當地市電電網的波動可能引起六種電能質量問題，包括電壓浪涌、停電、頻率不穩定和噪聲。這些波動也可能源自每一個電動自動化設備的內部，從而讓問題更加復雜化。幸運的是，很多元器件可以解決這樣的電力一致性問題。這些電源和其他電源元器件可使機械發揮最佳性能，并防止機械對當地市電電網產生負面影響。

圖1：這款PULS CP系列單相電源安裝在工業自動化中常見的DIN導軌上。特性包括瞬態和電涌的高抗擾性與低電磁輻射、DC-OK繼電器觸點、20%輸出功率儲備(本文稍后介紹)以及極小的涌流沖擊。此外，經過特殊涂層處理的電源還可以執行有功功率因數校正或PFC功能。(圖片來源：EE World)

設備內部產生的電能質量問題主要有兩類：噪聲和諧波干擾。

電源中的電噪聲是指高頻電壓變化。高頻是相對的，但總是表示頻率遠高于系統交流頻率。從時域來看，交流電流應表現為平滑的正弦波。噪聲使波形變得參差不齊。

在機械的供電系統中總是會有一定的噪聲，這由導線的電阻引起。此類噪聲稱為熱噪聲，通常是可忽略不計的干擾。更明顯且潛在有害的噪聲是由局部負載(如焊機和電動機)引起。來自此類部件和系統的噪聲通常難以量化，并且最有可能導致受影響的設備子部件過熱、磨損，甚至失效。

電力諧波是頻率為系統交流頻率整數倍的電壓或電流干擾。這些干擾由整流器、計算機電源、日光燈和某些類型的變速電機等非線性負載引起。電流諧波往往大于電壓諧波，實際上往往驅動后者。

圖2：諧波波形是某些基本波形的頻率整數倍，(在電力系統中)可與基本波形相結合并引起問題。諧波通常源自某些電力負載或機械連接件內(圖片來源：Design World)。

這些電力諧波(由于它們引起發熱的方式)會顯著降低電機的效率并縮短其壽命。它們還可能導致電機機械輸出的振動和轉矩脈動，從而縮短集成在電機中的動力傳輸子部件(特別是軸支撐軸承)的壽命。

關鍵電力系統參數

電源的兩個重要規格包括功率因數和保持時間。 功率因數是一個無量綱比值，用來描述交流系統中有功功率與視在功率之間的差異。視在功率是有功功率和無功功率的組合。無功功率是依次從網絡中提取、暫時儲存，然后在不消耗的情況下返回。這通常由感性或容性負載引起，會導致電流和電壓異相。無功功率會增加配電系統的負荷、降低電能質量，并導致能源費用增加。 理想情況下，系統的功率因數為1，意味著系統中沒有無功功率。功率因數低于0.95的設計會導致配電系統的負荷增加，并可能會發生無功電費。

圖3：圖中所示為Traco Power的TML 100C系列85-100W交流轉直流電源模塊。有功功率因數校正 (PFC) 確保功率因數優于0.95(對于230VAC)和0.99(對于115VAC)。(圖片來源：Traco Power)

保持時間是電源在斷電后可在其規定電壓范圍內持續供電的時長。請考慮一下不間斷電源 (UPS) 和發電機，這些是在停電和欠壓期間用于確保自動化操作連續性的備用電源類型。正如本文最后一節所詳述，UPS必須在任何重要時間段內供電。但根據UPS的設計，這些可能會在市電電力故障和UPS啟動供電之間引入高達25毫秒的延遲。

電源保持時間可以讓電源彌補這一差距，主要是利用存儲在電容器中的電能。事實上，由于開關模式電源的電容電壓更高，因此其保持時間往往比線性電源更長。

解決機器引起的電源問題

接地、隔離和濾波電源轉換器是高質量電源的基礎。

接地

正確接地對于電源正常工作必不可少。它提供基準電壓(由該電壓測量所有其他電壓)以及電流的返回路徑。

隔離

雖然非隔離電源的能效和緊湊性程度更高，但在輸入和輸出電壓之間進行隔離，則可防止部件發生故障時危險電壓傳遞到輸出。為了保護操作人員免受危險電壓傷害，或保護設備免受瞬變和驟升的影響，也可能需要隔離。

隔離的形式包括：

部件之間的物理隔離

電感耦合，通過變壓器(改變電源系統電壓的電源轉換器)

光耦合，最適合電源系統不同部分之間的信號傳輸，同時確保極高的隔離水平

圖4：電源經常用作電源轉換器，用于1) 改變交流電源的電壓或頻率，或2) 整流或以其他方式將交流轉換為直流。例如：這款來自Vicor Corp.的48-V 400-W交流轉直流脈沖頻率調制 (PFM) 轉換器集成了濾波和瞬態浪涌保護。提醒一下：Vicor集成適配器 (VIA) 轉換器僅接受經外部整流的正弦交流電源輸入，功率因數由該模塊維持。諧波符合IEC61000-3-2標準，內部濾波可滿足適用的浪涌和EMI要求。(圖片來源：Vicor Corp.)

