Power Supply for Servo Applications

서보 작동에는 안정적이고 단순하며 가장 중요한 것은 '순간적인' 고전력 수요를 전달할 수 있고 모터(4사분면)에서 전력을 '전도'할 수 있는 전압 소스가 필요합니다.

또한 전원 공급 장치는 전압 불안정, 높은 스파이크, 과도 전류, 버스트, EMI, 높은 기계적 진동 및 기계적 충격, 극한의 온도 및 높은 습도 등의 '열악한' 작동 환경을 견뎌야 합니다.

서보 애플리케이션의 전력 소비 동작에는 순간적으로 높은 전력 피크가 필요한 가속 및 선언이 많은 반면, 필요한 평균 전력은 상당히 낮습니다.

전원 공급 장치에는 두 가지 주요 "기능적 서보" 작업이 있습니다:

1. 서보 드라이브에 전원을 공급하는 데 필요한 DC 버스 전압을 공급합니다.
2. 모터 및 기계적 부하에서 회생/제동 전력을 '흡수'하기 위해.

서보 전원 공급 장치의 기능

• 서보 시스템 요구 사항을 충족하는 데 필요한 전압을 충족하도록 설계된 DC 버스 소스를 생성합니다.
• 기계적 부하의 순간적 피크와 평균을 구동하기에 충분한 전력을 공급할 수 있어야 합니다.
• 합리적인 전압 안정성. 필요한 속도와 토크를 달성하기 위한 최소 전압 요건을 충족하는 것만 신경 쓰면 됩니다.
• 전압 변동 제한 및 제어. 서보 드라이브의 최대 전압 제한을 초과하지 않도록 합니다.
• 양방향 에너지 흐름. 서보 작동에서는 전원 공급 장치가 부하에 전력을 공급하고 부하에서 전력을 흡수할 수 있어야 합니다.
• 고주파 전력 처리. 서보 드라이브의 작동은 DC 버스에 PWM 고주파 전류를 흐르게 합니다. 이러한 전류는 전원 공급 장치에서 흡수하고 적절히 필터링해야 합니다.

환경 요구 사항:

• 안전 표준
• EMC, 내성 및 방출
• 돌입 전류 제어
• 환경 요건 충족(진동, 온도, 습도 등)

위의 사항을 충족하려면 서보용 전원 공급 장치가 필요합니다:

• 입력된 AC 전압을 DC 버스 전압으로 정류합니다.
• 서보 시스템의 지속적이고 즉각적인 피크 전력 수요를 위한 양방향 '에너지 저장소'입니다.
• 회생 또는 제동 시 부하에서 에너지를 흡수하기 위한 션트 레귤레이터입니다.
• 돌입 전류 제한기.
• 고주파 전류 리플 "삼키기".
• 서보 드라이브와 주고받는 EMI를 필터링합니다.
• 회선 전압 과도 보호.
• 안전.

AC 소스/네트워크에서 작동할 때 서보 드라이브에 전원을 공급하는 두 가지 기본 토폴로지가 있습니다.

1. 공유 DC 전원 버스

하나의 전원 공급 장치로 하나의 DC 버스를 공유하는 여러 서보 드라이브를 실행합니다.

2. AC 공통 전원 버스

AC 공통 전원 버스에서 각 서보 드라이브에는 별도의 전원 공급 장치가 있습니다.

여러 서보 드라이브에 대한 AC 입력 1개, 접촉기 + 회로 차단기 안전 세트 1개, EMI 필터링 네트워크 1개, 공통 전류 누설 소스 1개, 강력한 션트 레귤레이터 1개, 여러 서보 드라이브가 공유하는 DC 버스 1개:

공유 DC 전원 버스

AC 공통의 간단한 회로도

다중 AC 입력, 다중 안전 컨택터 + 회로 차단기 세트, 다중 EMI 필터링 네트워크, 다중 전류 누설 소스, 다중 강력한 션트 레귤레이터, 다중 및 개별 DC 버스.

AC 공통 전원 버스

왜 DC 공유인가요?

