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工業供電電源的好壞對于工廠設備管理和裝置的正常、有效地運行具有重要的影響力，因此工業電源的選擇與其他所有的工業控制系統的部件的選擇同樣重要。
目前，工業自動化技術的發展日新月異，自動控制系統的更新的周期也愈來愈短了。這一方面要求系統設計者更專注于新的自動系統的發展和挑選,另一方面，電源生產廠家也必須提供更高質量和滿足各種控制系統要求的工業電源，從而使系統設計者能放心地采用這些產品，提高系統的可靠性。
基于這個目的，這個講座將著重地講授如何選擇正確的工業電源，工業電源的基本原理及要求，同時對在生產實際中遇到的問題作了詳細的討論。
1 工業控制開關電源的基本結構
一般的工業控制開關電源按照其安裝的方法可以分成三類：插入式開關電源、平板式開關電源和導軌式開關電源。
? 插入式開關電源 是按照IP00的保護等級進行設計的, 主要用于安裝在已有外殼內的單個供電電源的情況（如變頻器的內部電源等）。這類設備對于外來異物和水的進入不提供保護，同時也無抗沖擊和振動的能力。因此在工業控制系統的領域里，這種形式的電源很少得到應用，如圖1所示。
? 平板式開關電源 嚴格地講平板式開關電源需按照IP20的保護等級進行設計的，通常來說， 具有這一保護等級的電源可以直接安裝在干燥的房間及控制箱里，并且可以確保對帶電部件的觸碰保護和防止直徑在12.5毫米（0.5英寸）以上的外來異物的進入。 如有需要，電源設備可以被安裝在一個本身就能確保足夠保護的控制箱內。同時平板式開關電源應有一個堅固支架能承受頻率范圍在10Hz~150Hz之間的2.3g的振動（g為重力加速度）。在工業應用，必須能承受加速度峰值在30g，持續時為18ms的沖擊的防護能力。平板式開關電源采用螺絲固定在背板的攻絲螺紋上，它必須保證通過測試的電源在控制箱內完全安裝后，能夠被安全的運輸至安裝地點而不會出現從安裝軌道上脫落的現象。
圖1 插入式開關電源
圖2 平板式開關電源
? 導軌式開關電源 導軌式開關電源與平板式開關電源相同，電源的外部采用IP20等級的罩殼。在安裝的技術上使用DIN標準的導規式的方法，這樣一來可即插即用，安裝在可移動的家用電器上或者安裝在標準導軌上的工業控制柜里，完全滿足工業用電設施的供電安裝的需求。與一般的平板式開關電源相比較，具有安裝簡單、可靠性強、散熱性能好及維修保養方便的優點。隨著工業控制系統對電源要求越來越高的情況下， 導軌式開關電源將在工業領域里得到越來越廣泛的應用。
圖3 導軌式開關電源(德國PULS電源公司產品)
*在本文中,所提到的電源均為導軌式開關電源
2 導軌式開關電源的電參數和防護要求
2.1 導軌式開關電源的電參數
衡量一個導軌式開關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 電源技術數據參數分配
(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 輸入保險絲
Power factor 功率因數
Mains buffering 干線緩沖
Harmonic filter 諧波濾波器
PFC 功率因數校正
Primary grounding 初級端電源接地
(2) 輸出端變量
Output voltage 輸出電壓
Output current 輸出電流
Output fuse 輸出端保險絲
Start-up delay 啟動延遲時間
Control deviation 偏移控制
Rise time 脈沖響應時間
Residual ripple 余紋波
Reverse voltage 反向電壓
Second grounding 次級端電源接地
(3) 工作環境條件
周圍溫度，濕度，海拔高度，振動和沖擊強度。
2.2 導軌式開關電源的防護要求
除此而外，為了保證電源單元的工作安全，可用性及對人員的保護，電源具有不同的保護級別和安裝的要求。根據國際標準的一些規定，電子設備（包括電源）的保護級別分為等級0，1，2和3。僅具備等級0的設備被禁止使用。導軌式開關電源單元通常被設計為符合保護級別I和II。
(1) 具備一級保護級別的設備
對于保護級別I的設備來說，電擊防護并非僅僅限制于基本的絕緣設施。此外，電源必須與設備的保護導體相連接，因此，即使是在絕緣設施發生問題時也不會有電壓降。此類設備都具有接地保護線（PE）。
導軌式開關電源一般符合一級保護級別。此類單元通常使用電源輸入端的PE連接線接地。電源單元通過導軌安裝適配器通電地連接到導軌上。如果安裝導軌已經接地，則通過端點的PE連接并不再是必需的。
(2) 具備二級保護級別2的設備
對于保護級別II的設備來說，電擊防護除了有絕緣設施，還使用一種雙重或加強絕緣體。因為這種電源沒有與保護接地連接的可能性。為了安全起見，此類設備與安裝條件無關。借助良好的絕緣方案和非導體的外殼，一般二級保護級別設備的導軌開關式電源要采取很高的抗干擾措施，PULS公司的導軌式開關電源都采用一級保護級別的接地方式。
(3) 電隔離裝置
對于導軌式開關電源電隔離裝置是一個重要的要求，這在本質上是由絕緣體，變壓器和一個設計合理的閉環控制電路決定的。具備電隔離裝置的電源在從設備輸入到輸出之間不存在電壓和電流的連接。在設計絕緣功能時，制造商的任務便是選擇一種合適的絕緣材料及提供足夠大的空隙。除其它參數外絕緣電壓和設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DIN VDE 0110規范第一部分設計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
如果一個供電回路的電壓與另一個的電壓無關的話，那么依據DIN VDE 0106 規范，101部分這2個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行隔離的控制電路。PULS 所有的導軌開關電源 SilverLine強力型、MiniLine 迷你型和Dimension概念型電源都根據DIN VDE 0100-410，DIN VDE 0106-1010 和EN 61558-2-17規范進行和通過了安全隔離的測試。德國 VDE 0555/EN 60742規范規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。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規范而使用昂貴的隔離變壓器。
2.3 導軌式開關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生故障情況下得到可靠的保護。避免由于接地故障引起對人員和機器的危險發生。所謂接地故障是指一根電源線與地線可允許的連接，例如，由于導線絕層導致裸線和一個接地的外殼相接觸。
如圖5所示，當接地故障發生在位于輸出端保險絲的后面直接在負載電路中時，是非常危險的。在這個區域里，如果發生雙重接地故障，這樣會導致在起動開關位置的短路，從而引起機器的誤啟動，發生人為的事故。
為了避免由于接地故障引起的誤動作，可以通過在輸出端附加一個與地線相連的安全低電壓輸出接地來實現，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位置出現非故意的接地故障，這樣非故意引起的接地故障會導致熔絲和輸出電壓負載回路的短路，進而導致熔絲熔斷，啟動繼電器不會發生誤動作，操作人員和機器能夠得到安全上的保護。
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為根據德國標準0100-410規范的開關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
北京市公安局海淀分局備案號：11010802023656號