在这里，它们用于工厂（FA）设备。电机等 至由工厂供电"。 说明：
当我开始从事机械设计工作时，由于对工厂动力规格的了解有限，我经历了一些痛苦的错误。 尤其令我难忘的是，由于在选择电源时没有充分考虑单相和三相的特性，导致我在选择电机时出错。 虽然我们在检查图纸时意识到了这一点，从而挽回了损失，但电源选择错误不仅仅是性能不足或故障的问题，而是会直接导致整个项目的延误和成本增加，以及安全问题。
本文旨在提供系统性的知识，使其他设计师不至于像我一样经历同样的错误和遗憾。
首先是工厂使用的基本电源类型及其各自的特点。将从高压电源接收和 24 VDC 等基础知识开始详细讲解。接下来，在这些知识的基础上，将介绍以下主题：电机、控制面板等。按机器类别划分的最佳电源规格概念本节将深入探讨
此外，这在当今全球化的世界中也是不可避免的、对海外部署至关重要的主要国家的供电标准。我们还将详细讨论。最后，稳定运行的关键。质量保证和保护性设计，防止出现供电问题其结构设计旨在提供对该主题的全面研究，从读完这篇文章后，您应该能够自信地设计出符合工厂功率规格的机器。
了解基本知识：工厂供电的全貌。
高压和低压电力接收有何不同？
工厂从电力公司获得电力主要有两种方式：高压和低压。而这主要取决于电力合同的大小。 机器设计人员了解这种差异有助于了解安装的电力环境。
总之，签约功率在 50 千瓦或以上的大型工厂和设施一般使用高压电，而签约功率在 50 千瓦以下的相对较小的机构一般使用低压电。
在高压电接收的情况下，6600 伏的高压电被直接引入设施，并在房舍内安装的名为 "小室 "的私人变电站设施中转换为 100 伏或 200 伏的可用电压。 小室的安装需要初始投资和定期维护，但其主要优点是从电力公司购买电力的单价低于低压电力。
另一方面，在低压供电中，电力通过电力公司拥有的变压器进行转换，并安装在电线杆上。 由于不需要在设施中安装变电站设备，因此易于安装，但单位电力成本比高压电接收更昂贵。
| 项 | 低压电力接收 | 高压受电 |
| 合同权力 | 小于 50 千瓦 | 50 千瓦及以上但小于 2,000 千瓦 |
| 电源电压 | 100V / 200V | 6 600 V 等。 |
| 变电站 | 不需要（由公用事业公司管理） | 需要（由用户安装和管理） |
| 单位产出电价 | 较高 | 较便宜 |
| 主要应用： | 家庭、小商店和城镇工厂 | 大中型工厂、建筑和商业场所 |
从机器设计的角度来看，接收高压电源的工厂通常都有一套电源管理系统，可以期待相对稳定的电能质量。 相反，在接受低压电力的环境中，可能需要考虑设计因素，例如选择可处理更宽输入电压范围的电源装置，同时考虑到根据周围电力使用情况可能出现的电压波动。
作为基本电源的三相电源
三相电源 "是工厂运行需要大量电力的机器（如电机）时的基本设备。就是这种情况。 这与家庭中常用的 "单相电源 "具有不同的特性，了解两者的区别是电源设计的第一步。
三相电源也被称为 "电源"，因为与单相电源相比，三相电源可以非常高效地发送大量电能。 与单相电源相比，在发送相同功率时，所需的电流更小，从而减少了电力线中的功率损耗，从而降低了电费。
其中，三相电源是迄今为止驱动工业电机最有利的电源。 当三相电应用于电机时，无需任何特殊装置即可产生平滑的旋转力（旋转磁场）。这使得电机结构简单、效率高。 相比之下，使用单相电驱动电机则需要辅助电路来帮助启动，而且其功率也仅限于 3 hp（约 2.2 kW）左右。
