Der Bereich der industriellen Automatisierung entwickelt sich weiterhin rasant und steigert die Effizienz und Produktivität und sorgt für Kostensenkungen. Allerdings stellen alle damit verbundenen Komponenten eine höhere Belastung für das Stromnetz dar, sodass eine effiziente Energieumwandlungstechnologie unabdingbar ist. Erkunden Sie in diesem Whitepaper von YAGEO GROUP die entscheidende Funktion passiver mikroelektronischer Komponenten in Stromversorgungsanwendungen für die industrielle Automatisierung.
Einführung
Der Übergang zur industriellen Automatisierung hat zu einem exponentiellen Anstieg des Strombedarfs geführt und erfordert robuste und effiziente Lösungen zur Stromumwandlung. Da Automatisierungssysteme in hohem Maße auf Leistungselektronik angewiesen sind, ist die Bewältigung von Effizienz- und Zuverlässigkeitsproblemen von entscheidender Bedeutung. Passive Komponenten sind unerlässlich, um einen stabilen Betrieb sicherzustellen, Verluste zu minimieren und Stromstörungen zu mildern, die den Industriebetrieb und das gesamte Stromnetz beeinträchtigen könnten.
1 Herausforderungen bei der Leistungsumwandlung in der industriellen Automatisierung
1.1 Netzbelastung und Probleme mit der Stromqualität
Automatisierte Fertigungslinien, Robotersysteme und Frequenzumrichter (VFDs) führen zu harmonischen Verzerrungen, vorübergehenden Spannungsspitzen und unsymmetrischen Lasten, was zu Problemen mit der Stromqualität führt. Diese erhöhte Nachfrage und Verzerrung führen zu Ineffizienzen im Netz, Spannungseinbrüchen und möglichen Geräteausfällen.
1.2 Effizienz und Energieverbrauch
Leistungsumwandlungsstufen müssen Verluste minimieren und eine Hochleistungseffizienz gewährleisten. Der Schlüssel zum Erreichen dieses Ziels liegt in der effektiven Unterdrückung elektromagnetischer Störungen, der Leistungsfaktorkorrektur, der DC-DC-Umwandlung und der Ausgangsfilterung.
2 Passive Komponenten in Leistungsumwandlungsstufen
2.1 Minderung elektromagnetischer Störungen (EMI)
Industrielle Automatisierungsgeräte erzeugen erhebliche hochfrequente Störungen, die benachbarte elektronische Systeme stören und zur Nichteinhaltung gesetzlicher Vorschriften führen können. Passive Komponenten wie:
- EMI-Unterdrückungskondensatoren (Klasse X und Y) helfen, leitungsgebundenes Rauschen herauszufiltern. Diese Kondensatoren sind dafür ausgelegt, vorübergehende Spannungsspitzen zu bewältigen und Differenz- und Gleichtaktstörungen zu unterdrücken.
- Gleichtaktdrosseln sind für die Reduzierung der elektromagnetischen Emissionen von Stromleitungen von entscheidender Bedeutung. Sie bestehen aus zwei Wicklungen auf einem Magnetkern, der Gleichtaktstörungen unterdrückt, Differenzsignale jedoch durchlässt. Ihre richtige Auswahl und Platzierung hat erhebliche Auswirkungen auf die Einhaltung der EMI-Standards.
- Induktive Filter verhindern die Ausbreitung unerwünschter Störungen über Stromleitungen und reduzieren leitungsgebundene und abgestrahlte Emissionen.
Moderne Folien- und Mehrschichtkeramikkondensatoren (MLCCs) spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung elektromagnetischer Störungen bei gleichzeitiger Aufrechterhaltung einer hohen Zuverlässigkeit in industriellen Umgebungen. Durch die richtige Anordnung und Auswahl dieser Komponenten wird die Einhaltung von EMI-Vorschriften wie CISPR und IEC-Standards gewährleistet.
2.2 Leistungsfaktorkorrektur (PFC) für Netzeffizienz
Ein schlechter Leistungsfaktor, der durch induktive Lasten und nichtlineare industrielle Automatisierungssysteme verursacht wird, führt zu übermäßiger Blindleistung, erhöhten Netzverlusten und möglichen Strafzahlungen für den Energieversorger.
- Leistungsfaktorkorrekturkondensatoren verbessern den Verschiebungsleistungsfaktor durch Kompensation induktiver Lasten und sorgen so für eine effizientere Nutzung der elektrischen Energie.
- Induktoren und PFC-Drosseln glätten Stromwellenformen, reduzieren Oberwellen und verbessern die Effizienz der AC-DC-Umwandlung. Diese Induktoren helfen dabei, die Stromwellenform so zu formen, dass sie der Spannungswellenform folgt, wodurch die gesamte harmonische Verzerrung (THD) reduziert wird.
- Passive Dämpfungsnetzwerke helfen, PFC-Schaltkreise zu stabilisieren und verhindern Schwingungen und Spannungsspitzen, die die Lebensdauer der Komponenten und die Systemleistung beeinträchtigen können.
- Aktive Dämpfungsnetzwerke formen die Stromwellenform dynamisch um und ermöglichen so eine effizientere und verlustarme Leistungsfaktorkorrektur.
Durch die Integration optimierter passiver PFC-Komponenten können Automatisierungssysteme die Netzbelastung reduzieren, Leistungsverluste minimieren und die Einhaltung gesetzlicher Vorschriften gewährleisten. Hochleistungs-Industrieanwendungen implementieren typischerweise aktive PFC in Kombination mit passiver Filterung, um eine höhere Effizienz zu erreichen.
