אם הספק החשמל והמנוע הסרוו יהיו בעלי הספק נמוך מדי, הם יכנסו למצב תקלה עקב מתח נמוך ברגע שהציר יאיץ. אם לא יהיה לאן לנתב את האנרגיה הרגנרטיבית, הם יכנסו למצב תקלה עקב מתח גבוה ברגע שהציר יאט.

בין שני מצבי הכשל הללו נמצא תהליך חישוב המבוסס על ארבעה ערכים: הזרם הרציף שהיישום צורך בפועל, הזרם המרבי שהוא צורך בפרצי זמן קצרים, מתח היציאה שהמנוע זקוק לו במהירות מרבית, והאנרגיה החוזרת דרך הממיר כאשר העומס מאט.

מדריך זה עובר על כל ארבעת הנושאים, כולל דוגמה מפורטת עם פתרון באמצעות חומרה אמיתית.

מטרה

יש לקבוע את ערך הזרם הרציף, את יכולת התמודדות עם זרם שיא, את מתח היציאה ואת יכולת ההחזרה האנרגטית הנדרשים מספק כוח DC כדי להפעיל באופן אמין ציר סרוו נתון — מבלי לשלם עבור מרווח ביטחון שהיישום לעולם לא ינצל.

אילו פרטים עליך לדעת לפני שתבחר את ספק הכוח המתאים?

לפני שתמדדו כל דבר, הכינו את הדברים הבאים:

• הזרם הרציף המדורג, הזרם השיא וטווח מתח האספקה של זרם ישר של מנוע הסרוו, כפי שמופיע בגיליון הנתונים שלו.
• קבוע המומנט (Kt) של המנוע וקבוע הכוח האלקטרומגנטי הנגדי (Ke).
• פרופיל התנועה של היישום: המומנט ומשך הזמן של כל שלב — האצה, נסיעה במהירות קבועה, האטה ועצירה.
• האינרציה הכוללת המוחזרת אל פיר המנוע, כולל העומס, לאחר תיקון בהתאם ליחס ההעברה של ההילוכים או הרצועות.
• בין אם הציר מאט אינרציה משמעותית ובין אם הוא נושא עומס כבד. צירים אנכיים, אינדקסציה מהירה ומסות מסתובבות גדולות הופכים את הרגנרציה לגורם תכנון מרכזי ולא רק להערה שולית.

כיצד הכונן וההיצע מחלקים ביניהם את העבודה

מנגנוני סרוו המבוססים על כניסת מתח אספקה זרם ישר — ובכללם סדרות AxCent™, DigiFlex® Performance™ ו-FlexPro® של AMC — אינם מיישרים את זרם הרשת התלת-פאזי בלוח. ספק הכוח הוא רכיב נפרד, המפורט במפרט נפרד.

בגיליון הנתונים של המנוע מצוין טווח מתח אספקה DC (למשל, 10–80 וולט DC עבור רבים ממנועי הסרוו הקומפקטיים של AMC) וכן ערכי זרם רציף ושיא; תפקידו של ספק הכוח הוא לשמור על המתח בתוך טווח זה, תוך אספקת הזרם הדרוש ליישום, כולל הזרם המוחזר במהלך ההאטה.

שתי ארכיטקטורות אספקה מכסות את מרבית התחום הזה, והבחירה ביניהן כרוכה בפשרה של ממש.

השלבים שלהלן יקבעו איזה מהם מתאים.

שלב 1 — קביעת דרישת הזרם הרציף

הזרם הרציף המדורג של ספק הכוח חייב לכסות את הזרם ה-RMS שהיישום צורך לאורך מחזור תנועה מלא — ולא את הזרם הרציף המדורג של המנוע, אשר תואם לערך זה רק אם היישום מפעיל את המנוע בעוצמה המדורגת המלאה שלו. 

ההנחיות של AMC עצמה לקביעת גודל מנוע סרוו משתמשות בשיטת RMS לקביעת מומנט המנוע; אותה שיטה חלה באופן ישיר גם על הזרם.

אניRMS = √[ (I12t1 + I22t2 + … + אנינ2tנ) / (t1 + t2 + … + tנ) ]

In = זרם במהלך קטע התנועה n (A); tn = משך הזמן של קטע n (s)

נבחן מפרק סיבובי חד-צירי המונע על ידי מנוע סרוו ללא מברשות עם Kt = Ke = 0.09 N·m/A (כ-9.4 וולט לכל kRPM), אינרציה מוחזרת כוללת של 2.0×10⁻⁴ kg·m², ומהירות מרבית של 5,000 RPM (523.6 rad/s). פרופיל התנועה: האצה ב-1.4 N·m, פעולה ב-0.35 N·m, האטה ב-1.4 N·m, ולאחר מכן השהייה.