在工厂中，三相 200 V 用于为大型机械、商用空调和传送带供电。 而单相 100 V/200 V 则用于功率要求相对较小的设备，如照明、控制设备的电源以及计算机和测量仪器的插座。因此，如果要设计的机器需要大型电机，则必须使用三相电源。
日本主要低压配电系统
日本工厂和企业常用的低压供电（配电系统）有几种类型。下表列出了每种类型的特点。
| 配电系统 | 供电电压 | 主要应用： | 特点 |
| 单相两线制（类型） | 100 V | 老式房屋、小型装置中的照明和插座 | 最简单的方法，由两根导线供电。 |
| 单相三线（类型） | 100 伏和 200 伏 | 家庭、商店和工厂的照明和插座，小型空调设备 | 它使用三根导线，可承受 100 伏和 200 伏电压。 |
| 三相三线系统 | 200V | 工厂电机（动力）、商用空调、大型设备 | 它由三根电线供电，是主要的电力来源。 |
| (参考）三相四线制系统 | 240 伏和 415 伏 | 大型工厂和建筑。 | 虽然这种方法在日本并不常见，但有时也会在电力需求较大的设施中使用。 |
开关电源和线性电源的比较
供电设备是将工厂接收的交流电（AC）转换为直流电（DC）供 PLC 和传感器等电子设备使用的必要设备。电源有两大类。 目前，最常见的两种方法是 "开关电源 "和历史悠久的 "线性电源"。
设计的关键在于根据机器所需的规格，以适当的方式使用这两种电源，因为它们是 "一刀切 "的。 总之，如果优先考虑效率和小型化，开关电源是最佳选择；如果优先考虑低噪音，线性电源是最佳选择。
开关电源通过高速开关内部开关元件来转换功率。 这种方法的最大优点是电源转换效率极高，从 80 到 951 TP3T 或更高，而且发热量小。发热量低还意味着冷却装置可以做得更小，变压器等元件可以做得更小，因此整个电源装置可以做得非常小巧轻便。
但也有一个缺点：高速开关操作可能会产生电气噪声（EMI）。 为防止这种噪声影响其他精密设备，必须采取安装噪声滤波器和适当接地等措施。
另一方面，线性电源是一种通过消耗多余电压作为热量来稳定输出电压的简单方法。由于没有开关操作，最大的优点是原则上噪音极低，可以获得非常干净和稳定的输出。
然而，它也存在一些主要缺点：转换效率较低，约为 30 至 601 TP3T，因为多余的功率会被当作热量丢弃，而且产生的热量也很高。这就需要一个大型散热器，从而使整个设备又大又重。
| 特殊性 | 开关稳压器 | 线性电源 |
| 功率转换效率 | 高 (80-95%+) | 低 (30-60%) |
| 尺寸和重量 | 小巧轻便 | 大而重 |
| 输出噪声 | 大 | 非常小 |
| 热量 | 小 | 大 |
| 主要应用： | 几乎所有电子设备，包括个人电脑和 FA 设备 | 对噪音敏感的设备，如测量设备和音响设备。 |
现代工业机械有时会采用混合设计，将高效开关电源作为整个机器的主电源，仅在对噪声特别敏感的传感器等区域使用局部线性电源和低噪声传感器。
控制电路标准电压 24 伏直流
在工厂自动化设备 (FA) 中，"24 VDC "是控制设备（如可编程逻辑控制器 (PLC)、传感器和指示灯）电源电压的实际全球标准。 以下是研究结果摘要。
24 伏直流电之所以被广泛采用，是因为它具有良好的平衡性。 首先，它在安全超低电压（SELV）范围内，对人体触电的风险较低，易于确保工人的安全。同时，它还兼具实用性，即使在一定距离内布线，也不易出现电压下降，而且抗电噪声能力相对较强。
工厂中常见的配置是通过安装在控制柜中的开关电源，将从墙上插座获得的 100 VAC 或 200 VAC 交流电源转换为稳定的 24 VDC 直流电源，并供应给每个控制设备。