• DC 버스를 공유하면 각 드라이브에 더 강력한 DC 소스가 제공됩니다.
• 보다 효율적이고 실용적인 재생
• 전력 소비의 5~8% 절약
• "외부" 필수 구성 요소의 양을 줄입니다.
• 공간 절약(2축 이상 애플리케이션의 경우)
• 열 발산 감소
• AC 네트워크의 '스트레스' 감소
• 전체 비용 절감(2축 이상 애플리케이션의 경우)

일반적인 "공유" DC 버스 애플리케이션: 3XGTRO+1XTAM

그럼에도 불구하고 'AC 공통'은 매우 일반적입니다:
AC 공통은 구현이 더 간단합니다. 각 드라이브는 독립적으로 전원이 공급됩니다. DC 공유는 여러 서보 드라이브 시스템에 전원을 공급하기 위해 조금 더 많은 설계 고려 사항이 필요합니다.

단일 전원 공급 장치로 몇 개의 드라이브에 전원을 공급할 수 있습니까?

일반적인 실수는 전류로 계산하는 것입니다:
Σ 모터 전류 = 전원 공급 장치의 전류
서보 애플리케이션에서 DC 버스의 전류는 일반적으로 모터에 공급되는 전류보다 훨씬 낮습니다.
전력을 기준으로 계산하세요:
전원 공급 장치의 출력 전력 = VAC*√2
예시:

전원 공급 장치

• 전원 공급 장치의 출력 전력 = 20A(계속), 40A 피크.
• 전원 공급 장치에 대한 입력 = 230VAC.
• 전원 공급 장치의 출력 전력 = 230*√2*20 ≈ 6500W

서보 모터

• 공칭 토크 = 4.77NM
• 공칭 속도 = 3000 RPM
• 모터의 전력 출력 ≈ 4.77 * 3000/ 10 ≈ 1400W

"6500W" 전원 공급 장치에 몇 개의 "1400W" 드라이브가 있습니까?
6500/1400 = 4.6

일반적으로 하나의 "6500W" 전원 공급 장치로 5개 또는 6개의 "1400W" 드라이브에 전원을 공급할 수 있습니다.
"6500W" 공급장치는 "2*6500W"의 피크 전력을 쉽게 공급할 수 있습니다.

"단일 위상"에서 서보 전원 공급에 대한 몇 마디

• 대부분의(모든) 경우 '단상'은 위상 중립(120VAC, 230VAC)입니다.
• "중성/제로 라인"은 제로 전류를 전달하기 위한 "의도된" 라인입니다. 소프트(고임피던스) 전원 라인의 일종입니다.
• 전기 네트워크는 AC 라인의 '어딘가'에서 3상이 균형을 이루고 제로 라인에 전류가 흐르지 않는다고 '가정'합니다.
• 일반적으로 제로 라인은 위상 정격 전류의 최대 15%를 전달할 수 있습니다.

단상 부하로 인해 제로 라인에 대한 불균형 전압이 발생할 수 있습니다.
이로 인해 "단상" 전압 과도, 스파이크, 서지, 새그 등이 발생할 수 있습니다.
이는 제로 라인에 연결된 모든 장치에 해당됩니다.
일부 장치는 너무 높은 전압에 노출될 수 있고, 다른 장치는 너무 낮은 전압에 노출될 수 있습니다.
극단적인 경우에는 '단상' 디바이스가 고장날 수도 있습니다.
이는 중국과 스위스에서도 발생했습니다.

하지만 단상은 매우 인기 있고 비용 효율적이기도 한데 어떻게 하면 안전하게 사용할 수 있을까요?
애플리케이션이 단상 소스로부터 전원을 공급받는 경우 이를 확인해야 합니다:

• 제로 라인은 35A~40A 이상을 전도하지 않습니다.
• 현장과 기계에서 ZERO 라인의 크기가 적절해야 합니다.
• 제로 라인은 현장의 AC 전원 인렛에서 적절하게 접지(PE)되어야 합니다.
• 섀시/접지/PE에 제로 라인이 연결된 모든 장치는 서로 "잘" 단락됩니다.

For a “High Power” single phase application the connections diagram could be employed, however, loading must then be balanced loading (ZERO Line current < 15%)
In servo applications, power consumption balancing is not very practical.

위의 토폴로지를 적용한 일부 애플리케이션에서는 균형 잡힌 부하를 보장할 수 없었기 때문에 "230VAC" 변동이 300VAC의 피크까지 초과했습니다. 극단적인 경우에는 불균형으로 인해 장애가 발생하기도 했습니다.

전압 리플

• 3상은 커패시턴스 없이 약 15%의 전압 리플이 내재되어 있습니다.
• 단상에는 100% W/O 커패시턴스의 리플이 내재되어 있습니다.

3상 전압은 훨씬 더 견고하며 DC 버스는 부하에 민감하지 않습니다.