בערך של 1.4 N·m מול 2.0×10⁻⁴ kg·m², התאוצה הזוויתית היא 7,000 rad/s², ולכן ההגעה ל-523.6 rad/s ממצב מנוחה אורכת 75 ms — וכך גם ההאטה. הוספת קטע ריצה של 150 מילי-שניות וקטעי המתנה של 400 מילי-שניות מביאה את משך המחזור ל-700 מילי-שניות, או כ-1.4 הרץ.

המרת המומנט לזרם באמצעות הנוסחה I = T/Kt: 15.6 A במהלך ההאצה וההאטה, 3.9 A במהלך קטע הנסיעה, 0 A במצב מנוחה.

IRMS = √[(15.6² × 0.075 + 3.9² × 0.15 + 15.6² × 0.075) / 0.7] ≈ 7.4 A

7.4 A אלה — ולא הערך הרציף של הכונן, העומד על 10 A — הם הערך שהספק הכוח צריך לכסות.

שלב 2 — קביעת ביקוש הזרם המרבי

זרם שיא הוא הזרם המיידי הגבוה ביותר בפרופיל — במקרה זה, 15.6 A במהלך האצה והאטה. בניגוד לזרם רציף, אין צורך שהספק יספק זרם שיא זה ללא הגבלת זמן: הכוננים DigiFlex® Performance™ של AMC מגבילים את זרם השיא על בסיס טעינה, ומאפשרים אותו לפרק זמן מוגבל לפני שהוא חוזר לערך הרציף (ראו הערת יישום 003 של AMC, התאוששות זרם שיא). מה שהספק אכן צריך הוא מרווח מספיק כדי שמתח האוטובוס לא יקרוס במהלך פרק זמן זה — עכבת ספק קטנה מדי או אורך כבלים ארוך מדי גורמים לשקיעת האוטובוס תחת עומס שיא, אפילו כאשר הזרם המדורג זמין מבחינה טכנית, והממיר מפרש אוטובוס שקוע כמתח נמוך מדי.

ההנחיות לבחירת המניע של AMC עצמה דורשות קיבולת זרם גבוהה ב-25% לפחות מהזרם שהיישום צפוי לצרוך, הן במניע והן באספקת החשמל. בהשוואה לזרם רציף של 7.4 A וזרם שיא של 15.6 A, מניע המדורג ב-10 A / 20 A — DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 של AMC — עומד בדרישה זו עם מרווח של 35% ו-28%, בהתאמה.

שלב 3 — בחירת מתח היציאה

מתח היציאה נקבע על ידי הכוח האלקטרומוגנטי הנגדי (back-EMF) של המנוע במהירות מרבית, ולא על ידי הערך המרבי המדורג של המניע. ככל שהמנוע מסתובב מהר יותר, המתח שהוא מייצר עולה באופן ליניארי עם המהירות; על מתח האספקה להישאר מעל מתח זה במרווח מספיק כדי שלולאת הזרם של המנוע ימשיך לווסת את הזרם, אחרת הציר מאבד את המומנט ואת השליטה במהירות בדיוק בנקודה שבה היישום בדרך כלל זקוק לכך ביותר.

Vbemf,max = Ke × ωמקס

Ke = קבוע הכוח האלקטרומגנטי הנגדי, V/(rad/s); ωmax = מהירות המנוע המרבית, rad/s

עבור המנוע בדוגמה: Vbemf,max = 0.09 × 523.6 = 47.1 וולט.

ההנחיות של AMC לבחירת הכונן דורשות גם מרווח של 25% בין מתח ההפעלה המיועד לבין גבולות מתח נמוך ומתח גבוה כאחד. בהתייחס לרצפת ה-EMF הנגדי: Vbus,min = 1.25 × 47.1 V ≈ 58.9 V. ספק כוח של 72 VDC — דגם PS16H72 של AMC, דגם לא מוסדר, מבודד באמצעות שנאי, המדורג ל-11 A רציף — עומד בדרישת הרף התחתון עם מרווח של 53% מעל ה-back-EMF הגולמי, ונמצא בנוחות בתוך טווח הדירוג של 20–80 VDC של ה-DPRALTE-020B080.