作为设计预防措施，噪声抑制非常重要。铁定的规则是，携带大电流驱动电机和其他设备的交流电源线与连接 PLC 和传感器的弱直流控制线和信号线应物理隔离，并安装在单独的布线管道中，以防止相互之间的电磁感应造成噪音干扰。遵守这一基本规则将使整个机器稳定运行。
在机械设计中考虑到工厂供电的具体规格。
控制面板的电源，机器的大脑。
控制柜是机器的大脑，内含 PLC 和各种控制器，用于控制工业机器的运行。 内部供电系统是整个机器稳定运行的基础，其设计极为重要。
控制面板的电源分为两大系统。一个是 "主电路"，用于产生大量电力，如电机和加热器；另一个是 "控制电路"，用于运行电子设备，如 PLC 和传感器。
主电路使用大功率交流电源，如日本的三相 200 V 交流电源。另一方面，如上所述，通过开关电源将交流电转换成 24 伏直流电是控制电路的标准配置。在设计中明确区分这两个系统是防止出现问题的基础。
控制柜中与电源有关的主要部件。
- 开关电源：为控制电路提供 24 V 直流电。根据所有连接设备的总电流消耗量，选择容量余量约为 20-501 TP3T 的产品。
- 线路断路器（断路器）：安装在电源入口处，当发生过流或短路（短路）时，断路器会切断电路，从而保护整个配电盘。
- 变压器（变压器）：当主电路为 400 伏交流电系统时，用于将电压降为 200 伏交流电，或提供一个 100 伏交流电插座（维修插座），以便在面板上连接个人电脑进行维护。
- 电路保护器：24 V 直流电路被划分为传感器和输出端等每个功能的较小分支，以保护每个功能。这样可以防止单个传感器故障导致整个系统关闭。
正确选择这些组件，并在布局中将噪声抑制考虑在内，是创建可靠控制柜的关键。
为变频器和伺服电机供电
变频器和伺服电机是实现机器精确运动和变速运行的重要组件。 为了使其发挥最佳性能，必须正确理解电源规格并选择适当的容量。
变频器是一种可以自由改变通用电机转速的设备，而伺服电机则是一种可以更精确地控制位置、速度和扭矩的电机系统。它们是 它们都从工厂输入三相交流电源（日本为 200 V 级，海外为 400 V 级），然后在内部转换为适合电机驱动的电源并输出。
电源容量的选择不能简单地根据电机的输出功率（千瓦）来决定。 电机运行时，不仅在额定运行时需要大扭矩（功率），而且在加速时也需要大扭矩（功率），尤其是在运动开始时，此时的电流瞬间比额定值高出数倍。电源容量要有足够的余量来提供该峰值电流。否则，电机将无法发挥其应有的性能，最严重的情况是会出现错误停机。
在计算动力设备容量时，除电机输出功率外，还必须考虑电机和驱动器（变频器或伺服驱动器）各自的效率以及功率因数。简化公式如下
电力设备容量 [kVA] = 电机输出功率 ÷ （电机效率 × 逆变器效率 × 功率因数）
此外，当电机减速时，它会充当发电机，将功率返回到电源端，这种现象被称为 "再生"。需要注意的是，可能需要一个名为 "制动电阻器 "的独立组件来处理这些能量。
工业机器人和驱动设备的电源规格
在现代工厂中，除传统电机外，还使用了多种驱动设备，工业机器人就是其中的典型代表。 每种设备都需要不同的电源规格，设计人员需要了解它们的特性。
工业机器人的动力源
机器人的功率规格因其类型和大小而有很大差异。
- 合作型机器人：合作型机器人设计用于在与人相同的空间内工作，易于安装。因此，许多机器人只需使用 100-240 伏交流单相电源即可工作，无需安装任何特殊的电源装置。许多机器人的耗电量仅为几百瓦，与普通家用电器的耗电量相当，其主要特点是可以方便地使用现有电源插座供电。