電濾波器和浪涌抑制

浪涌抑制可消除瞬變和驟升，保護電氣設備免受這些過壓條件的影響。相比之下，電濾波器能平滑系統電壓以去除噪聲和諧波。或者考慮另一種在靠近使用點的自動化裝置中特別常見的電濾波器類型(LC濾波器)，來補充電機驅動器。LC濾波器是一種振蕩電路或諧振電路(也稱為調諧電路)，使用電感器L和電容器C來產生設定頻率的輸出。電機用LC濾波器的作用通常是將驅動器的矩形PWM輸出電壓轉換為低殘余紋波的平滑正弦波。其優點包括通過避免高dv/dt、過壓、過熱和渦電流損耗來延長電機壽命。

圖5：這是Schaffner EMC Inc.的LC正弦波濾波器，用于幫助電機驅動器將平滑的正弦波傳送到所連接的電機繞組，而不產生電壓峰值。該濾波器還允許安裝較長的電機電纜。(圖片來源：Schaffner EMC Inc.)

浪涌保護器的工作原理是對電流進行阻斷或短路，或組合浪涌阻斷和短路措施。

阻斷浪涌保護

電流可以采用電感器進行阻斷，電感器可抑制電流的突然變化。但是，大多數浪涌保護器會在發生過壓時產生短路，從而將電流引回配電線路中，并在那里由電路導線中的電阻進行耗散。

短路浪涌保護

快速短路(當電壓超過設定水平時觸發)是用火花隙、放電管或半導體器件來實現。只有在極少情況下(大浪涌或非常長的浪涌期間)，浪涌會熔化浪涌保護器的電源線或內部元器件。電容器也可以抑制電壓的突然變化。 浪涌保護器的主要規格包括箝位電壓、響應時間和額定能量。箝位電壓又稱為允通電壓，是允許通過浪涌保護器的最大電壓。120V器件的典型箝位電壓為220V。額定能量(通常以焦耳為單位)是浪涌保護器內的元器件在燒毀失效前所能吸收的最大功率。

對于浪涌保護器而言，一個經常被忽視的重要規格是當浪涌保護器發生故障時會發生什么。如果浪涌超過保護器的額定能量，并且內部子部件發生故障，該保護器將不能再提供浪涌保護。但這并不意味著斷電：一些浪涌保護器在發生故障后會繼續供電，比如一些設計用來保護服務器或其他電子存儲器的浪涌保護器。若不能再提供浪涌保護，唯一指示可能是警示燈。其他浪涌保護器確實會在失效時切斷電源或減少電力傳輸。

關鍵應用中UPS輔助發電機

UPS和發電機可提供備用電源，確保在停電和欠壓期間操作的連續性。UPS使用電池，通常設計為提供幾分鐘到幾小時的電力。發電機使用發動機長時間發電，直至燃料用盡。 UPS能即時對停電進行響應，確保供電不中斷。而發電機的啟動時間至少為幾秒鐘。對于需要連續供電的應用，必須將UPS與發電機相結合，以便在發電機啟動時能實現供電。

圖6：該24 VDC 5A不間斷電源 (UPS) 安裝在DIN導軌上，滿載時可提供長達25分鐘的備用電源。(圖片來源：Phoenix Contact)

UPS保護設備不受斷電影響。離線或電壓和頻率依賴型UPS性價比最高，但有兩大不足：

在正常情況下，離線UPS將電流直接經過蓄電池傳遞到輸出。當UPS電路檢測到斷電時，開關通過逆變器將電池連接到輸出。這意味著電源可能中斷多達25毫秒。

此外，離線UPS也很少或根本不能對其他電能質量問題(如浪涌和噪聲)提供保護。

相比之下，線路互動式或電壓獨立 (VI) UPS的工作原理與電壓和頻率依賴型UPS基本相同，但前者額外配有穩壓器，可在正常操作下提高電源輸出質量。此類系統仍有一段斷電切換時間，但通常只有5毫秒左右，與大多數電源的保持時間相當。

在線UPS又稱電壓和頻率獨立型UPS，使電源的復雜程度進一步提高，以提供最大的保護。在UPS中，負載不直接連接到市電電源，而總是從系統電池汲取電力，電池則由市電電源持續充電。市電交流電源轉換為電池電壓并整流為直流，從而可以為電池充電。然后，來自電池的電力經過逆變以產生交流電，并由另一個變壓器升壓到市電電壓。這意味著電源中的電能質量問題不會影響輸出，并且提供非常高的電能質量和保護水平。但是，這也導致能源效率大幅降低，且前期的UPS成本更高。

除了最敏感和最關鍵的負載外，離線UPS結合具有足夠保持時間的電源是更好的選擇。

總結

在確定設計對電能質量的要求時，第一步是防止低品質市電、電噪聲和諧波造成的停機和維護成本。根據機器的設計和功能，這些要求有很大的不同。但是，一旦定義了這些參數，設計工程師就可以正確指定具有濾波、浪涌抑制、備用電源和電源調節功能的電源。這樣可以極大地提高自動化設備的可靠性。

原文標題：自動化系統如何獲得高質量的電能?答案內詳

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審核編輯：湯梓紅