적절한 DC 버스를 생성하려면 단상에는 "엄청난" 양의 커패시턴스가 필요합니다.

• 이는 동적 기계적 부하의 필요한 전력 요구 사항을 충족하기에 충분하지 않습니다.
• 이는 브리지 디바이스의 스트레스(RMS)와 열 방출을 증가시킵니다(더 높은 등급의 디바이스 필요).
• 이로 인해 AC 라인에 오염(EMI)이 발생합니다.
• 그리고 여전히 고전압 처짐이 있습니다.

3단계가 진행되는 동안

• 주로 고주파 PWM 전류를 처리하는 데 필요한 매우 낮은 정전 용량이 필요합니다.
• 정류기에 대한 스트레스가 현저히 낮습니다.
• 전압 사가는 15% 이하입니다.
• AC 라인 스트레스 및 EMI가 현저히 낮습니다.

그렇다면 왜 항상 3상을 사용하지 않을까요?
대부분의 국가에서 "3상"은 3X400VAC 또는 3X480VAC입니다.

• 서보 성능의 관점에서 볼 때, 이렇게 높은 전압에서 작동하는 것이 항상 유익한 것은 아닙니다.
• 400VAC 드라이브 및 모터는 230VAC만큼 대중적이지 않으므로 비용이 훨씬 높고 다양성이 낮습니다.
• 이러한 고전압에서 안전 표준을 준수하는 것은 더 어렵습니다.
• 일부 애플리케이션은 단상 작동(MRI)으로 제한됩니다.

미국과 일본에서는 3X230이 두 가지 모두에 이점이 있습니다: 3상 및 230VAC

결론:

3상 방식이 더 나은 기술 솔루션입니다.
단일 단계는 훨씬 더 "단순"하고 비용 효율적입니다.

두 가지 기본 토폴로지가 있습니다:

• 주전원 연결에 직접 연결합니다. 절연 변압기 없음
• 전원 입력은 절연 변압기 또는 SMPS를 통해 주전원으로부터 절연됩니다.

Elmo고전압 서보 드라이브 및 탬버린 power supplies 시리즈는 절연 변압기 없이 주전원에 직접 연결할 수 있도록 설계되었습니다.
저전압 서보 드라이브는 주전원으로부터 절연이 필요합니다.

Elmo 정의합니다:

• VDC_BUS ≤ 200VDC일 때 저전압 서보 드라이브
• VDC_BUS ≥ 400VDC일 때 고전압 서보 드라이브

저전압 서보 드라이브의 전원 스위칭 장치는 MOSFET이고 고전압 서보 드라이브의 전원 스위칭 장치는 IGBT입니다.

"전원에 직접 연결"의 주요 장점은 다음과 같습니다:

• 절연 변압기가 필요 없습니다.
• 전기 설치는 훨씬 간단합니다.

저전압 서보 드라이브의 장점:

• 서보 성능 향상
• 더 높은 PWM 주파수. 대역폭이 넓어지고 전류 리플이 낮아집니다.
• 더 빠른 스위칭 전환으로 선형성 향상, 더 넓은 대역폭, 더 적은 손실, 더 높은 출력 전압 제공
• 낮은 "전도" 전압으로 손실 감소, 높은 출력 전압, 선형성 향상
• 현저히 적은 EMI
• 훨씬 더 높은 효율성
• 비교할 수 없을 정도로 작은 크기!
• 훨씬 더 쉬운 안전 규정 준수
• 비용 절감

저전압의 유일한 단점은 절연 변압기가 필요하다는 점입니다.

Elmo 함께

• 고전압 서보 드라이브에서는 제어 섹션이 전원 섹션과 분리되어 있습니다.
• 대부분의 저전압 서보 드라이브에서 제어 섹션의 공통은 내부적으로 전원 리턴(DC 전원 공통)에 연결됩니다.

저전압 드라이브 (비절연)로 작업하려면 주전원에서 분리된 DC 버스 전원 공급 장치가 필요합니다.

저전압의 가장 큰 단점은 변압기가 필요하다는 점입니다.

이 다이어그램은 가장 간단한 "바로 사용 가능한" 전원 공급 장치를 표시합니다.

• "바로 사용 가능한" AC 입력 절연된 저전압 DC 소스.
• 설치가 필요한 부피가 크고 무거운 변압기가 필요 없습니다.
• 간단한 설치
• 작은 크기
• "완전" 보호
• 합리적이고 "경쟁력 있는" 비용

하지만...