- 大型工业机器人：执行高速、高负荷任务的大型垂直关节机器人（如汽车装配线上的机器人）需要三相 200 V AC（日本）电源来支持其动力。耗电量高达几千伏安或更高，需要专用的供电系统和强大的设备基础设施。
- 自主移动运输机器人（AMR/AGV）：自主移动运输机器人和 AGV 可在工厂内自主移动，运输部件和其他设备，由于无法使用电缆供电，因此由机载电池供电。它们通常由 24 伏直流或 48 伏直流锂离子电池系统供电，当电池电量不足时，会自动返回充电站进行非接触式或接触式充电。
日本兼容电源和驱动设备清单
下表总结了日本工厂现有电源类型与相应主驱动设备之间的关系。 在根据设计机器的性能要求和安装环境选择最佳组合时，可将其作为参考。
| 电源类型 | 主驱动设备 | 补充信息和功能 |
| 单相 AC100V / 200V | 小型感应电机 紧凑型交流伺服电机 步进电机（交流输入驱动器） 合作机器人 |
用于输出功率相对较低的设备，要求安装简便。感应电机启动时需要电容器。 |
| 三相 AC200V | 标准感应电机 工业交流伺服电机 大型工业机器人 变频器驱动的一般设备。 |
为工厂 "供电 "的最标准电源。它能够实现高功率、高效率的驱动，大多数工业驱动设备都采用这种电源。 |
| 直流 24 伏直流 / 48 伏直流 | 直流电机（有刷/无刷） 步进电机（直流输入驱动器） 自主运输机器人（AMR/AGV） |
由控制柜中的开关电源或电池供电。用于精确控制和驱动移动物体。 |
不间断电源在保护系统免受瞬间断电影响方面的作用。
在工厂中，雷击和电力系统事故会导致瞬时电压下降（瞬时电压降）和瞬时断电（瞬时断电），即在极短的时间内电压下降或电力停止。 即使是小于 0.1 秒的瞬间事件，也会导致 PLC 和工业 PC 重置或关闭，从而造成重大损失，如生产线停工或产品缺陷。
UPS （不间断电源）是一种保护关键控制系统免受此类电源问题影响的设备。连接到 UPS 的设备将继续运行而不会停止。
在工厂自动化（FA）中安装 UPS 的主要目的不仅仅是为了保证机器运行。 它是为了确保在发生断电时，PLC 和 PC 有时间完成正常关机过程，保护关键数据和程序，并将机器撤离到安全状态。
FA UPS 选择要点
- 供电方式：推荐使用 "恒定逆变供电方式"（在线供电方式），它能提供恒定稳定的供电，是最可靠的供电方式。
- 容量： 选择的容量应超过 UPS 所连接的所有设备的总功耗 (W)。足够的余量是必要的，尤其是在连接电机和变压器等设备时，因为这些设备在启动时需要很大的电流。
- 备用时间：选择能在断电情况下提供所需时间的型号。由于电池会随着时间的推移而老化，建议选择备用时间为所需时间两倍的型号。
不间断电源可被视为应对意外电力问题的保险单，也是对生产稳定性的重要投资。
防止噪音、浪涌和谐波的措施
为了设计出可靠的机器，还必须关注电源的 "质量"。 这是因为工厂环境中充满了各种电气干扰，可能导致机器故障和停机。这里介绍三个典型问题及其对策。
噪声抑制
变频器和继电器运行时产生的高频电气噪声会干扰 PLC 和传感器信号，导致它们发生故障。 对策的三个基本原则是在源头抑制、在传播路径上阻断和在接收端加强。 具体来说，在电源线中插入 EMI 滤波器（噪声滤波器）、确保接地（接地）以及在布线中将电源线和信号线物理隔离等方法相结合是有效的。
浪涌应对措施
雷电、大型电机开关等瞬间产生的异常高电压称为 "浪涌"。 浪涌的能量足以在瞬间摧毁电子元件，对于由半导体构成的精密设备来说是致命的。 SPD（浪涌保护器）可保护设备免受这些浪涌的伤害：当检测到异常电压时，SPD 会立即将能量释放到地面，以保护后续阶段的设备。SPD 安装在外部浪涌可能进入的区域（如控制面板的电源输入部分）时非常有效。
