工业电力系统设计                         
电力系统由电气和电子元器件组成，用以控制向自动化机械输送的电力。这些系统及其子组件可确保机器保持安全、精确和高效的运行，而无论电力供给或机器本身的状况如何变化。
所有工业自动化（电池或其他方式供电）都可以追溯到其源头，即电力公司输配电网的交流电 (AC)。在这些公用事业供电业务中，所用的发电机也可以很轻松地设计成产生直流电 (DC)——事实上，工业自动化中的许多设备都使用直流电源。但是，之所以使用交流电，是因为其很容易（借助变压器）升压和降压至各种电压。这一点非常重要，因为若要最大限度地实现高效长距离输电和配电，需要极高的电压。
下面来看看有哪些方式可能会影响市电供电给自动化机械。
停电：断电或停电是指在一个或多个电力发电、输电、配电和变电地点，因某些供电故障而完全掉电。依赖于电力的关键基础设施，如水处理厂、医院、数据中心以及敏感的工业自动化设施，通常都会在本地配备一些基于发电机的备用电源，以确保在电网停电期间继续运行。
欠压：这种欠压状态持续的时间较长，可达数分钟或几小时。若需要在紧急情况下降低功耗，也可能会故意造成这种情况。在欠压时，加热器和白炽灯等电阻设备只是按照电压降低的比例减少其输出。欠压并不会对这些设备造成损害。此外，有些电机会采用类似的方式，而有些电机可能会消耗更多的电流，从而导致过热和潜在的烧毁。电源和数码设备可能会受到不同的影响，且有可能发生故障。
频率不稳定：当今，大多数不可再生（及一些可再生）的发电方式都是利用涡轮机，驱动电磁线圈（转子）在构成定子的一系列粗铜条内旋转。每当转子的磁场通过其中一根定子条时，就会产生电流。当转子的正负极通过定子时，电流会交替改变方向。以 3000 rpm 旋转的发电机可产生频率为 50 Hz 或 60 Hz（美国）的交流电。在标准发电机中，三组铜条可产生配电系统中的三相。
在整个国家电网中，每台发电机的频率必须保持同步，才能维持稳定的电网频率，确保其容差通常在 1% 或更好的范围内。这其中的挑战往往被忽视。电网上用电需求的波动会造成发电机电磁负荷与输入机械功率出现差异。而这会导致转子转速变化和电网频率波动。
大型重型发电机的惯性可抑制频率变化率。火力发电（包括生物质发电和化石燃料发电）就会提供这种惯性，并通过快速改变输送到发电机的功率来实现良好的频率响应。但是，随着风能和太阳能发电的日益普及，维持公用电网频率稳定性的挑战也大幅增加。虽然可以通过开关发电机来提供一定程度的频率响应，但小型运营商的激增令电网层面的协调工作变得复杂。另外，风能和太阳能的惯性也很小，因此越来越需要昂贵的配套频率稳定服务。这些服务采用电池、熔盐、飞轮和超导回路模式来储能。
浪涌：在配电系统内，电压一般控制在 5% 或更好的容差范围内。它通过产生和吸收无功功率在电网级别进行控制。电压浪涌一词是一个模棱两可的术语，指的是几种不同的过压状况。电源质量标准 IEEE 1100-2005 提供了更明确的定义——瞬变和骤升。
瞬变尖峰持续时间从微秒到几毫秒。脉冲瞬变是由闪电或电机关闭引起的过电压骤升。振荡瞬变是指电压交替地骤升再迅速回缩。此外，瞬变也可指相同时长内的欠压状况。它们可由电感或电容负载开启或关闭引起。
相比之下，骤升是比瞬变持续时间更长的过压，通常持续几个周期且电压比正常电压高 5% 至 10%。电压骤降或暂降是持续相同时长的欠压状况，因此骤降与骤升相反。

