Auswahl geeigneter Netzteile für Cobots und AGVs in der Fertigung

In der automatisierten Fertigung werden zunehmend kollaborative Roboter (Cobots) und fahrerlose Transportsysteme (AGVs) eingesetzt, um die Produktionseffizienz zu verbessern und die Produktvariabilität zu verringern. Cobots arbeiten in unmittelbarer Nähe des menschlichen Arbeiters und sind im Allgemeinen leichter und kleiner als herkömmliche Industrieroboter. Sie können auch leichtere Nutzlasten transportieren, bewegen sich mit geringerer Geschwindigkeit und wenden geringere Kräfte an. AGVs hingegen bewegen sich innerhalb einer Anlage und transportieren Materialien und Pakete. Beide stehen vor ganz eigenen Herausforderungen in Bezug auf die Energieversorgung.

Cobots werden in der Regel über ein AC/DC-Netzteil mit Strom versorgt, das ihren dynamischen Strombedarf decken muss. Diese Anforderungen variieren mit dem Gewicht der Last, der Geschwindigkeit und der Komplexität der Bewegung. AGVs sind batteriebetrieben und müssen schnell aufgeladen werden, um die Ausfallzeiten zu minimieren. Dazu sind Ladestationen mit ausreichender Leistung für die Schnellladung erforderlich.

Beide Anwendungen benötigen zuverlässige, effiziente und entsprechend zertifizierte Stromversorgungen.

Dieser Artikel befasst sich mit den besonderen Herausforderungen, denen sich Entwickler von Robotern und AGVs in der industriellen Fertigungsautomatisierung stellen müssen. Anschließend werden Lösungen von Advanced Energy vorgestellt und die Merkmale hervorgehoben, die Entwicklern helfen, diese Anforderungen zu erfüllen.

Energiebedarf für Cobots und AGVs

Zu den wichtigsten Anforderungen an Stromversorgungen für Roboter und AGVs gehören kompakte Größe, Zuverlässigkeit, hohe Ausgangsleistung und robuster Schutz gegen Kurzschluss, Überlast, Überspannung und Übertemperatur. Außerdem müssen sie die Anforderungen an die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) erfüllen, um Störungen anderer Geräte zu minimieren, und die grundlegenden elektrischen und physikalischen Sicherheitsvorschriften für Benutzer und umliegende Geräte einhalten.

Die Stromversorgung für Cobots muss stark schwankende Leistungsanforderungen bewältigen können, da der Strombedarf von der Last, die der Cobot bewegen muss, der Komplexität der Bewegung und der erforderlichen Änderungsgeschwindigkeit abhängt. Außerdem muss der Roboter möglicherweise mehrere Gelenkmotoren gleichzeitig bedienen. Dies erfordert Stromversorgungen mit einer hohen maximalen Leistungskapazität. Da der Platz im Roboter begrenzt ist, muss die Energiequelle so klein wie möglich sein, was eine hohe Leistungsdichte erfordert. Umgebungen in der Industrie- und Fabrikautomation sind rund um die Uhr in Betrieb und erfordern daher eine hohe Zuverlässigkeit sowie eine lange mittlere Betriebsdauer zwischen Ausfällen (MTBF). Außerdem erfordert die stark schwankende Leistungsbelastung eine Dynamik des Stromversorgungsregelkreises, die unabhängig von Lastschwankungen und häufig rauen Umgebungsbedingungen stabil bleibt.

AGVs transportieren Materialien und Güter autonom, ohne menschliche Aufsicht. Ausgestattet mit Sensoren und Bildverarbeitungssystemen reduzieren AGVs menschliche Fehler und verbessern die Effizienz und Sicherheit, wodurch das Risiko von Arbeitsunfällen gesenkt wird. Da AGVs in der Regel batteriebetrieben sind, benötigen sie schnelle, unauffällige Ladestationen, um Unterbrechungen und Ausfallzeiten zu minimieren.