2.3 DC-DC-Umwandlung: Spannungsregelung und -stabilität
Industrielle Automatisierungsanwendungen erfordern häufig mehrere Gleichspannungspegel für Steuerungs- und Motorantriebsfunktionen. Eine effiziente DC-DC-Umwandlung ist für einen stabilen Betrieb entscheidend.
- Leistungsinduktoren ermöglichen eine effiziente Energiespeicherung und ‑übertragung in Abwärts‑ und Aufwärtswandlern, kontrollieren den Restwelligkeitsstrom und verbessern das Einschwingverhalten.
- MLCCs und Aluminium-Elektrolytkondensatoren sorgen für eine stabile Spannungsregelung und reduzieren die Welligkeit in DC-DC-Schaltkreisen. MLCCs bieten einen niedrigen gleichwertigen Serienwiderstand (ESR), der das Einschwingverhalten verbessert und hochfrequentes Rauschen filtert.
- Kondensator-Leistungsarrays sind für Hochfrequenzanwendungen und Resonanz-Leistungswandler unverzichtbar. Diese Kondensator-Arrays bieten einen niedrigen gleichwertigen Serienwiderstand (ESR) und eine hohe Kapazitätsdichte, wodurch sie sich ideal für Hochleistungsanwendungen eignen, die eine effiziente Energieübertragung erfordern. Ihre Fähigkeit, hohe Restwelligkeitsströme und Spannungsschwankungen zu verarbeiten, verbessert die Systemeffizienz, reduziert Verluste und verbessert die thermische Leistung in resonanten Leistungsumwandlungsschaltungen.
- Transformatoren für LLC-Resonanzwandler sind für die hocheffiziente DC-DC-Umwandlung von entscheidender Bedeutung. Durch das Integrieren des Induktors in den Transformator können Entwickler die Anzahl der Komponenten reduzieren, die Leistungsdichte verbessern und die Effizienz durch Minimierung parasitärer Verluste steigern. Diese Integration ermöglicht eine bessere magnetische Kopplung, wodurch die zirkulierenden Ströme reduziert und die Gesamtleistung von Resonanzkonvertern in industriellen Automatisierungsanwendungen verbessert wird.
Durch die Auswahl verlustarmer, hocheffizienter passiver Komponenten in DC-DC-Wandlern wird die Wärmeableitung minimiert, die Zuverlässigkeit verbessert und eine effiziente Stromverteilung gewährleistet. Die Wahl des Kernmaterials in Induktoren, wie etwa Ferrit oder Eisenpulver, wirkt sich direkt auf die Effizienz und die Wärmeleistung aus.
2.4 Ausgangsfilterung für eine stabile Stromversorgung
In der letzten Phase der Stromumwandlung sorgen Ausgangsfilter für eine gleichmäßige Spannungs- und Stromzufuhr zu Automatisierungssystemen und verhindern so Stromschwankungen, die den Betrieb stören könnten.
- LC-Filter (Induktivitäts-Kondensator-Filter) spielen eine entscheidende Rolle bei der Reduzierung von Welligkeitsspannungen und hochfrequentem Rauschen in Spannungsversorgungen. Diese Filter verbessern das Einschwingverhalten, minimieren elektromagnetische Störungen und erhöhen die Spannungsstabilität für industrielle Automatisierungsgeräte. Der Induktor in einem LC-Filter blockiert hochfrequente Wechselstromkomponenten, während der Kondensator den Gleichstromausgang glättet und so eine sauberere Lieferung empfindlicher Lasten sicherstellt.
- Kondensatoren mit niedrigem ESR, wie Film‑ und Klasse-1-MLCC, Aluminiumpolymer und Aluminiumhybridpolymer, werden verwendet, um Wellen und Einschwing-Antwortzeiten zu reduzieren und so eine stabile Ausgangsspannung für empfindliche Automatisierungsgeräte sicherzustellen.
- Leistungsinduktoren unterdrücken Rauschen und stabilisieren die Spannung, indem sie elektromagnetische Emissionen reduzieren und Schwingungen in Stromkreisen verhindern.
Durch eine ordnungsgemäße Ausgangsfilterung wird sichergestellt, dass die Ausrüstung zur industriellen Automatisierung die erforderlichen Stromqualitätsstandards einhält, wodurch Effizienz und Lebensdauer verbessert werden. Durch die Implementierung einer mehrstufigen Filterung und die Kombination von Techniken zur Unterdrückung von Gegentakt- und Gleichtaktrauschen kann die Leistung verbessert werden.
Fazit
Mit der fortschreitenden industriellen Automatisierung wird eine effiziente und zuverlässige Energieumwandlung immer wichtiger. Passive Komponenten spielen eine entscheidende Rolle bei der Minderung elektromagnetischer Störungen, der Verbesserung des Leistungsfaktors, der Ermöglichung einer effizienten DC-DC-Umwandlung und der Stabilisierung der Ausgangsfilterung. Durch die Integration fortschrittlicher passiver Komponententechnologien können industrielle Automatisierungssysteme den Energieverbrauch optimieren, die Netzbelastung reduzieren und die Betriebseffizienz verbessern. Zukünftige Entwicklungen im Bereich hocheffizienter passiver Komponenten werden die Weiterentwicklung der industriellen Automatisierung und Leistungselektronik weiterhin unterstützen.