工業(yè)供電電源的好壞對(duì)于工廠設(shè)備管理和裝置的正常、有效地運(yùn)行具有重要的影響力，因此工業(yè)電源的選擇與其他所有的工業(yè)控制系統(tǒng)的部件的選擇同樣重要。
目前，工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展日新月異，自動(dòng)控制系統(tǒng)的更新的周期也愈來愈短了。這一方面要求系統(tǒng)設(shè)計(jì)者更專注于新的自動(dòng)系統(tǒng)的發(fā)展和挑選,另一方面，電源生產(chǎn)廠家也必須提供更高質(zhì)量和滿足各種控制系統(tǒng)要求的工業(yè)電源，從而使系統(tǒng)設(shè)計(jì)者能放心地采用這些產(chǎn)品，提高系統(tǒng)的可靠性。
基于這個(gè)目的，這個(gè)講座將著重地講授如何選擇正確的工業(yè)電源，工業(yè)電源的基本原理及要求，同時(shí)對(duì)在生產(chǎn)實(shí)際中遇到的問題作了詳細(xì)的討論。
1 工業(yè)控制開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)
一般的工業(yè)控制開關(guān)電源按照其安裝的方法可以分成三類：插入式開關(guān)電源、平板式開關(guān)電源和導(dǎo)軌式開關(guān)電源。
? 插入式開關(guān)電源 是按照IP00的保護(hù)等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的, 主要用于安裝在已有外殼內(nèi)的單個(gè)供電電源的情況（如變頻器的內(nèi)部電源等）。這類設(shè)備對(duì)于外來異物和水的進(jìn)入不提供保護(hù)，同時(shí)也無抗沖擊和振動(dòng)的能力。因此在工業(yè)控制系統(tǒng)的領(lǐng)域里，這種形式的電源很少得到應(yīng)用，如圖1所示。
? 平板式開關(guān)電源 嚴(yán)格地講平板式開關(guān)電源需按照IP20的保護(hù)等級(jí)進(jìn)行設(shè)計(jì)的，通常來說， 具有這一保護(hù)等級(jí)的電源可以直接安裝在干燥的房間及控制箱里，并且可以確保對(duì)帶電部件的觸碰保護(hù)和防止直徑在12.5毫米（0.5英寸）以上的外來異物的進(jìn)入。 如有需要，電源設(shè)備可以被安裝在一個(gè)本身就能確保足夠保護(hù)的控制箱內(nèi)。同時(shí)平板式開關(guān)電源應(yīng)有一個(gè)堅(jiān)固支架能承受頻率范圍在10Hz~150Hz之間的2.3g的振動(dòng)（g為重力加速度）。在工業(yè)應(yīng)用，必須能承受加速度峰值在30g，持續(xù)時(shí)為18ms的沖擊的防護(hù)能力。平板式開關(guān)電源采用螺絲固定在背板的攻絲螺紋上，它必須保證通過測(cè)試的電源在控制箱內(nèi)完全安裝后，能夠被安全的運(yùn)輸至安裝地點(diǎn)而不會(huì)出現(xiàn)從安裝軌道上脫落的現(xiàn)象。
圖1 插入式開關(guān)電源
圖2 平板式開關(guān)電源
? 導(dǎo)軌式開關(guān)電源 導(dǎo)軌式開關(guān)電源與平板式開關(guān)電源相同，電源的外部采用IP20等級(jí)的罩殼。在安裝的技術(shù)上使用DIN標(biāo)準(zhǔn)的導(dǎo)規(guī)式的方法，這樣一來可即插即用，安裝在可移動(dòng)的家用電器上或者安裝在標(biāo)準(zhǔn)導(dǎo)軌上的工業(yè)控制柜里，完全滿足工業(yè)用電設(shè)施的供電安裝的需求。與一般的平板式開關(guān)電源相比較，具有安裝簡(jiǎn)單、可靠性強(qiáng)、散熱性能好及維修保養(yǎng)方便的優(yōu)點(diǎn)。隨著工業(yè)控制系統(tǒng)對(duì)電源要求越來越高的情況下， 導(dǎo)軌式開關(guān)電源將在工業(yè)領(lǐng)域里得到越來越廣泛的應(yīng)用。
