Ha a tápegységet alulméretezzük, a szervo-meghajtó alacsony feszültség miatt hibát jelez, amint a tengely gyorsulni kezd. Ha pedig a visszanyert energiának nincs hova távoznia, a tengely lassulásakor túlfeszültség miatt hibát jelez.

E két meghibásodási mód között helyezkedik el egy négy számon alapuló méretezési eljárás: az alkalmazás által ténylegesen felvett folyamatos áram, a rövid ideig tartó impulzusok során felvett csúcsáram, a motor maximális fordulatszámánál szükséges kimeneti feszültség, valamint az a mennyiségű energia, amely a hajtáson keresztül visszakerül, amikor a terhelés lelassul.

Ez az útmutató mind a négy témakört végigveszi, egy valós hardveren végrehajtott, részletesen kidolgozott példával.

Célkitűzés

Határozza meg azt a folyamatos névleges áramerősséget, csúcsáram-terhelhetőséget, kimeneti feszültséget és regeneratív teljesítményt, amelyre egy egyenáramú tápegységnek szüksége van egy adott szervo-tengely megbízható működtetéséhez – anélkül, hogy olyan tartalékért fizetne, amelyet az alkalmazás soha nem fog kihasználni.

Milyen információkra van szükséged a megfelelő tápegység kiválasztása előtt?

Mielőtt bármit is méretre vágna, készítse elő a következőket:

• A szervo-meghajtó névleges folyamatos árama, csúcsárama és egyenáramú tápfeszültség-tartománya az adatlapja alapján.
• A motor nyomatékállandója (Kt) és ellen-EMF-állandója (Ke).
• Az alkalmazás mozgásprofilja: az egyes fázisok – gyorsulás, állandó sebességű haladás, lassulás és várakozás – nyomatéka és időtartama.
• A motor tengelyére ható teljes tehetetlenség, beleértve a terhelést is, a hajtómű- vagy szíjátviteli arány figyelembevételével korrigálva.
• Függetlenül attól, hogy a tengely jelentős tehetetlenséget vagy nagy terhelést lassít-e le. A függőleges tengelyek, a gyors pozicionálás és a nagy forgó tömegek miatt a regeneratív fékezés nem csupán mellékes szempont, hanem az egyik legfontosabb tervezési tényező.

Hogyan osztják meg a munkát a hajtás és az ellátás

Az egyenáramú tápfeszültség-bemenetre épülő szervohajtások – köztük az AMC AxCent™, DigiFlex® Performance™ és FlexPro® termékcsaládjai – nem egyenirányítják a háromfázisú hálózati áramot a készüléken belül. A tápegység egy különálló, külön megadott alkatrész.

A hajtás műszaki adatlapja megadja az egyenáramú tápfeszültség tartományát (például 10–80 VDC az AMC számos kompakt szervohajtása esetében) és a folyamatos, illetve csúcsáram-értékeket; a tápegység feladata, hogy a feszültséget ezen a tartományon belül tartsa, miközben biztosítja az alkalmazás számára szükséges áramot, beleértve a lassítás során visszatérő áramot is.

Két ellátási architektúra fedi le ennek a területnek a nagy részét, és a kettő közötti választás valódi kompromisszumot jelent.

Az alábbi lépések segítségével megállapítható, melyik a megfelelő.

1. lépés — A folyamatos áramigény meghatározása

A tápegység névleges folyamatos áramerősségének ki kell elégítenie az alkalmazás által egy teljes mozgási ciklus során felvett RMS-áramot – nem pedig a hajtás névleges folyamatos áramerősségét, amely csak akkor egyezik meg ezzel az értékkel, ha az alkalmazás a hajtást teljes névleges teljesítményén üzemelteti. 

Az AMC saját szervomotor-méretezési útmutatója az RMS-módszert alkalmazza a motor nyomatékának meghatározásához; ugyanez a módszer közvetlenül alkalmazható az áramra is.

IRMS = √[ (I12t1 + I22t2 + … + In2tn) / (t1 + t2 + … + tn) ]

In = az n-edik mozgási szakaszban áramló áram (A); tn = az n-edik szakasz időtartama (s)

Vegyünk egy egytengelyes forgócsuklót, amelyet egy kefe nélküli szervomotor hajt meg, ahol Kt = Ke = 0,09 N·m/A (kb. 9,4 V/kRPM), teljes visszaverődő tehetetlensége 2,0×10⁻⁴ kg·m², és maximális fordulatszáma 5 000 RPM (523,6 rad/s). A mozgásprofil: gyorsulás 1,4 N·m-es nyomatékkal, menet 0,35 N·m-es nyomatékkal, lassítás 1,4 N·m-es nyomatékkal, majd várakozás.

