哪些支援產品可以讓 VFD 和 VSD 發揮最佳效果？- 第二篇

本系列文章的第 1 篇介紹選擇馬達連接纜線、輸出電抗器、制動電阻、線路電抗器和線路濾波器時應考量的因素。第二篇接著介紹 VSD/VFD 和伺服驅動之間的差異，回顧交流和直流旋轉和線性伺服馬達的用途，考量軟啟動／停止單元在工業操作中的適用範圍，並研究直流轉換器如何用於為感測器、人機介面 (HMI) 和安全裝置等周邊設備供電。

變速驅動器和變頻驅動器 (VSD/VFD) 是提高工業營運效率和永續性的要素，但並不是唯一可用的工具。為了獲得最佳效能，VSD/VFD 通常需要輔以其他裝置，如伺服驅動器和馬達、軟啟動／停止單元、直流 (DC) 轉換器和直流 (DC) 輸入不斷電系統 (UPS)，以期達到最佳工業自動化架構。

交流和直流伺服馬達和驅動器適用於各種應用，從簡單的單軸或雙軸任務到具有 256 個或更多動作軸的複雜任務。由伺服馬達控制的致動器可讓工業機器達到精確且可重複的動作，並提供旋轉和線性動作配置。

輸送帶、幫浦和橋式起重機等恆速應用，通常較適合軟啟動／停止單元而不是 VSD/VFD。

設計人員可以依據應用要求，在備援直流電源供應器、美國國家電工標準 (NEC) 中定義的 Class 2 電源供應器或直流 UPS 之間進行選擇，以處理無法預測的主電源，並提高系統可靠性。

本文首先介紹 VSD/VFD 和伺服驅動之間的差異，回顧交流和直流旋轉和線性伺服馬達的用途，並考量軟啟動／停止單元在工業操作中的應用。接著回顧如何使用直流轉換器為感測器、人機介面 (HMI) 和安全裝置等周邊設備供電，並研究何時使用備援直流架構或直流 UPS 為這些裝置供電，以及何時選用電池和超級電容進行儲能。以下案例將介紹 Schneider Electric、Omron、Lin Engineering、Siemens 的代表元件。

伺服馬達系統可以輔助工業自動化架構中的 VSD/VFD。伺服馬達系統專為複雜和動態的動作系統所設計，支援精確定位。伺服驅動搭配永磁馬達和編碼器，用於閉迴路控制。旨在支援快速加速和減速，並且可以支援線性或非線性動作曲線。

許多 VSD/VFD 使用開迴路控制，管理馬達速度。不支援伺服馬達系統具備的精密度或響應能力。此外，VSD/VFD 的開迴路馬達控制代表如果負載變化或馬達停轉時，不一定會進行補償。伺服馬達系統用於高動態應用，而 VSD/VFD 則用於長期保持恆定速度或相對較少速度變化的應用。

伺服馬達系統往往比 VSD/VFD 驅動更小，典型功率等級為 40 至 5,000 W。其轉速高達 5,000 rpm，並具有低噪音、低振動、高扭矩的特性。伺服馬達有多種框架尺寸可供選擇，可達 180 mm 以上。例如， Lin Engineering 的 SBL40D1-04 是 40 mm、60 W 無刷直流 (BLDC) 伺服馬達，額定電壓為 36 V_DC 。

伺服馬達通常與驅動器配對。Schneider Electric 提供 LXM28AU07M3X 驅動器和 BCH2LF0733CA5C 5,000 rpm 伺服馬達，兩者的額定功率均為 750 W (圖 1)。此驅動器具有整合的 CANopen 和 CANmotion 通訊介面，可以使用單相或三相電源運作。配套的 80 mm 馬達為 IP65 防護等級，操作溫度範圍為 -20°C 至 +40°C。

圖 1：配套的 750 W 伺服驅動和 IP65 防護等級馬達。(圖片來源：Schneider Electric)

線性和直角座標動作

線性動作用於多種工業製程：塗層材料、3D 列印、檢查系統等；並可用於多種實例。這些應用基於旋轉步進馬達或線性馬達。旋轉步進馬達使用螺紋軸產生線性動作。有兩種基本設計：外螺帽和內螺帽，有時稱為貫通軸 (non-captive) 設計。

螺帽安裝在外螺帽線性致動器的螺紋軸上。軸兩端固定。當步進馬達旋轉時，螺帽沿著軸來回移動，承載要移動的物體 (酬載)。在貫通軸設計中，酬載附加在馬達上。軸的兩端固定，承載酬載的馬達沿著軸移動。

線性動作平台搭載高效率鐵芯線性馬達、磁軌、絕對編碼器技術，提供可重複的次微米精密度和 5G 加速度，移動速度高達 5 m/s，適合高速工業應用。直線馬達與螺紋軸設計不同，可以提供更高的定位準確度和更快的動作。

直線動作平台的機械零件可以封裝在高度封閉的結構中，達到環境防護。Omron 提供基於鐵芯馬達的線性動作平台，範圍從 30 mm 主動磁鐵寬度和三個線圈到 110 mm 主動磁鐵寬度和 15 個線圈。額定力為 48 N 至 760 N。

R88L-EA-AF-0303-0686 線性致動器馬達 230 V 和 400 V 型號。額定力為 48 N、峰值力為 105 N。可以使用 R88D-KN02H-ECT 伺服驅動器進行驅動。此驅動器包括用於整合到工業網路中的 EtherCAT 通訊。兩個線性動作平台可以堆疊，在直角座標系統中動作 (圖 2)。