圖3 導(dǎo)軌式開關(guān)電源(德國PULS電源公司產(chǎn)品)
*在本文中,所提到的電源均為導(dǎo)軌式開關(guān)電源
2 導(dǎo)軌式開關(guān)電源的電參數(shù)和防護(hù)要求
2.1 導(dǎo)軌式開關(guān)電源的電參數(shù)
衡量一個(gè)導(dǎo)軌式開關(guān)電源性能的好壞主要是由它的的輸入/輸出變量來決定的，為了更加便于理解，用圖4來說明。
圖4 電源技術(shù)數(shù)據(jù)參數(shù)分配
(1) 輸入端變量
Input voltage 輸入電壓
Frequency 工作頻率
Inrush current 突變電流(瞬間峰值電流)
Current consumption 耗電流
Input fuse 輸入保險(xiǎn)絲
Power factor 功率因數(shù)
Mains buffering 干線緩沖
Harmonic filter 諧波濾波器
PFC 功率因數(shù)校正
Primary grounding 初級(jí)端電源接地
(2) 輸出端變量
Output voltage 輸出電壓
Output current 輸出電流
Output fuse 輸出端保險(xiǎn)絲
Start-up delay 啟動(dòng)延遲時(shí)間
Control deviation 偏移控制
Rise time 脈沖響應(yīng)時(shí)間
Residual ripple 余紋波
Reverse voltage 反向電壓
Second grounding 次級(jí)端電源接地
(3) 工作環(huán)境條件
周圍溫度，濕度，海拔高度，振動(dòng)和沖擊強(qiáng)度。
2.2 導(dǎo)軌式開關(guān)電源的防護(hù)要求
除此而外，為了保證電源單元的工作安全，可用性及對(duì)人員的保護(hù)，電源具有不同的保護(hù)級(jí)別和安裝的要求。根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)的一些規(guī)定，電子設(shè)備（包括電源）的保護(hù)級(jí)別分為等級(jí)0，1，2和3。僅具備等級(jí)0的設(shè)備被禁止使用。導(dǎo)軌式開關(guān)電源單元通常被設(shè)計(jì)為符合保護(hù)級(jí)別I和II。
(1) 具備一級(jí)保護(hù)級(jí)別的設(shè)備
對(duì)于保護(hù)級(jí)別I的設(shè)備來說，電擊防護(hù)并非僅僅限制于基本的絕緣設(shè)施。此外，電源必須與設(shè)備的保護(hù)導(dǎo)體相連接，因此，即使是在絕緣設(shè)施發(fā)生問題時(shí)也不會(huì)有電壓降。此類設(shè)備都具有接地保護(hù)線（PE）。
導(dǎo)軌式開關(guān)電源一般符合一級(jí)保護(hù)級(jí)別。此類單元通常使用電源輸入端的PE連接線接地。電源單元通過導(dǎo)軌安裝適配器通電地連接到導(dǎo)軌上。如果安裝導(dǎo)軌已經(jīng)接地，則通過端點(diǎn)的PE連接并不再是必需的。
(2) 具備二級(jí)保護(hù)級(jí)別2的設(shè)備