1,4 N·m és 2,0×10⁻⁴ kg·m² értékek mellett a szöggyorsulás 7 000 rad/s², így a nyugalmi állapotból 523,6 rad/s eléréséhez 75 ms szükséges — és ugyanennyi időre van szükség a lassításhoz is. Ha ehhez hozzáadunk egy 150 ms-os futási szakaszt és egy 400 ms-os várakozási időt, a ciklus hossza 700 ms-ra, azaz körülbelül 1,4 Hz-re nő.

A nyomaték árammá történő átváltása az I = T/Kt képlet segítségével: 15,6 A gyorsítás és lassítás közben, 3,9 A menet közben, 0 A állás közben.

IRMS = √[(15,6² × 0,075 + 3,9² × 0,15 + 15,6² × 0,075) / 0,7] ≈ 7,4 A

Ezt a 7,4 A-t – nem pedig a meghajtó 10 A-es folyamatos névleges áramát – kell fedeznie a tápegység folyamatos névleges áramának.

2. lépés — A csúcsáram-igény meghatározása

A csúcsáram a profilban előforduló legnagyobb pillanatnyi áramérték – jelen esetben a gyorsítás és lassítás során mért 15,6 A. A folyamatos árammal ellentétben a tápegységnek nem kell ezt a csúcsáramot végtelenül biztosítania: az AMC DigiFlex® Performance™ hajtásai a terhelés alapján korlátozzák a csúcsáramot, megengedve azt egy korlátozott időtartamra, mielőtt visszatérnének a folyamatos névleges értékre (lásd az AMC 003. alkalmazási megjegyzését, Csúcsáram-visszaállás). A tápegységnek viszont elegendő tartalékra van szüksége ahhoz, hogy a buszfeszültség ne esjen le ezen az időtartam alatt – a túl kicsi tápegység-impedancia vagy a kábelhossz a csúcsterhelés alatt a buszfeszültség csökkenését okozza, még akkor is, ha a névleges áram technikailag rendelkezésre áll, és a hajtás a csökkenő buszfeszültséget alacsony feszültségként értelmezi.

Az AMC saját hajtásválasztási útmutatója szerint a hajtás és a tápegység esetében egyaránt legalább 25%-vel nagyobb áramerősség-kapacitásra van szükség, mint amennyit az alkalmazás várhatóan felvesz. A 7,4 A-es folyamatos és a 15,6 A-es csúcsáram mellett egy 10 A / 20 A névleges teljesítményű hajtás — az AMC DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 — 35%, illetve 28% tartalékkal könnyedén megfelel ennek a követelménynek.

3. lépés — A kimeneti feszültség kiválasztása

A kimeneti feszültséget a motor maximális fordulatszámon fellépő ellen-EMF határozza meg, nem pedig a hajtás névleges maximuma. Ahogy a motor gyorsabban forog, az általa generált feszültség lineárisan növekszik a fordulatszámmal; a tápfeszültségnek elegendő tartalékkal e feszültség felett kell maradnia ahhoz, hogy a hajtás áramhurka továbbra is szabályozni tudja az áramot, különben a tengely pont ott veszíti el a nyomatékot és a fordulatszám-szabályozási képességet, ahol az alkalmazásnak általában a legnagyobb szüksége van rá.

Vbemf,max = Ke × ωmax

Ke = ellen-EMF-állandó, V/(rad/s); ωmax = a motor maximális fordulatszáma, rad/s

A példában szereplő motor esetében: Vbemf,max = 0,09 × 523,6 = 47,1 V.

Az AMC hajtáskiválasztási útmutatója azt is előírja, hogy a tervezett üzemi feszültség és mind az alulfeszültségi, mind a túlfeszültségi határértékek között 25%-es tartalékot kell biztosítani. A háttér-EMF alsó határértékére alkalmazva: Vbus,min = 1,25 × 47,1 V ≈ 58,9 V. Egy 72 VDC-s tápegység — az AMC PS16H72, egy szabályozatlan, transzformátorral szigetelt modell, amelynek névleges folyamatos áramerőssége 11 A – meghaladja ezt az alsó határt 53% tartalékkal a nyers háttér-EMF felett, és kényelmesen belefér a DPRALTE-020B080 20–80 VDC névleges tartományába.