In einer Zeit, in der Innovation und Markteinführung der Schlüssel zum Erfolg sind, fehlen den Entwicklern von Robotern und AGVs oft die Ressourcen, um eine geeignete Stromversorgung kosteneffizient zu entwerfen und zu entwickeln. Stattdessen benötigen sie Zugang zu einem breiten Portfolio zuverlässiger Stromversorgungslösungen, die durch technisches Fachwissen unterstützt werden und es ihnen ermöglichen, sich auf die Differenzierung von Anwendungen und nicht auf die Entwicklung von Stromversorgungen zu konzentrieren.

Netzteile der Serie LCM1500 von Advanced Energy

Entwickler von Cobots und fahrerlosen Transportfahrzeugen (AGVs) können auf die AC/DC-Netzteile der LCM1500-Serie von Advanced Energy (Abbildung 1) zurückgreifen, um die Anforderungen an Leistung, Zuverlässigkeit, Effizienz und Sicherheit in der Fertigungsautomatisierung zu erfüllen. Das hochmoderne Schaltungsdesign des LCM1500, einschließlich digitaler Rückkopplungssteuerung, kombiniert mit sorgfältig ausgewählten Komponenten und automatisierten Produktionsprozessen, führt zu leistungsstarken und kostengünstigen Netzteilen. Diese breite Palette von Stromquellen bietet auch eine Vielzahl von Optionen und individuelle Konfigurierbarkeit.

Abbildung 1: Beispiele für Konfigurationen der Netzteile LCM1500 zeigen sowohl die Klemmenblock- (links) als auch die Flachkontakt-Ausgangsanschlüsse (rechts). (Bildquelle: Advanced Energy)

Das LCM1500 ist mit Standardausgangsspannungen von 12 V, 15 V, 24 V, 28 V, 36 V und 48 V für eine Vielzahl von Anwendungen in der Fertigungsautomatisierung erhältlich. Beispielsweise verwenden Cobots routinemäßig 48V-Stromversorgungen, um einen gemeinsamen DC-Strombus bereitzustellen, der an die einzelnen Motoren an jedem beweglichen Gelenk verteilt wird. Die Ausgangsspannungen in den LCM1500-Netzteilen sind in einem Bereich von ±10% einstellbar und haben eine Sollwerttoleranz von 0,5%. Das Netzteil LCM1500 befindet sich in einem Gehäuse mit den Abmessungen 2,5 × 5,2 × 10 Zoll (Zoll), das für die Montage im Gehäuse vorgesehen ist. Die Ausgangsleistung von 1500 W in diesem Gehäuse ergibt eine Ausgangsleistungsdichte von 12 W pro Kubikzentimeter.

Hohe Leistungsdichten wie diese erfordern eine Zwangsluftkühlung. Bei diesen Netzteilen wird die Kühlung durch zwei „intelligente Lüfter“ gewährleistet, die auf der Rückseite des Netzteils montiert sind. Die Lüftergeschwindigkeit wird von einer Software gesteuert, die sie an den Kühlungsbedarf anpasst. Die Frontblende ist perforiert, um den Kühlluftstrom zu ermöglichen, während die übrigen Gehäusewände geschlossen sind. Die 2,5 Zoll hohen Netzteile eignen sich gut für den Einbau in 2HE-Rackgehäuse.

Geräte mit höheren Ausgangsspannungen verfügen über eine robuste Klemmleiste für den Anschluss des Ausgangs. Die 12V- und 15V-Geräte, die Ausgangsströme von 100 Ampere (A) oder mehr aufweisen, verfügen über Flachkontakte.

Die Netzteile der Serie LCM1500 sind für den Betrieb in einem Temperaturbereich von -40 bis 70°C ausgelegt, wobei die Ausgangsleistung oberhalb von 50°C linear reduziert und bei +70°C auf 50% der vollen Leistung begrenzt ist (Abbildung 2).

