Regenerativ bremsning på motordrevne akser

I industriel-automatiseringsmaskiner er regenerativ bremsning en teknik, der anvender elektriske motorers (og deres drev) eksisterende strukturer og energi sammen med dedikerede underkomponenter til at bremse, stoppe og genaktivere akser. Regenerative bremseteknikker giver yderst kontrollerbare og energieffektive (for ikke at nævne kompakte) alternativer til friktionskoblinger og -bremser. Kort sagt, kredsløbet involveret i regenerativ bremsning konverterer den dynamiske mekaniske energi fra motorens roterende rotor og eventuelle tilknyttede belastninger til elektrisk energi. Sidstnævnte føres derefter tilbage i kraftledningen til anden brug eller spredning.

Først anvendt i bilapplikationer i begyndelsen af 1900'erne og i jernbaneanvendelser i 1930'erne blev regenerering af motorenergi først kaldt regenerering med de første hybridbiler - hvor bremseenergi oplader batterier ombord. Dagens industrielle applikationer (og designvariationer) til regenerativ bremsning er overflod.

Figur 1: VFD-EL multifunktionsdrev køre vekselstrømsmotorer med strømstyring med høj præcision. En almindelig DC-bus forenkler installation side om side, og de fleste VFD-EL-drevmodeller kan forbinde i parallelle systemer for at dele regenerativ bremseenergi. Det forhindrer igen overspænding og stabiliserer DC-spændingen. (Billedkilde: Delta IA)

1. Dynamisk bremsning (undertiden kaldet regenerativ modstandsbremsning) er en form for regenerativ energiforbrug - skønt den adskiller sig fra det, der kaldes ægte regenerativ bremsning. Her er systemets drev (også kaldet en inverter for sin definerende funktion) spreder motorens rotationsenergi gennem varmeaffald for fuldt at bremse motoren - og intet mere. For eksempel kan en bevægelsesakse på et automatiseret maskine pludselig slukke, mens dens elektriske motor kører. Normalt er systemfriktion lav nok til at lade rotoren fortsætte, som pr. definition er ude af kontrol. Roteringen fortsætter, indtil den kinetisk energi er brugt, hvilket kan tage ganske lang tid - og udgør en risiko for maskinskader eller personskade i mellemtiden. Dynamisk bremsning løser dette problem ved at bringe motorer til hurtigere stop ved omdannelse af rotor kinetisk energi til elektrisk energi. Sidstnævnte udføres af spændingsregulerede modstande, der igen omdanner energien som varme.

Mange motordrev - især digitale servoforstærkere - har indbyggede modstande til en sådan energiforbrug af kølelegemet. Men hvis den motordrevne akse ser regenerativ energi, der overstiger drivmodstandernes kombinerede nominelle værdi, kan det være nødvendigt med eksterne regenerative modstandsbanker. Det er temmelig typisk på akser, der udviser store forhold mellem belastning og motor-inerti.

Figur 2: Dette MDDHT5540E servodrev inkluderer en indbygget regenerativ modstand for at muliggøre regenerativ opbremsning. Den regenerative modstand udleder energi (fra at stoppe en lodret anbragt eller høj inerti belastning) og returnerer den energi tilbage til drevet. Ramme A, B, G og ramme H-modeller i denne serie indeholder ingen regenerativ modstand, så valgfri regenerative modstande anbefales. Ramme C til ramme F-drev i denne serie indeholder en indbygget regenerativ modstand, og tilføjelse af en ekstern regenerativ modstand øger regenereringsevnen. (Billedkilde: Panasonic Industrial Automation Sales)

Hvor et regenerativt bremsesystem anvender en ekstern add-on bremsemodstand, forbinder sidstnævnte normalt mellem motordrevsterminalerne; systemtuning-software kan derefter registrere og profilere add-on modstanden og dens varmeudstødnings-funktioner. Et fælles modstandsformat er et med et aluminiumshus fyldt med materiale med høj varmeledningsevne til hurtig termisk spredning. Hurtig afgivelse af varme er især vigtig ved kontinuerlig bremsning.

Figur 3: Denne BA-serie BAB116025R0KE bremsemodstand i aluminium er velegnet til højeffektive applikationer til regenerativ bremsning. Det er konstrueret med tråd viklet på keramiske kerner og glimmerpladeisolering for høje dielektriske egenskaber. En indbygget termisk afbryder muliggør brug af modstanden i sikkerhedsapplikationer. (Billedkilde: Ohmite)

2. Regenerativ bremsning adskiller sig fra dynamisk bremsning ved, at den tilfører elektrisk genereret elektrisk energi tilbage til hovedstrømforsyningen eller fælles DC-bus at beholde den regenerative energi til:

• Genbrug ved bremsning
• Genaktivering af den bremsede akse
• Tænd for andre akser på systemet