עם זאת, זה מותיר מרווח של כ-10% בלבד מתחת לתקרת ה-80 וולט של הכונן, וה-EMF הנגדי אינו הגורם היחיד שמגביר את מתח האוטובוס. גם האטה גורמת לכך — וזו הבעיה הבאה שיש לקחת בחשבון בעת תכנון.

שלב 4 — התאמת הגודל לצורכי אנרגיה מתחדשת

כל אירוע של האטה מחזיר את האנרגיה הקינטית של העומס דרך המניע אל אוטובוס ה-DC. לאספקה לא מוסדרת אין דרך לספוג אותה — היא לא בנויה לניקוז זרם הפוך — ולכן, ללא מקום שאליו האנרגיה הזו תוכל לזרום, מתח האוטובוס עולה עד שהממיר נכנס למצב תקלה עקב מתח יתר או, במקרה הגרוע ביותר, הקבלים של האוטובוס נתונים לעומס יתר.

הregen = 0.5 × Jסה"כ × (ωאני2 − ωf2)

Jtotal = מומנט האינרציה המוחזר לפיר המנוע, ק"ג·מ"ר; ωi, ωf = מהירות זוויתית לפני ואחרי ההאטה, רד/שנייה

לציר הדוגמה, בהאטה מ-523.6 רד/שנייה למצב מנוחה: Eregen = 0.5 × 2.0×10⁻⁴ × 523.6² ≈ 27.4 J לכל אירוע.

בקצב מחזור של 1.4 הרץ של הפרופיל, הדבר מתורגם להספק רגנרטיבי ממוצע של כ-39 וואט (27.4 ג'ול × 1.4 אירועים בשנייה). ווסת שנט המותאם לממוצע זה — ולא רק לשיא המיידי — הוא מה שפתרון מבוסס נגדים באמת צריך כדי לתפקד ברציפות.

ווסת השנט SRST80 של AMC מוגבל ל-80 וולט DC — בהתאם לערך המרבי המדורג של ה-DPRALTE-020B080 — והוא מדורג לפי פיזור חום רציף של 95 וואט. העומס הממוצע של 39 וואט בדוגמה הנוכחית מנצל פחות ממחצית מהקיבולת הזו, מה שמותיר מרווח למחזורי פעולה מהירים יותר או לאינרציה גבוהה יותר מאשר במקרה התכנון הנומינלי.

זוהי גם ההגנה האמיתית מפני המחסור במרווח המתח בשלב 3: ווסת השנט מקבע את המתח באוטובוס לערך ידוע לפני שהוא מגיע לגבול המתח העודף של הכונן, במקום להסתמך על מרווח המתח בלבד.

שלב 5 — התאמת ויסות האספקה ליישום

מקור מתח לא מוסדר בשילוב עם ווסת שאנט חיצוני — הצמד PS16H72/SRST80 המוצג לעיל — הוא שילוב נפוץ וחסכוני עבור מכונות בעלות ציר אחד או מספר צירים מועט, עם פרופיל רגנרציה מוגבל וצפוי. עם זאת, הפלט שלו אכן משתנה בהתאם לעומס ולמתח קו הכניסה: מתח קו גבוה של 10% דוחף את האוטובוס 10% לרמה גבוהה יותר עוד לפני שנשקלת אפילו אפשרות של רגנרציה, ויש לקחת זאת בחשבון בבדיקת מרווח המתח בשלב 3, ולא להתייחס אליו כאל מרווח נפרד.

ספק כוח מוסדר, כגון ה-PFC2400W375 של AMC, שומר על מתח יציאה יציב כמעט לחלוטין גם בשינויים בעומס ובקו החשמל, והווסת השונט המובנה בו ותיקון מקדם ההספק סופגים את האנרגיה המוחזרת ומפחיתים את ההרמוניות בזרם הכניסה מבלי להוסיף רכיב נפרד. יכולת זו כרוכה בעלות נוספת ומוסיפה מורכבות שרוב היישומים החד-צירים אינם זקוקים לה. היא מצדיקה את עצמה כאשר תנודות המתח בקו רחבות, כאשר צירים מרובים חולקים אוטובוס אחד ואירועי הרגנרציה שלהם עלולים לחפוף, או כאשר תכולת ההרמוניות משפיעה על איכות החשמל במתקן.

כבלים המונחים בין ספק הכוח למנוע גורמים לירידת מתח משלהם בעת זרם שיא; כבלים ארוכים או בעלי חתך קטן מדי פוגעים במרווחים שחושבו לעיל באותה מידה כמו ספק כוח בעל חתך קטן מדי.