Abbildung 2: Abgebildet ist die Temperatur-Leistungsminderungskurve für die Netzteile der Serie LCM1500. (Bildquelle: Advanced Energy)

Die Netzteile der Serie haben eine berechnete MTBF von mehr als 300.000 Stunden, basierend auf der Spezifikation Bellcore 332, Ausgabe 6 (+25°C und +40°C Umgebungstemperatur, bei Volllast). Unter normalen Betriebsbedingungen hat die Produktfamilie eine MTBF von mehr als 500.000 Stunden, basierend auf den Leistungsdaten.

Diese Netzteile arbeiten in einem Eingangsspannungsbereich von 90 V_AC bis 264 V_AC mit Netzfrequenzen von 47 Hz bis 440 Hz. Ihr Eingangsleistungsfaktor beträgt in der Regel 0,99, und ihr Eingangsstoßstrom ist auf 25 A begrenzt.

Die Gesamtspannungsregelung, einschließlich Netz, Last, Temperaturänderung und Aufwärmphase, beträgt 2% dank digitaler Rückkopplungsregelung. Diese Netzteile können sich den Ausgangsstrom teilen, so dass bis zu 10 Netzteile parallel geschaltet werden können, um die Ausgangsleistung zu erhöhen.

Zu beachtende Schutzfunktionen

Die Netzteile der Serie LCM1500 verfügen über mehrere Schutzfunktionen. Diese sind für Anwendungen wie Cobots erforderlich, bei denen ein blockierter Motor der Stromversorgung zu viel Strom entziehen kann. Die wichtigsten Funktionen sind:

• Der Überspannungsschutz (OVP) schaltet die Versorgung im Falle einer Ausgangsüberspannung ab. Sie schützt die AGV-Batterien vor einer Überladung während eines Stromausfalls und wird durch Ausschalten des AC-Eingangs wieder aufgehoben.
• Der Überstromschutz (OCP) ist eine interne Schaltung zur Begrenzung des Stroms im Falle einer Überlast oder eines Kurzschlusses. OCP versucht ca. 20 Sekunden (s) nach Beseitigung der Überlast automatisch eine Wiederherstellung.
• Der Kurzschlussschutz (SCP) schützt alle Ausgänge im Falle eines Kurzschlusses zur Erde oder zu einem anderen Ausgang. Wie bei OCP wird der Ausgang 20 s nach Beseitigung des Kurzschlusses wiederhergestellt.
• Der Übertemperaturschutz (OTP) schaltet das Netzteil ab, wenn die Umgebungstemperatur unter Volllast +55°C überschreitet. OTP setzt sich selbst zurück, wenn die Temperatur auf einen sicheren Wert fällt.
• Die Netzteile sind durch eine 30A-Sicherung in den AC-Eingangsleitungen geschützt. Die Sicherung ist intern und kann nicht vom Benutzer ausgetauscht werden.

Zwei Status-LEDs auf der Vorderseite zeigen das Vorhandensein von Wechselstrom (ACOK) an und melden den Zustand des Gleichstromausgangs als entweder funktionierend (DCOK) oder im Abschaltmodus (FAIL) (Abbildung 3).

Abbildung 3: Ein Blick auf die Vorderseite des LCM1500 zeigt die Lage der Status-LEDs und die primären Anschlüsse. (Bildquelle: Advanced Energy, geändert von Art Pini)

Wenn das Netzteil normal funktioniert, leuchten diese LEDs grün. Im Falle eines Ausfalls sind sie ausgeschaltet. Die wichtigsten Eingangs-, Ausgangs- und Steueranschlüsse auf der Vorderseite sind ebenfalls abgebildet.