电源形式和功能

上述多种市电问题的解决方案是高级电源。如本文前面所述，这些设备可为电力负载提供电力。本部分将重点介绍自动化应用中的独立电源产品。
独立电源有时称为电力转换器，能将源电流转换为可由所连接电气或机电负载（例如电机）使用的电流、电压和频率。该电源还可用于将负载电流限制在安全范围内，并在检测到电气故障时切断输入电源。另一项功能是功率调节，通过减轻电磁干扰 (EMI) 和电压浪涌效应来保护所连接的电力负载。
另外，它还具有一些其他电源功能，如与储能和功率因数校正有关的功能，具体取决于电力负载。
只需想想当今大量需要直流电才能运行的设备便会知道，这些设备需要电源能够将交流转换为直流。这种转换由整流器执行。交流电会不断改变方向，而直流电则单向流动。这就是整流器通常基于二极管的原因，其工作原理就像单向阀——只允许电流单向通过。此外，电源还可能会整合电容器和电感器等储能和平滑元件，对输出进行滤波，最终产生更恒定的电压。
如上所述，最基本的电源由变压器和整流器组成；前者用于改变电压，后者用于转换为直流输出。但是，现代电源执行许多其他功能，包括电压调节、浪涌保护，以及滤除噪音和谐波。例如，不间断电源 (UPS) 的主要功能是在停电期间提供连续电力，但 UPS 也可用于许多前述功能来改善电能质量。此类电源包括多个其他电气和电子子组件来执行这些更高级别的任务。
下面来看看线性电源与开关电源在交直流电源转换方面的区别，及其调压功能的重要性。此类电源有两种基本方式来执行电压调节。
1.线性电源首先使用变压器将输入的交流电转换为所需的电压。然后，由整流器执行基本的交流到直流转换，并由额外的滤波产生更高电平的直流。为防止出现欠压情况，此输出必须略高于实际输出电压。
电压调节通过以热量形式耗散多余的功率来实现。稳压装置作为可变电阻来连续调节分压器，确保输出端子保持为固定电压，而多余的电压则分配给能量耗散电阻。当稳压装置与负载并联时，称为并联稳压器。当稳压装置与负载串联时，称为串联稳压器。由于不断以热量形式耗散能量，这意味着线性电源的效率较低，只有 60% 左右。
2.开关电源或开关模式电源 (SMPS) 使用更复杂的电子器件来实现 80% 或更高的效率。它们在负载与电感器和电容器等板载储能元件之间快速切换电源，而不是持续耗散能量。在执行这种类型的电压调节之前，必须先将电能转换为超高频率的交流电（通常高于 20 kHz）。若输入为交流电，则先整流后逆变，以产生高频交流电。
接下来，由电源执行电压转换，而且由于频率较高，因此可使用比同类线性电源所需更小的变压器。这意味着，与线性电源相比，SMPS 的另一个优势是体积更小，重量更轻。有关更多信息，请参阅 Digi-Key 有关 Qualtek 品牌开关电源的教程。
3.虽然超出了本文的范围，但请注意，电源还有第三种混合电压调节选项。这些选项在为工业自动化装置中较小的电机驱动轴供电时特别有用。

常见监管要求
多个标准规定了对电源系统的要求。例如，到 2020 年底，所有计算机和视听设备都需要符合 IEC 62368-1：A/V 信息和通信技术设备第 1 部分：安全要求的规定。这就对此类设备的内置电源以及外部电源提出了额外的要求。此标准纯粹是出于安全考虑，对设备的性能或功能不作任何要求。虽然在美国，对于已证明符合以前标准的设备来说，似乎还有一些回旋余地，但在欧洲，这些变更将按照 EN 62368-1 更加严格地执行。
另一个标准定义了基于危险防范的安全工程 (HBSE) 方法，其中涉及识别潜在的危险能量源、按危险等级进行分类、确定防范措施，然后认证防范措施。能量源的危险等级分为三类：
• 第 1 类：暴露于电能量源不会造成疼痛，但可能感觉到——不太可能引燃。
• 第 2 类：暴露于电能量源会造成疼痛，但不会带来伤害——可能引燃，但火势的增长和蔓延有限。
• 第 3 类：暴露于电能量源会带来伤害——很可能引燃，火势也可能迅速增长和蔓延。
另一套影响电源的法规是美国国家消防协会 (NFPA) 的法规，其中包括 NFPA 110 应急和备用电源系统标准。此标准定义了许多电源安全安装要求。最重要的是要确保备用电源系统能够可靠地支持建筑物中的重要防范系统（如应急照明或泵系统）。

总结
在涉及工业自动化的设施中，需要在各种位置安装电气和电子的电能质量元件，包括工厂的公用事业服务入口以及最偏远的机械组件处。只有这样，自动化过程才能保持安全可靠，而无论当前的市电线路状况如何。
电源的选择（特别是在工业自动化装置的现场层面）取决于应用负载的要求及其对电能质量和停电保护的需求。在大多数应用中，开关模式电源已经取代了线性电源；但在指定 UPS 时，选择往往不是那么简单。