Nogle gange kaldet linje regen enheder, de fleste regenerative bremsesystemer i industriel automatisering, anvender bipolære transistorer med isoleret port (IGBT) for at tillade tovejs strøm af strøm mellem motoren og strømkilden, hvilket er umuligt med traditionelle inverterbroer, der bruger dioder. Bemærk, at denne brug af IGBT kontrasterer med nogle af nutidens anvendelser til elektriske køretøjer baseret på trækkraftdrev. Læs mere om bredbåndsgap halvledere såsom siliciumcarbid (SiC) til sådanne drev i denne digikey.com-artikel om emnet. I nogle tilfælde kan SiC-baserede enheder konvertere jævnstrøm til trefaset vekselstrøm for at drive motoren (og derefter regenerativ bremseenergi tilbage til jævnstrøm til batteriopladning) med mere effektivitet og effekttæthed end IGBT'er og andre MOSFET'er.

Fordi regenerativ bremsning omdanner motorrotorens mekaniske energi til elektrisk energi, får den effektivt motoren til at fungere som en generator i kvadrant to og fire af bevægelseskontrolhastigheds-momentplanet, når kommanderet drejningsmoment og rotation er i modsatte retninger. Dette er når:

• Aksekommandoen vender om, og rotoren fortsætter kortvarigt med at dreje i den modsatte retning
• Rotorhastigheden overstiger motorens kommandoerede synkronhastighedsudgang

Der er advarsler, når regenerativ bremsning integreres i et automatisk design: Regenerativ bremsning kan sænke, men ikke stoppe og holde belastningen. Da aksen nærmer sig et fuldstændigt stop, er der lidt energi tilbage for at motoren fungerer som generatoren. Så uden yderligere bremse eller elektronik gøres resten af bremsningen ved at stoppe gennem friløb. Derudover er der grænser for, hvor meget energi der kan føres tilbage til standard DC-buskondensatorer, før der udløses en overspændingsfejl. Så veldefinerede regenerative drev returnerer en tilstrækkelig mængde til AC-kilden - eller gør brug af specielt konstruerede common-busser. Fordi sidstnævnte kun konverterer strøm fra vekselstrøm til jævnstrøm, før energien ser genbrug af et drev, er de særligt effektive.

En anden del af en VFD, der kan skræddersys specielt til regenerativ bremsning, inkluderer ensrettere. Variationer kaldet aktiv frontend ensrettere minimerer harmoniske oversvingninger på systemstrømmen. Overvej AFE2000-serien aktiv frontend fra Delta Electronics, der fjerner traditionelle bremsemodstande ved at omdanne overskydende energi til genanvendelig strøm for at gå tilbage til lysnettet. AFE200 frontender er designet til en bred vifte af applikationer for at maksimere energieffektivitet. Dette og andre drev, der er i stand til regenerative funktioner, løser også et bredt spektrum af harmoniske forvrængninger på systemstrømmen (især ved lav effekt) for igen at beskytte nærliggende elektronik (såsom dem til kontrolfeedback) mod EMI.

3. Injektion af jævnstrøm til elmotorbremsning (i visse sammenhænge simpelthen kaldet jævnstrømsbremsning) inkluderer drevelektronik, der sætter jævnstrøm på en eller to af vekselstrømsmotorens viklinger. Uanset den nøjagtige variation udløses de fleste DC-injektionssystemer til handling, når et relæ eller anden kontrol slukker for motorens roterende magnetfelt. Derefter udløser et andet relæ eller elektronisk bremsekontrol (inden for drevet til VFD'er) levering af jævnstrøm fra systemets DC-bus til motorviklingerne. Højere strøm inducerer mere bremsekraft ... selvom disse komponenter styrer påført spænding og holder strøm i viklingerne til under motorens maksimale nominelle værdi.

Resultatet af jævnstrømsinjektion er et ikke-roterende elektromagnetisk felt fra statoren, der stopper og holder rotoren (og eventuelle vedhæftede belastninger) på plads.

Figur 4: Her vises en Omron SR125SMS45 stop-motion sikkerhedsrelæ, der sporer, når tilsluttede motorer er stoppet fuldstændigt (ved at registrere EMF tilbage over motorterminaler) og derefter åbner gatede arbejdsceller. Relæet fungerer med jævnstrømsbremser og andre elektroniske motorstyringer. (Billedkilde: Omron Automation og sikkerhed)

Den vigtigste begrænsende faktor ved jævnstrømsbremsning er, hvor meget bremsningsinduceret varme en motor og dens tilhørende elektronik kan spredes uden at opretholde termisk skade. Dette begrænser størrelsen og længden af den tid, bremsestrøm kan anvendes. Ikke underligt, at jævnstrømsbremsning sjældent bruges til at holde belastninger eller fungere som fejlsikre bremsesystemer. For at forhindre overophedning i nogle jævnsprøjtningssystemer, nulhastigheds sensorer kan skære strøm, så snart det er klart, at rotoren er stoppet med at rotere.