PMBus vereinfacht das Stromversorgungsmanagement

Der Industriestandard PMBus ist ein I²C-basiertes Kommunikationsprotokoll zur Verwaltung von Stromversorgungen. PMBus funktioniert mit allen Arten von Energiemanagementprodukten, einschließlich AC/DC-Netzteilen. Die LCM1500-Serie verfügt über eine I²C-Schnittstelle, die über den Signalanschluss zugänglich ist. Dies ermöglicht die Überwachung und Steuerung der Stromversorgung über PMBus-Befehle, einschließlich des Ein- und Ausschaltens, der Überwachung des Status, der Einstellung des Ausgangsspannungspegels und mehr. Die Fernsteuerungsfunktion ist nützlich, um Robotergeräte interaktiv zu steuern, beispielsweise um das Gerät in den Standby-Modus zu versetzen und so den Stromverbrauch zu senken, wenn der Cobot nicht in Betrieb ist.

Normen und Zertifizierungen

Die Serie LCM1500 erfüllt die Anforderungen an elektrische Sicherheit, EMV und internationale Vorschriften für industrielle Automatisierungsanwendungen, einschließlich der Zertifizierungen nach IEC/EN/UL 62368-1 und verwandten Normen (Abbildung 4).

Abbildung 4: Die Abbildung zeigt eine Zusammenfassung der LCM1500-Zertifizierungen und -Zulassungen in den Bereichen Sicherheit, EMV, Industrie, Medizin und internationale Vorschriften. (Bildquelle: Advanced Energy Industries)

Das Design der LCM1500-Serie gewährleistet außerdem die Einhaltung von FCC Teil 15, CISPR 32, EN55022 und der relevanten Abschnitte der EN61000 (IEC 61000) für Störfestigkeit. Diese Anforderungen gewährleisten die elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) in der Fabrikumgebung, in der mehrere HF-Quellen und -Empfänger nebeneinander bestehen müssen.

Optionen und Konfigurationen für LCM1500-Netzteile

Die LCM1500-Netzteile sind in einer Vielzahl von Konfigurationen erhältlich, die den Entwicklern helfen, die Anforderungen ihrer Anwendungen zu erfüllen.

Das LCM1500Q-T-4 bietet Nennwerte von 1500 W und 24 V sowie einen maximalen Ausgangsstrom von 67 A. Es verfügt außerdem über einen optionalen integrierten 5V-Standby-Ausgang, der bis zu 2 A für Hilfsstromkreise liefern kann. Die Standby-Leistung ist über den 20-poligen Steueranschluss verfügbar.

Das LCM1500W-T-B ist ein Frontend-Netzteil für 1500 W mit einem 48V-Ausgang und einem maximalen Ausgangsstrom von 33 A. Es bietet zwei Optionen: Gegenläufige Belüftung und Konstantstrom. Die gegenläufige Belüftung kehrt die Standard-Belüftungsrichtung (von hinten nach vorne) um. Das bedeutet, die Luft wird durch die Frontplatte angesaugt und tritt durch die hinten montierten Lüfter aus. Bei der Konstantstromoption wird der Ausgangsstrom durch Variation der Spannung auf einem festen Niveau gehalten.

Das letzte Modell ist das LCM1500Q-T-5, ein 24V-Netzteil für 1500 W mit einer maximalen Stromstärke von 67 A. Es verfügt über eine 5V-Standby-Option und eine Schutzlackierung auf allen Platinen.

Die Schutzlackierung schützt die Platinen vor Feuchtigkeit und Partikelkontamination in industriellen Umgebungen.

Fazit

Entwickler von Robotern und AGVs benötigen zuverlässige Stromquellen, die hohe Leistung in kompakten, fabrikkompatiblen Formfaktoren liefern. Die Stromversorgungen der Serie LCM1500 von Advanced Energy liefern eine Ausgangsleistung von 1500 W mit einer Reihe von Ausgangsspannungen und optionalen Funktionen, wodurch sie sich ideal für Cobot- und AGV-Systeme in Fertigungsumgebungen eignen.