שלב 6 — בדיקת זרם ההפעלה ועומס האוטובוס המשותף

קיבוליות אוטובוס הזרם הישר מהווה עומס בעל עכבה נמוכה בעת ההפעלה; יש לוודא את יכולת ההתמודדות של ספק הכוח עם זרם ההפעלה — או להוסיף מעגל טעינה מקדימה — לפני ההפעלה הראשונה, ולא לאחר שמפסק החשמל במפעל יקפוץ.

כאשר מספר מנועים חולקים מקור כוח אחד, יש לקבוע את עוצמת הזרם הרציף כסכום דרישת ה-RMS של כל ציר — בחלק זה אין קיצורי דרך. הזרם השיא תלוי יותר ביישום הספציפי: יש לקבוע את עוצמת הזרם השיא על פי סכום הערכים השיאיים, אלא אם כן כללי רצף התנועה מאשרים כי האצה בו-זמנית אינה מתאפשרת; במקרה כזה, בתכנונים מסוימים מיישמים "מקדם גיוון" — זו החלטה שיקולית, ולא הנחה ברירת מחדל.

אימות

בטיחות: בעת בדיקת אוטובוס זרם ישר תחת מתח, יש לנקוט באמצעי הזהירות הסטנדרטיים לפריקת אוטובוס ולנעילה/תיוג. יש לוודא כי מתח האוטובוס נמצא בגבולות הבטיחות לפני יצירת מגע, בהתאם להוראות המדריך לחומרה של המנוע.

יש לאמת את המידות על ספסל הבדיקה לפני המעבר לייצור. יש למדוד את מתח האוטובוס DC במסופי המנוע במהלך אירוע זרם השיא בתרחיש הגרוע ביותר — המתח צריך להישאר מעל המתח המדורג המינימלי של המנוע עם מרווח ביטחון. מדדו אותו שוב במהירות המרבית שנקבעה תחת עומס, כדי לאשר שמרווח ה-back-EMF עומד במבחן המעשי, ולא רק על הנייר. אם התכנון כולל ווסת שנט, עקבו אחר מחזור הפעולה שלו או טמפרטורת המארז במהלך פעולה רציפה טיפוסית; ווסת שמתחמם או פועל כמעט ברציפות מצביע על הצורך לבחון מחדש את חישוב הרגנרציה.

פתרון בעיות הקשורות לאביזרים קטנים מדי או שאינם תואמים

סימני השגיאה מצביעים על שלב מסוים בתהליך קביעת הגודל:

התאמת חומרת AMC למספרים

בדוגמה המעשית שלעיל נעשה שימוש בשלושה רכיבים אמיתיים ותואמים של AMC: מנוע סרוו DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 (10 A רציף / 20 A שיא, 20–80 VDC), ספק כוח PS16H72 לא מוסדר (72 וולט DC, 11 אמפר רציף, מבודד באמצעות שנאי), וווסת שנט SRST80 (הגבלת מתח של 80 וולט DC, פיזור חום רציף של 95 וואט). כל מספר בחישוב מתאים למפרט המופיע בגיליון נתונים אמיתי — אמינות תהליך קביעת המידות תלויה אך ורק באמינות אימות זה.

במערכות בעלות הספק גבוה או רב-ציר, שבהן תנודות בקו החשמל או אירועי רגנרציה חופפים מהווים בעיה של ממש, ה-PFC2400W375 של AMC — ספק כוח מוסדר עם תיקון גורם הספק (PFC) ורגולטור שנט מובנה, המדורג ל-375 וולט DC בהספק רציף של 2.4 קילוואט — מתאים למקרים שבהם הפשרות הכרוכות בשימוש בספק כוח לא מוסדר כבר אינן מקובלות. הבחירה בין השניים מסתכמת בשאלה איזו מערכת של פשרות משלב 5 מתאימה ליישום שלפניכם.

סיכום

קביעת הגודל הנדרש של ספק הכוח למניע סרוו מסתכמת בארבע בדיקות — זרם רציף, זרם שיא, מרווח מתח מעל כוח אלקטרומוגנטי נגדי (back-EMF), והיכן מנותבת האנרגיה הרגנרטיבית — שיש לבצען בהשוואה לנתונים המופיעים בדף הנתונים בפועל, ולא לערכים המרביים המדורגים של המניע. אם מדלגים על אחת מארבע הבדיקות הללו, ספק הכוח יהפוך למרכיב הראשון שייכשל.