调节电源XT40.241，如图2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非常宽裕，为系统升级、增强功率或功能、提高设计灵活性等预留了足够的“空间”。

图2 传送机中直流电机驱动滚筒的供电方案比较

第二，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。

图3 PULS普尔世的电源XT40.241

第三，节能和降低运行成本。如表1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。

表1 两款电源的功率损耗对照表

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4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。

图4 XT40.241的输出特性曲线

目前PULS普尔世的半调节XT系列包括8款电源，可根据对输入三相电压380Vac/480Vac和输出电压24Vdc/36Vdc/48Vdc/72Vdc的不同要求来选择。更详尽的产品信息请参阅PULS普尔世的中文网站www.puls-power.cn。