Regenerativ bromsning på motordrivna axlar

I automatiserade industrimaskiner är regenerativ bromsning en teknik som använder de befintliga strukturerna och energin hos elektriska motorer (och deras drivaggregat) tillsammans med särskilda underkomponenter för att bromsa, stoppa och återaktivera axlar. Regenerativa bromstekniker ger mycket kontrollerbara och energieffektiva (för att inte nämna kompakta) alternativ till friktionskopplingar och bromsar. Kort sagt, kretsarna som är involverade i regenerativ bromsning omvandlar den dynamiska mekaniska energin från motorns roterande rotor, och eventuell ansluten last, till elektrisk energi. Denna matas sedan in i strömmatarledningen för annan användning eller omvandling till värme.

Återvinning av motorenergi användes först i fordonstillämpningar i början av 1900-talet och i järnvägstillämpningar på 1930-talet. Återvinningen började kallades regenering i samband med de första hybridbilarna - där bromsenergi laddar batterierna. Idag finns industriella tillämpningar för regenerativ bromsning (och konstruktionsvariationer) i överflöd.

Figur 1: VFD-EL-multifunktionsenheter kör växelströmsmotorer med mycket noggrann strömreglering. En vanlig likströmsbuss förenklar installation sida vid sida och de flesta VFD-EL-drivmodeller kan anslutas parallellt för att dela regenerativ bromsenergi. Det i sin tur förhindrar överspänning och stabiliserar likströmsspänningen. (Bildkälla: Delta IA )

1. Dynamisk bromsning (kallas ibland regenerativ motståndsbromsning) är en form av regenerativ energianvändning - men skiljer sig från vad som kallas sann regenerativ bromsning. Här avleder systemets drivaggregat (även kallad en växelriktare för sin definierande funktion) motorrotorns rotationsenergi genom omvandling till värme för att helt bromsa motorn - och inget annat . Till exempel kan en rörelseaxel på en automatiserad maskin plötsligt stängas av medan dess elektriska motor går. Vanligtvis är systemfriktionen tillräckligt låg för att rotorn ska frirulla, vilket per definition är utom kontroll. Frirullningen fortsätter tills den kinetiska energin är förbrukad, vilket kan ta ganska lång tid - och innebär en risk för maskinskador eller personskador under tiden. Dynamisk bromsning åtgärdar detta problem genom att stoppa motorerna snabbare genom omvandling av rotorns rörelseenergi till elektrisk energi. Det senare utförs av spänningsreglerade motstånd som i sin tur omvandlar energin till värme.

Många motordrivenheter - särskilt digitala servoförstärkare - har inbyggda motstånd för att omvandla energin i kylkroppar. Men om den motordrivna axeln avger regenerativ energi som överskrider drivmotståndens sammanlagda klassade kapacitet, kan externa regenerativa motståndsbanker vara nödvändigt. Det är ganska typiskt för axlar som uppvisar stora tröghetsförhållanden för last relativt motor.

Figur 2: Denna MDDHT5540E-servodrivning inkluderar ett inbyggt regenerativt motstånd för att möjliggöra regenerativ bromsning. Det regenerativa motståndet släpper ifrån sig energi (genom bromsandet av en vertikalt anordnad last eller last av stor tröghet) och returnerar den energin tillbaka till drivningen. Modellerna i ram A, B, G och H i denna serie innehåller inget regenerativt motstånd, så externa regenerativa motstånd rekommenderas. Ram C- till ram F-drivningarna i denna serie innehåller ett inbyggt regenerativt motstånd, och att lägga till ett externt regenerativt motstånd ökar regenereringsförmågan. (Bildkälla: Panasonic Industrial Automation Försäljning )

När ett regenerativt bromssystem använder ett externt tilläggsbromsmotstånd, ansluts det senare vanligtvis mellan motordrivningens plintar; systeminställningsprogrammet kan sedan upptäcka och profilera tilläggsmotståndet och dess värmeupptagningskapacitet. Ett vanligt motståndsformat är ett aluminiumhölje fyllt med material med hög värmeledningsförmåga för snabb värmeavledning. Snabb omvandling av värme är särskilt viktigt för kontinuerlig bromsning.