Ezzel azonban a meghajtó 80 V-os felső határértéke alatt már csak körülbelül 10%-es tartalék marad, és nem csupán az ellen-EMF emeli a buszfeszültséget. A lassítás is hozzájárul ehhez — és ez a következő probléma, amit figyelembe kell venni a méretezés során.

4. lépés — A megújuló energia méretezése

Minden lassulási esemény során a terhelés mozgási energiája visszakerül a hajtáson keresztül az egyenáramú gyűjtővezetékbe. A szabályozatlan tápfeszültségnek nincs útja ennek elnyelésére – nem arra lett kialakítva, hogy visszaáramot vezessen el –, így mivel ennek az energiának nincs hova mennie, a buszfeszültség emelkedik, amíg a hajtás túlfeszültség miatt meghibásodik, vagy a legrosszabb esetben a buszkondenzátorok túlterhelődnek.

Eregen = 0,5 × Jösszesen × (ωi2 − ωf2)

Jtotal = a motor tengelyére ható tehetetlenség, kg·m²; ωi, ωf = a lassítás előtti és utáni szögsebesség, rad/s

A példában szereplő tengely esetében, 523,6 rad/s-ról nyugalmi állapotra történő lassulás esetén: Eregen = 0,5 × 2,0×10⁻⁴ × 523,6² ≈ 27,4 J eseményenként.

A profil 1,4 Hz-es ciklusfrekvenciájánál ez körülbelül 39 W átlagos visszatáplált teljesítményt jelent (27,4 J × 1,4 esemény/s). Egy olyan shunt-szabályozó, amelyet nem csupán a pillanatnyi csúcsértékre, hanem erre az átlagértékre méreteztek, az, amire egy ellenállás-alapú megoldásnak valójában szüksége van a folyamatos működéshez.

Az AMC SRST80 shunt szabályozója 80 VDC-n stabilizálódik — ami megegyezik a DPRALTE-020B080 névleges maximális feszültségével —, és 95 W folyamatos hőelvezetési teljesítményre van méretezve. A példában szereplő 39 W-os átlagos terhelés ennek a kapacitásnak jóval kevesebb mint a felét használja fel, így tartalék marad a névleges tervezési esetnél gyorsabb ciklusváltáshoz vagy nagyobb tehetetlenséghez.

Ez egyben a 3. lépésben jelentkező feszültségtartalék-hiány elleni valódi védelmet is jelenti: a shunt-szabályozó a busz feszültségét egy ismert értékre korlátozza, mielőtt az elérné a hajtás túlfeszültségi határértékét, ahelyett, hogy kizárólag a feszültségtartalékra támaszkodna.

5. lépés — Az áramellátás szabályozásának az alkalmazáshoz való igazítása

A szabályozatlan tápfeszültség és egy külső shunt-szabályozó – a fenti PS16H72/SRST80 párosítás – gyakori, költséghatékony kombináció az egy- vagy kevés tengelyes gépek esetében, ahol a regenerációs profil korlátozott és előre jelezhető. Kimeneti feszültsége azonban változik a terhelés és a bemeneti hálózati feszültség függvényében: egy 10% magas hálózati feszültség a busz 10% feszültségét még a regeneráció megfontolása előtt magasabbra emeli, és ezt be kell építeni a 3. lépésben végzett feszültségtartalék-ellenőrzésbe, nem pedig külön tartalékként kell kezelni.

Egy szabályozott tápegység, mint például az AMC PFC2400W375 modellje, a terhelés és a hálózati feszültség ingadozásai mellett is lényegében állandó kimeneti feszültséget biztosít, míg a beépített shunt-szabályozója és a teljesítménytényező-korrekciója külön alkatrész hozzáadása nélkül elnyeli a visszatáplálási jeleket és csökkenti a bemeneti áram harmonikus torzításait. Ez a képesség többe kerül, és olyan összetettséget jelent, amelyre a legtöbb egytengelyes alkalmazásnak nincs szüksége. Akkor éri meg a befektetést, ha a hálózati feszültségingadozás nagy, ha több tengely osztozik egy buszon, és regenerációs eseményeik átfedhetnek egymást, vagy ha a harmonikus tartalom befolyásolja a létesítmény áramminőségét.

A tápegység és a hajtás között futó kábelek csúcsáram mellett saját feszültségesést okoznak; a hosszú vagy alulméretezett vezetékek ugyanolyan közvetlenül rontják a fentebb kiszámított biztonsági tartalékokat, mint az alulméretezett tápegység.