谐波对策
逆变器和开关电源从商用电源输入电流时，会使波形发生畸变。 这种畸变波形中的频率成分是原始频率（50/60 Hz）的整数倍，被称为 "谐波"。 如果过多的谐波电流流入电力系统，就会对其他设备产生负面影响，因此日本在《谐波抑制措施指南》中制定了一些规定。应该认识到，在设计带有大容量变频器和其他设备的机器时，可能有必要遵守这些准则。
工厂供电知识对海外扩张至关重要。
多电压支持的重要性
在向国外出口设计机械时，一个最基本但也最重要的问题是如何应对各国的供电条件。 不同国家和地区的电压、频率和插座配置大相径庭，机器运行时甚至不能忽略这些因素。
例如，日本的标准工业三相电源为 200 伏，而北美通常为 480 伏，许多欧洲国家为 400 伏。日本东部的频率也分为 50 赫兹和日本西部的 60 赫兹，但北美通常使用 60 赫兹，许多欧洲和亚洲国家使用 50 赫兹。
| 地区/国家 | 频率（赫兹） | 典型工业三相电压 (V) |
| 日本 | 50 / 60 | 200 |
| 美国 | 60 | 208, 230, 480 |
| 中国 | 50 | 380 |
| 德国 | 50 | 400 |
| 英国 | 50 | 400 |
多电压 "的概念对于在一台机器中适应这些不同的电源规格非常重要。具体来说，主要有两种处理方法。
一种方法是在控制面板的输入端安装一个 "变压器"（变压器），将本地电压转换成机器可以使用的电压（如 200 V 交流电）。通过这种方法，变压器之后的所有内部组件都可以按照单一规格进行标准化。
另一种方法是将逆变器和开关电源等主要组件与 "宽范围输入 "规格的产品统一起来，这些产品可以处理从 200 伏到 480 伏交流电的各种输入电压，无需进行任何改动。这样就不需要变压器，从而缩小了控制面板的尺寸，降低了成本。哪种方法最合适，要根据对机器配置和成本的综合评估来决定。
电机频率（50 赫兹/60 赫兹）兼容性和性能变化
電源频率的不同尤其会直接影响感应电机的性能，因此设计人员需要深入了解其特性。
首先，"电机可以使用 50 赫兹或 60 赫兹吗？这取决于电机的规格。如果指定为 "50 赫兹/60 赫兹通用"，则可在两个地区使用。 但是，指定为 "仅限 50 赫兹 "或 "仅限 60 赫兹 "的电机绝对不能在不同频率的地区使用，因为这不仅会改变性能，还可能因过热而导致故障，最严重的情况下甚至会引发火灾。请务必查看电机铭牌或规格表，了解相应的频率。是
其次，"不同的频率对电机性能有影响吗？答案是肯定的。电机速度几乎与电源频率成正比，因此性能差异很大以下是最常见的原因。
- 转速：在 60 赫兹地区，电机的转速比 50 赫兹地区快约 201 TP3 T（60 赫兹 ÷ 50 赫兹 = 1.2 倍）。
- 扭矩（旋转力）：一般来说，扭矩会随着转速的增加而减小。因此，60 赫兹的扭矩低于 50 赫兹。
- 电流值：由于 60 赫兹的扭矩较低，在相同工作量下，电流值往往低于 50 赫兹的电流值。
性能的改变意味着泵和风扇等设备的流量和气流会发生重大变化，从而影响机器的整体性能。
然而如果使用变频器驱动电机，这个问题就能迎刃而解。变频器可以自由控制输出频率，而不受输入电源频率（50 赫兹或 60 赫兹）的影响，从而使电机在两个区域以相同的速度运行. 这使得机器性能在全球范围内实现了标准化。
北美市场强制执行哪些 UL 标准？
向美国和加拿大等北美市场出口机器时，必须符合 UL 标准。UL 标准是由美国第三方安全科学组织 UL Solutions 制定的产品安全标准。