圖 2：兩個線性馬達平台可以堆疊，以支援直角座標動作。(圖片來源：Omron)

軟啟動／停止單元

VFD/VSD 和伺服驅動在運作時控制馬達的速度和扭矩，軟啟動／停止單元則會在馬達啟動時限制湧入電流以保護馬達，並且平滑提升速度和扭矩。馬達停止時，可以平順地降低速度。此外，還可以保護系統的機械零件，在啟動或停止時不受扭矩尖波的損壞。

馬達軟啟動／停止單元可用於輸送帶、幫浦、風扇、橋式起重機和自動門等，不需要高啟動扭力並以恆定速度運轉的應用。受控和且預測的速度變化可為操作人員提高安全。

馬達的啟動和停止速度由可控矽整流器 (SCR) 等固態元件控制，用於控制馬達的電壓和電流。一旦馬達完全啟動，就會使用接觸器繞過 SCR，以提高運作效率。

Schneider Electric 的 Alistart 22 系列等軟啟動／停止單元可處理 4 kW 至 400 kW 的各種三相非同步馬達。包括 Class 10 馬達過載和熱保護，提供 8 至 10 秒的快速跳脫時間。軟啟動／停止單元的額定功率通常取決於馬達的工作電壓。例如，Schneider Electric 的 ATS22D17S6U 單元可處理額定功率為3 hp (208 V 電源)、5 hp (230 V 電源)、10 hp (460 V 電源)和 15 hp (575 V 電源) 的馬達 (圖 3) 。控制電路需要 110 V_AC 50/60 Hz 電源。

圖 3：此軟啟動／停止單元可處理高達 15 hp 的馬達。(圖片來源：DigiKey)

備援電源

工業系統使用 24 V_DC 電源於感測器、HMI 和安全裝置的各種功能。基本備援電源可以提高工業設備的可靠性。備援電源使用兩個並聯的電源供應器為負載供電，若其中一個電源故障，另一個電源足以為整個負載供電。使用兩個電源供應器時，稱為 1+1 備援。只有在兩個電源供應器同時失效時，系統電源才會失效。

N+1 配置中使用更多電源供應器，可以提高整體供電系統的可靠性。3+1 備援電源架構使用四個電源供應器，三個電源之中的任一電源可為整體負載供電。

備援模組通常使用二極體隔離來連接電源供應器，以確保任何一個電源供應器失效時，不會影響其他電源供應器的運作。對於需要更高可靠性的應用，可以採用多重備援模組來消除單點故障的可能性 (圖 4)。例如，Omron 的 S8VK-C12024 AC/DC 電源供應器可支援高達 120 W 的 24 V 負載。S8VK-R10 備援模組連接其中兩個電源供應器，以建立一個 120 W 1+1 備援電源系統。

圖 4：使用多重備援模組 (右) 可消除單點故障並增強可靠性。(圖片來源：Siemens)

Class 2 和備援

Class 2 電源是工業設備中的重要安全因素。根據美國 NEC 的定義，Class 2 電源供應器的輸出限制為低於 100 VA。除美國之外的其他地區，某些工業裝置也需要或建議使用 Class 2 電源供應器。

限制功率可降低觸電和火災的風險。因此，Class 2 設備不需要將電源線穿過導管或管道，可簡化安裝並降低成本。此外，Class 2 設備更容易進行檢查，可進一步降低成本。

有兩種方法可以達到 Class 2 額定功率。包含將內部輸出功率限制在 100 VA 以下的電源供應器。Siemens 的 6EP15663AA00 電源供應器提供 480 W (24 V_DC and 20 A) 的更高瓦數，可與 Siemens 的 6EP19622BA00 備援模組搭配使用，限制輸出功率並為多個負載提供備援 (圖 5)。

圖 5：1+1 備援電源供應器 (左) 透過 Class 2 備援模組連接到四個負載。(圖片來源：Siemens)

不斷電供應系統

備援電源可能實用，但在關鍵應用中還不足。若必須進行可追溯性和資料收集、重視安全性或需要不間斷作業時，就需要 Siemens 的 6EP41363AB002AY0 SITOP UPS 這類的 UPS。此 UPS 提供 24 V_DC 輸出，及高達 20 A 的電流。

儲能技術是選擇 UPS 時的關鍵問題之一。超級電容也稱為雙層電容，適用於短期備援電源需求，例如保存製程資料以及工業 PC 和其他裝置的排序關斷。具有長使用壽命，可提供高達 20 kW 的備援電源。例如，Siemens 的 6EP19332EC41 型號電容儲能單元，可提供高達 2.5 kW 的備援電源。

關鍵通訊或製程操作需要長達數小時的時間，鉛酸和各種鋰離子化學機制可滿足此類較長的備援電源需求 (圖 6)。提供容量高達 38 Ah 的基本 DC UPS 電池模組。可以使用多重電池模組，提供數小時的備援時間。6EP19356MD31 DC UPS 電池模組採用免維護密封鉛酸電池，可提供高達 15 A 的電流和 2.5 Ah 的儲存容量。

圖 6：超級電容 (UPS5005 和 UPS501S) 可以提供短期備援電源 (左)，而電池 (UPS16090 和 BAT1600) 可以支援更長時間的備援電源運作 (右)。(圖片來源：Siemens)

結論

VSD/VFD 通常被認為是工業自動化的主力。然而，全面的工業自動化架構不只如此，還包括伺服驅動器、馬達和軟啟動／停止單元。工業自動化系統設計人員欲最佳化正常運作時間和可靠性時，也有多種直流電源架構可供選擇。