Valg mellem (og kombination) regenerativ bremsning, jævnstrømsbremsning og dynamisk bremsning

De fleste designere kan udnytte effektiviteten af regenerativ kraft under en eller flere regelmæssige operationer. Regenerativ bremsning i automatiserede maskiner er dog mest nyttigt på specifikke motordrevne akser.

Dynamisk bremsning (baseret på omkostningseffektive bremsemodstande) er bedst egnet til lavt automatiserede akser, der lejlighedsvis bremser eller vender.

Regenerativ bremsning er velegnet til automatiske akser, der har brug for:

• Hyppige stop og starter
• Aktivering af eftersyn af belastninger, der får rotoromdrejningstal til at overstige motorhastigheden, som på elevatorer og skrå transportbånd
• Anvendelser til kontinuerlig drift (herunder dem, der kræver hyppig nok drift til at kvalificere sig som konstant drift)
• Systemer, hvor energibesparelserne kan retfærdiggøre de ekstra omkostninger ved et regenerativt drev

Som forklaret ovenfor kan DC-injektionsbremsning anvendes alene. Imidlertid er det ofte mere almindeligt, at jævnstrømsbremsning kombineres med regenerativ eller dynamisk bremsning. Det skyldes, at jævnstrømsbremsning antager bremsefunktionen, hvor regenerativ bremsning udgår; når aksen nærmer sig stop og kræver hold. Dobbelt-system-bremsearrangementer som disse udnytter flere teknologiers styrker til ægte højtydende elektronisk bremsning, der udgør en lille risiko for overophedning.

Eksempler på anvendelse af regenerativ bremsning

Regenerativ bremsning er en nyttig fremgangsmåde til at bremse og styre en række bevægelige belastninger, mens de genvinder deres kinetiske energi til andet brug. Øget fokus på energieffektivitet har fået designteknikere til at anvende regenerativ bremsning, hvor applikationer giver de bedste muligheder for potentiel energi-genvinding. Disse inkluderer designs, der involverer:

• Lodrette akser til elevatorer, kraner og elevatorer: For eksempel involverer sænkning af hejsetryk uden kontravægt tyngdekraften og motorens drejningsmoment for en sikker og kontrolleret nedstigning. Det er nøglen i disse situationer, at bremsesystemet fungerer godt, selvom hovedstrømmen afbrydes. Ellers har den kinetiske energi intet udløb - og aksen vil komme ind i et frit fald eller en løbende tilstand. I andre tilfælde kan der bruges en backup- eller nødgenerator (med sine egne designkrav). Ved skift til generatorstrøm deaktiverer de fleste systemer midlertidigt deres drevs funktioner til energi-genvindings.
• Centrifuger, centrifugeringsapparater og ventilatorer: Mange af disse designs er konstant-cyklus akser, der nødvendiggør de tidligere nævnte eksterne add-on bremsemodstande.
• Spænding på nettet og webbehandling: Her er AC-induktionsmotorer (parret med VFD'er, der er i stand til regenerativ bremsning) almindelige. Det skyldes, at sådanne bevægelsesdesign behændigt håndterer højhastigheds-inertiaxer af trykpresser såvel som papir- og plastikspolebehandling.
• Hurtigt accelererende og bagudgående akser: Regenerativ bremsning hjælper med at gøre disse bevægelser mere effektive på avancerede transportbånd, sav og tung robotik. Det øger effektiviteten af VFD-baseret drift, der matcher rotorhastighed og drejningsmoment til applikationsefterspørgsel, og hjælper med hurtigt at standse aksler med højt omdrejningstal, der er så almindelige i servoprogrammer.

Figur 5: Panasonics servodrev kombiner avanceret teknologi med et bredt 50 W til 5 kW effektområde. Drevene kan undertrykke vibrationer ved resonansfrekvenser og udføre puls-, analog- og netværksbaseret kontrol ved hastigheder til 100 Mbit/sek. FPWIN Pro7-software tillader fuld konfiguration samt opsætning af PLC-forbindelse. Servodrevene accepterer fastgørelse af valgfri bremsemodstand. (Billedkilde: Panasonic Industrial Automation Sales)

Konklusion

At forstå forskellene mellem jævnstrømsbremsning, dynamisk bremsning og regenerativ bremsning er nøglen til at specificere den passende teknik til en given akse. Det er også nyttigt at vælge elmotorer og drev, der er i stand til at acceptere og levere styring af hastighed og drejningsmoment gennem disse metoder. Dynamisk bremsning er typisk meget velegnet til moderat krævende akser, der kræver en vis bremsning; derimod supplerer regenerativ bremsning meget dynamiske akser og kritiske funktioner på automatiserede (og endda servomaskiner). Systemer til strøminjektion anvendes mest i forbindelse med disse andre metoder.