對(duì)于保護(hù)級(jí)別II的設(shè)備來說，電擊防護(hù)除了有絕緣設(shè)施，還使用一種雙重或加強(qiáng)絕緣體。因?yàn)檫@種電源沒有與保護(hù)接地連接的可能性。為了安全起見，此類設(shè)備與安裝條件無關(guān)。借助良好的絕緣方案和非導(dǎo)體的外殼，一般二級(jí)保護(hù)級(jí)別設(shè)備的導(dǎo)軌開關(guān)式電源要采取很高的抗干擾措施，PULS公司的導(dǎo)軌式開關(guān)電源都采用一級(jí)保護(hù)級(jí)別的接地方式。
(3) 電隔離裝置
對(duì)于導(dǎo)軌式開關(guān)電源電隔離裝置是一個(gè)重要的要求，這在本質(zhì)上是由絕緣體，變壓器和一個(gè)設(shè)計(jì)合理的閉環(huán)控制電路決定的。具備電隔離裝置的電源在從設(shè)備輸入到輸出之間不存在電壓和電流的連接。在設(shè)計(jì)絕緣功能時(shí)，制造商的任務(wù)便是選擇一種合適的絕緣材料及提供足夠大的空隙。除其它參數(shù)外絕緣電壓和設(shè)備的最大安裝高度還取決于絕緣空隙大小的選擇。
(4) 安裝高度
依據(jù)DIN VDE 0110規(guī)范第一部分設(shè)計(jì)的電源適合安裝的最小海拔高度為2 000米（6 562英尺）。
(5) 安全隔離
如果一個(gè)供電回路的電壓與另一個(gè)的電壓無關(guān)的話，那么依據(jù)DIN VDE 0106 規(guī)范，101部分這2個(gè)供電回路是安全隔離的。 這涉及到絕緣措施的選擇，使用安全的變壓器以及完全的隔離裝置，其中包括利用光電耦合器進(jìn)行隔離的控制電路。PULS 所有的導(dǎo)軌開關(guān)電源 SilverLine強(qiáng)力型、MiniLine 迷你型和Dimension概念型電源都根據(jù)DIN VDE 0100-410，DIN VDE 0106-1010 和EN 61558-2-17規(guī)范進(jìn)行和通過了安全隔離的測(cè)試。德國 VDE 0555/EN 60742規(guī)范規(guī)定了隔離變壓器以及額定頻率超過500Hz的變壓器的電安全性指標(biāo)。由于這些電源被很安全地隔離，不再有必要為了符合DIN VDE 0551規(guī)范而使用昂貴的隔離變壓器。
2.3 導(dǎo)軌式開關(guān)電源輸出端接地的分析
輸出電壓端的接地裝置保證了直流電壓電路在接地發(fā)生故障情況下得到可靠的保護(hù)。避免由于接地故障引起對(duì)人員和機(jī)器的危險(xiǎn)發(fā)生。所謂接地故障是指一根電源線與地線可允許的連接，例如，由于導(dǎo)線絕層導(dǎo)致裸線和一個(gè)接地的外殼相接觸。
如圖5所示，當(dāng)接地故障發(fā)生在位于輸出端保險(xiǎn)絲的后面直接在負(fù)載電路中時(shí)，是非常危險(xiǎn)的。在這個(gè)區(qū)域里，如果發(fā)生雙重接地故障，這樣會(huì)導(dǎo)致在起動(dòng)開關(guān)位置的短路，從而引起機(jī)器的誤啟動(dòng)，發(fā)生人為的事故。
為了避免由于接地故障引起的誤動(dòng)作，可以通過在輸出端附加一個(gè)與地線相連的安全低電壓輸出接地來實(shí)現(xiàn)，如圖6所示。理想情況下，輸出電壓端的接地直接放在電源的輸出端上。在這種情況下，如果在輸出電回路某個(gè)位置出現(xiàn)非故意的接地故障，這樣非故意引起的接地故障會(huì)導(dǎo)致熔絲和輸出電壓負(fù)載回路的短路，進(jìn)而導(dǎo)致熔絲熔斷，啟動(dòng)繼電器不會(huì)發(fā)生誤動(dòng)作，操作人員和機(jī)器能夠得到安全上的保護(hù)。
圖5 電源輸出端無接地措施
圖6 電源輸出端帶有接地措施
圖7為根據(jù)德國標(biāo)準(zhǔn)0100-410規(guī)范的開關(guān)電源輸出電壓端的安全低電壓的接地連接到PE地線的方式。
圖7 電源輸出端接地與PE的連接方法