Figur 3: Detta BAB116025R0KE-bromsmotstånd BA-serien i aluminium är lämpligt för tillämpningar med hög effekt vid regenerativ bromsning. Den är konstruerad med trådlindning på keramiska kärnor och glimmerplåtisolering för dess goda dielektriska egenskaper. En inbäddad termisk brytare gör det möjligt att använda motståndet i säkerhetstillämpningar. (Bildkälla: Ohmite )

2. Regenerativ bromsning skiljer sig från dynamisk bromsning genom att den matar mekaniskt genererad elektrisk energi tillbaka till huvudströmförsörjningen eller den gemensamma DC-bussen för att behålla den regenerativa energin för:

• Återanvändning vid bromsning
• Återaktivering av den bromsade axeln
• Driva andra axlar i systemet

De flesta regenerativa bromssystem i industriell automation, ibland kallade line regen-aggregat, använder isolerade bipolära transistorer (IGBT) för att möjliggöra dubbelriktat effektflöde mellan motorn och strömkällan, vilket är omöjligt med traditionella växelriktarbryggor som använder dioder. Observera att denna användning av IGBT skiljer sig mot en del av dagens elfordonstillämpningar som är baserade på drivaggregaten till framdrivningen. Läs mer om bredbandsledande halvledare i kiselkarbid (SiC) för sådana drivningar i denna artikel på digikey.com om ämnet . I vissa fall kan SiC-baserade aggregat konvertera likström till trefas växelström för att driva motorn (och sedan omvandla den regenerativa bromsenergin tillbaka till likström för batteriladdning) med högre verkningsgrad och effekttäthet än IGBT- och andra MOSFET-komponenter.

Eftersom regenerativ bromsning omvandlar motorrotorns mekaniska energi till elektrisk energi, får det effektivt motorn att fungera som en generator i kvadrant två och fyra i koordinatsystemet hastighet/vridmoment, när befallt vridmoment och rotation går i motsatta riktningar. Detta är när:

• Axelkommandot vänds och rotorn fortsätter att svänga i motsatt riktning
• Rotorhastigheten överstiger den synkrona utgångshastighet som begärs från motorn

Det finns hakar när regenerativ bromsning integreras i en automatiserad konstruktion: Regenerativ bromsning kan sakta ner men inte stoppa och hålla laster. När axeln närmar sig fullständigt stopp finns det knappt energi kvar för att excitera motorn som nu agerar som generator. Så i avsaknad av annan broms eller elektronik, görs resten av inbromsningen till stopp genom frirullning. Dessutom finns det gränser för hur mycket energi som kan matas tillbaka till vanliga DC-busskondensatorer innan ett överspänningsfel utlöses. Så väl specificerade regenerativa drivningar returnerar en tillräcklig mängd till växelströmskällan - eller använder specialkonstruerade gemensamma bussar. Eftersom den senare omvandlar kraft från växelström till likström bara en gång innan energin återanvänds av en drivenhet, är de särskilt effektiva.

En annan del av en VFD som kan skräddarsys speciellt för regenerativ bromsning inkluderar likriktaren. Varianter benämnda aktiv front-end-likriktare minimerar övertonerna i systemströmmen. Gå igenom AFE2000-seriens aktiv front-end från Delta Electronics, som eliminerar de traditionella bromsmotstånden genom att omvandla överflödig energi till återanvändbar energi som matas tillbaka till elnätet. AFE200:s front-end är utformad för ett brett spektrum av tillämpningar för att maximera energieffektiviteten. Denna och andra enheter med regenativa funktioner löser också ett brett spektrum av harmoniska distorsioner på systemströmmen (speciellt vid låg effekt) för att i sin tur skydda närliggande elektronik (t.ex. för regleringsåterkopplingen) från EMI.

3. Injektion av likström för elmotorbromsning (i vissa sammanhang helt enkelt benämnt likströmsbromsning) inkluderar drivelektronik som matar likström till en eller två av växelströmsmotorns lindningar. Oavsett det exakta utförandet, triggas de flesta likströmsinjekteringssystem till handling när ett relä eller annan styrning stänger av motorns roterande magnetfält. Därefter utlöser ett annat relä eller elektronisk bromsstyrning (inuti VFD-drivningen) matningen av likström från systemets likströmsbuss till motorlindningarna. Högre ström medför större bromskraft, men dessa komponenter reglerar den pålagda spänningen och håller strömmen i lindningarna under motorns maximala kapacitet.

Resultatet av likströmsinjekteringen är ett icke-roterande elektromagnetiskt fält från statorn som stannar och håller rotorn (och eventuella anslutna laster) fixerad.

Figur 4: Här visas Omrons säkerhetsrelä SR125SMS45 för rörelsestopp som spårar när anslutna motorer har stannat helt (genom att känna av back-EMF över motoranslutningarna) och sedan öppnar de gate-styrda arbetscellerna. Reläet fungerar med likströmsinjektionsbromsar och andra elektroniska motorstyrningar. (Bildkälla: Omron Automation and Safety)

Den huvudsakliga begränsningsfaktorn för likströmsinjektering är hur mycket bromsinducerad värme en motor och dess tillhörande elektronik kan avleda utan att skadas termiskt. Det begränsar storleken och längden på vilken bromsström som kan påläggas. Inte konstigt att DC-injekteringsbromsning sällan används för att hålla laster fixerade eller fungera som felsäkra bromssystem. För att förhindra överhettning i vissa DC-injekteringssystem, kan nollhastighetssensorer bryta strömmen så snart det står klart att rotorn har slutat rotera.