虽然法律没有要求，但这是一种事实上的强制性认证，因为许多州的法律和地方法规都要求获得这种认证，而且这也是与客户开展业务的一个条件。 没有通过 UL 认证的产品可能难以获得市场信誉和销售。
特别是在设计和制造工业机械控制面板时，必须符合 "UL508A "标准。要符合这一标准，必须满足一系列要求，例如
- 元件选择：面板中使用的主要电气元件，如断路器、电源和继电器，必须是 UL 认证或 UL 认可的产品。
- 布线规定：必须遵守详细的布线规定，包括导线的粗细、颜色、绝缘类型和组件之间的空间距离。
- 短路电流额定值 (SCCR)：SCCR 值表示整个控制柜可承受的短路电流，必须计算出来并显示在控制柜上。
此外，加拿大有自己的安全标准，即 CSA 标准，UL 和 CSA 签订了相互认证协议，因此，如果产品获得 c-UL 标志，在加拿大将被视为获得 CSA 认证。这样就可以通过单一的认证程序同时符合两个国家的标准。
符合欧洲 CE 标准。
为了在欧洲经济区（EEA），包括欧盟（EU）成员国销售和分销产品，法律要求产品必须贴有 "CE 标志"。
CE 标志是一种允许制造商声明其产品符合所有适用欧盟指令安全要求的标志。 这不是第三方组织的认证，而是完全基于 "自我声明"，但制造商有义务起草并保存声明所依据的技术文件。
就工业机械而言，三个主要的相关指令是
- 机械指令：要求机器本身的结构安全，包括防护装置和安全控制系统。
- 低电压指令：要求在 50 V 交流电至 1000 V 交流电和 75 V 直流电至 1500 V 直流电范围内工作的电气设备必须具备防止电击和火灾等电气危险的保护措施。
- 电磁兼容性指令：既要求设备不会向环境中排放超过可接受水平的电磁噪声（排放），也要求设备在暴露于周围环境的电磁噪声时不会发生故障（抗扰度）。
这些指令所要求的具体技术规格被定义为 "协调标准（EN 标准）"。通过按照这些协调标准设计和测试产品，设计人员可以很容易地证明产品符合每项指令的要求，不同之处在于 UL 标准侧重于组件层面的安全性，而 CE 标志则关注整个机器的整体安全性。
选择最佳工厂电源的要点
根据上文所述，以下是机器设计师在选择最合适的工厂电源时需要考虑的要点。希望本文能对您的设计工作有所帮助。
- 工厂的受电系统有高压和低压之分，合同功率以 50 千瓦为界。
- 高压电接收需要隔间，但电费单价较低。
- 低压电力接收不需要设备，但电费单价相对较高。
- 高效的三相供电系统对于大型发电厂来说至关重要。
- 照明和插座使用单相电源。
- 高效、紧凑的开关电源是电源的主流。
- 线性电源在要求低噪声的地方非常有效，例如精密设备。
- 安全实用的 24 V 直流控制电路电压是全球标准。
- 控制面板电源设计有独立的电源主电路和控制电路。
- 在选择电机电源容量时，要留有足够的余量，以考虑到峰值电流。
- 安装不间断电源是为了防止瞬间断电，保护控制系统和数据。
- 多层保护设计对于保护机器免受噪音、浪涌和谐波的影响至关重要。
- 海外部署需要符合各国的电压和频率要求。
- 要求符合北美的 UL 标准和欧洲的 CE 标志。
- 了解设备的最佳供电方式决定了设备的性能和可靠性。
上图
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电机选择和类型完整指南[供机械设计师使用]。
本节介绍了许多人在设计机器时可能难以选择的电机类型。 在机器设计中，电机的选择非常重要，因为它决定了机器的性能。.
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