SMPS는 수동 부하에 전력을 '전달'하기 위해서만 설계되었습니다.
드라이브 모터(서보)에서 회생 전력을 흡수하는 기능은 없습니다. 회생 시 SMPS가 손상될 수 있습니다!
SMPS는 "일반적으로" 스파이크, 과도 전압, 서지 전압을 생성하는 유도성 부하에 매우 민감합니다. 극단적인 경우 SMPS가 손상될 수 있습니다!
전압 조정은 회생 시 단점이 될 수 있습니다. 회생/제동 시 부하는 전력을 전원 공급 장치로 다시 전송하여 SMPS 단자의 전압을 "강제"적으로 증가시킵니다. 단자 전압이 SMPS의 "설정 전압"을 초과하면 클로즈 루프가 "루프에서 벗어날" 수 있습니다. 복구가 너무 오래 지속될 수 있으며 이 시점에서는 SMPS에서 출력 전압이 나오지 않습니다. "전원 없음, 서보 없음!"

피크 전류/전력 용량 없음.
SMPS는 정격 전력을 지속적으로 공급하도록 설계되었습니다. 서보 작동에 중요한 피크 전류를 공급할 수 없습니다.

일부(너무 많은) '저비용' SMPS에 주의를 기울여야 합니다:

결론:

• 최대 300W - 400W의 SMPS가 필요한 애플리케이션의 경우, SMPS가 더 나은 선택이 될 가능성이 매우 높습니다!
• SMPS의 품질에 많은 주의를 기울여야 합니다.

두 가지 중요한 경우를 구분해야 합니다:

• "주전원에 직접" 연결된 전원 공급 장치
• "주전원"과 분리된 전원 공급 장치

"주전원에 직접 연결" 및 "분리된 주전원"의 간소화된 연결 다이어그램

PR과 Vn-의 차이점에 주의를 기울여야 합니다.
둘 다 정류 브리지의 가장 음의 전압입니다.
"절연 주전원" 연결에서 PR은 접지 및 시스템 리턴(접지)에 연결됩니다.

"주전원에 직접 연결" 연결에서 Vn-은 접지, 접지 또는 리턴에 연결해서는 안 됩니다. 이러한 연결은 치명적인 고장을 일으킬 수 있습니다.

TAM은 서보 애플리케이션용으로 설계된 Elmo Power Supplies 장치 시리즈입니다.
TAM 시리즈는 이 문서에서 설명하는 모든 요구 사항을 충족합니다.

기능:

크기 예시:

작동 전압: 230VAC
예시: 모터 공칭 전력:

• 모터1 = 2500W
• 모터2 = 1500W
• 모터3 = 모터4 = 모터5 = 모터6 = 800W
• Σ모터 와트= 7200W

TAM-20/230VAC에서 7200W를 공급해도 괜찮나요?

• 230VAC에서 TAM의 출력 전력은 "겨우" 6500W인가요?

예, 괜찮습니다.
경험상:
다축 애플리케이션에서 모터의 Σ와트는 "공칭 전압에서 TAM 출력 전력" +20%가 될 수 있습니다.

어떤 종류의 케이블인가요?

AC 입력:

• 충분합니다: STD 전기 케이블, 번들
• 권장 : 더 나은 EMC를 위해 차폐 및 번들 사용

케이블 DC 출력:

• 충분합니다: 충분: STD 전기
• 권장(적극 권장): EMC를 충족하려면 차폐 및 번들 케이블을 사용해야 하며, 이는 거의 필수입니다.

• 현재 출력 용량 증가
• 션트 전력 흡수 능력 증가

TAM20/XXXVAC 2개 병렬 연결

• 3상 입력 전압을 사용하면 출력 전류가 두 배로 증가합니다:

TAM20+TAM20=TAM40(3상 입력).

• 단상 입력 전압 사용

TAM20+TAM20=TAM32 =32A(1상 입력)

단상 또는 3상 여부에 관계없이 두 개의 TAM을 병렬로 연결하면 션트 전력 흡수 능력이 두 배로 증가합니다.

3 x TAM을 병렬로? 약간의 디레이팅으로 작동하지만 무엇을 위해?

TAM100은 보다 경제적이고 효율적인 솔루션입니다.

IEC61800이 바로 그것입니다:

"가변 드라이브"에 대한 가장 포괄적인 안전 및 EMC 표준입니다. Elmo UL 및 기타 관련 표준 외에도 모든 제품군에 이 표준을 채택하기로 결정했습니다.