Välja mellan (och kombinera) regenerativ bromsning, likströmsinjektering och dynamisk bromsning

De flesta konstruktörer kan utnyttja fördelarna med regenerativ effekt under ett eller flera vanliga arbetsmoment. Regenerativ bromsning i automatiserade maskiner är dock som mest användbart på specifika motordrivna axlar.

Dynamisk bromsning (baserad på kostnadseffektiva bromsmotstånd) är mest lämplig för automatiska lågbelastade axlar som behöver bromsas och backas då och då.

Regenerativ bromsning är lämplig för automatiserade axlar som behöver:

• Stoppas och startas ofta
• Manövrering av överhalningslaster som får rotorns varvtal att överstiga motorhastigheten - som på hissar och lutande transportband
• Tillämpningar med kontinuerlig belastning (inklusive sådana som kräver tillräcklig frekvent drift för att betraktas som konstant belastning)
• System för vilka energibesparingarna kan motivera den extra kostnaden för en regenerativ enhet

Som beskrivits ovan kan DC-injektionsbromsning användas ensamt. Det är dock vanligare att DC-injektionsbromsning kombineras med regenerativ eller dynamisk bromsning. Det beror på att DC-injektionsbromsningen fyller bromsfunktionen där den regenerativa bromsningen ebbar ut; när axeln närmar sig sitt stopp och kräver fixering. Bromssystem med dubbla system som dessa utnyttjar styrkorna i flera olika teknologier för äkta högpresterande elektronisk bromsning som ger liten risk för överhettning.

Exempel på tillämpning för regenerativ bromsning

Regenerativ bromsning är en användbar metod för att sakta ner och styra en mängd rörliga laster, samtidigt som det återvinner den kinetiska energin för annan användning i systemet. Ökat fokus på energieffektivitet har fått konstruktionsingenjörer att använda regenerativ bromsning i tillämpningar som har goda möjligheter till energiåtervinning. Detta inkluderar konstruktioner som bl.a.:

• Vertikala axlar för hissar, kranar och hissar: Exempelvis kräver nedfirning av upplyfta laster utan motvikt att ett motormoment påläggs som balansering för att åstadkomma en kontrollerad sänkning. Det är viktigt i dessa situationer att bromssystemet fungerar väl även om huvudströmmen bryts. I annat fall kommer den kinetiska energin inte att ha något utlopp - och axeln går in i fritt fall eller ett okontrollerat tillstånd. I andra fall kan en reserv- eller nödgenerator (med egna konstruktionskrav) användas. När generatorkraft växlas på, inaktiverar de flesta system tillfälligt sina enheters energiåtervinningsfunktioner.
• Snurrcentrifuger, testbänkar och fläktar: Många av dessa konstruktioner är axlar med konstant lastcykel som kräver de externa tilläggsbromsmotstånd som nämnts tidigare.
• Drivning och sträckning av viror: Här är växelströmsinduktionsmotorer (ihopkopplade med VFD:er för regenerativ bromsning) vanliga. Det beror på att sådana rörliga konstruktioner skickligt hanterar snabbroterande axlar på tryckpressar samt inom hantering av pappers- och plastrullar.
• Snabbaccelererande och bakåtgående axlar: Regenerativ bromsning hjälper till att göra dessa rörelser effektivare på avancerade transportörer, sågar och tunga robotar. Det ökar verkningsgraden i VFD-baserad drift genom att matcha rotorhastighet och vridmoment till tillämpningsbehovet och hjälper till att snabbt stoppa snabbroterande axlar som är så vanliga i servotillämpningar.

Figur 5: Panasonics servodrivningar kombinerar avancerad teknik med ett brett effektomfång på 50 W till 5 kW. Enheterna kan undertrycka vibrationer vid resonansfrekvenser och verkställa puls-, analog- och nätverksbaserade styrkommandon med hastigheter upp till 100 Mbit/sek. Mjukvaran FPWIN Pro7 möjliggör fullständig konfigurering och upprättande av en PLC-anslutning. Till servodrivningarna kan inkopplas valfria bromsmotstånd. (Bildkälla: Panasonic Industrial Automation Sales)

Sammanfatttning

Att förstå skillnaderna mellan likströmsinjektion, dynamisk bromsning och regenerativ bromsning är avgörande för att kunna precisera lämplig teknik för en viss axel. Det är också bra att välja elmotorer och drivningar som kan klara av och leverera hastighets- och vridmomentreglering med hjälp av dessa metoder. Dynamisk bromsning är vanligtvis ganska lämpligt för axlar i måttligt krävande drift som kräver en viss bromsning. Till skillnad från detta kompletterar regenerativ bromsning mycket dynamiska axlar och kritiska funktioner på automatiserade maskiner och även servon. System för ströminjektion används oftast i kombination med dessa andra metoder.