6. lépés — A bekapcsolási áram és a közös busz terhelésének ellenőrzése

A DC-busz kapacitása bekapcsoláskor alacsony impedanciájú terhelést jelent; az első indítás előtt – és ne csak akkor, amikor a gyárterületen már kioldott a megszakító – ellenőrizze a tápegység bekapcsolási áram-kezelési képességét, vagy szereljen be egy előtöltő áramkört.

Ha több hajtás osztozik egy tápforráson, a folyamatos áramot az egyes tengelyek RMS-igényének összege alapján kell meghatározni – erre nincs egyszerűbb módszer. A csúcsáram inkább az alkalmazástól függ: a csúcsértékek összege alapján kell meghatározni, kivéve, ha a mozgássorozat ellenőrzése kizárja az egyidejű gyorsulást; ebben az esetben egyes tervezések diverzitási tényezőt alkalmaznak – ez mérlegelési kérdés, nem pedig alapértelmezett feltételezés.

Ellenőrzés

Biztonság: A feszültség alatt álló egyenáramú gyűjtősín vizsgálatakor a szokásos gyűjtősín-feszültségcsökkentési és lezárási/jelölési óvintézkedéseket kell betartani. Az érintés előtt győződjön meg arról, hogy a gyűjtősín feszültsége a hajtás hardver-kézikönyvében megadott biztonságos határok között van.

A gyártás megkezdése előtt ellenőrizze a méretezést a tesztpadon. Mérje meg a hajtás kapcsain az egyenáramú buszfeszültséget a legrosszabb esetben fellépő csúcsáram-esemény során – ennek biztonsági tartalékkal a hajtás minimális névleges feszültsége felett kell maradnia. Mérje meg újra a maximális vezérelt sebesség mellett terhelés alatt, hogy megbizonyosodjon arról, hogy az ellen-EMF tartalék a gyakorlatban is megmarad, és nem csak elméletben. Ha a tervben shunt-szabályozó szerepel, figyelje annak kitöltési arányát vagy a ház hőmérsékletét reprezentatív folyamatos üzemmód alatt; ha a szabályozó túlmelegszik vagy szinte folyamatosan működik, az azt jelzi, hogy a regeneratív fékezés számítását felül kell vizsgálni.

Hibakeresés túl kicsi vagy nem megfelelő tápegységek esetén

A hibajelek egy konkrét méretezési lépésre utalnak:

Az AMC hardver és a számok összehangolása

A fenti példában három valódi, egymással kompatibilis AMC alkatrész szerepel: egy DigiFlex® Performance™ DPRALTE-020B080 szervohajtás (10 A folyamatos / 20 A csúcsáram, 20–80 VDC), egy szabályozatlan PS16H72 tápegység (72 VDC, 11 A folyamatos, transzformátoros szigetelésű) és egy SRST80 shunt-szabályozót (80 VDC feszültségkorlátozás, 95 W folyamatos hőelvezetés). A számításban szereplő minden szám egy valós adatlapon szereplő specifikációhoz tartozik – a méretezési eljárás megbízhatósága kizárólag ezen ellenőrzésen múlik.

A nagyobb teljesítményű vagy többtengelyes rendszerek esetében, ahol a hálózati feszültségingadozások vagy az egymást átfedő regeneratív folyamatok valódi problémát jelentenek, az AMC PFC2400W375 — egy szabályozott, teljesítménytényező-korrigált tápegység beépített shunt-szabályozóval, 375 VDC névleges feszültséggel és 2,4 kW folyamatos teljesítménnyel — olyan eseteket fedez le, amikor a szabályozatlan tápegységek kompromisszumai már nem elfogadhatók. A két megoldás közül való választás attól függ, hogy az 5. lépésben felsorolt kompromisszumok közül melyik illeszkedik legjobban az adott alkalmazáshoz.

Következtetés

A szervohajtás tápegységének méretezése négy szempont figyelembevételén múlik: a folyamatos áram, a csúcsáram, a hátrameneti elektromotoros erővel szembeni feszültségtartalék, valamint a visszanyert energia elvezetésének módja – ezeket a hajtás névleges maximális értékei helyett a műszaki adatlapban szereplő tényleges értékek alapján kell ellenőrizni. Ha a négy közül bármelyiket figyelmen kívül hagyjuk, a tápegység lesz az első, ami meghibásodik.