Regenerativ bremsing på motordrevne aksler

I industriautomatiseringsmaskiner er regenerativ bremsing en teknikk som benytter de eksisterende strukturene og energien til elektriske motorer (og drivaggregatene deres) sammen med dedikerte underkomponenter til å bremse, stoppe og reaktivere akser. Regenererende bremseteknikker gir svært kontrollerbare og energieffektive (for ikke å nevne kompakte) alternativer til friksjonskoblinger (friksjonsclutcher) og bremser. Kort sagt konverterer kretsene som er involvert i regenerativ bremsing den dynamiske mekaniske energien fra motorens roterende rotor og eventuelle tilknyttede laster til elektrisk energi. Sistnevnte mates deretter tilbake til strømledningen for annen bruk eller avledning (til varme).

Første gang brukt i bilindustrien på begynnelsen av 1900-tallet og i jernbanebruken på 1930-tallet, ble regenerering av motorenergi først kalt regenerering med de første hybridpassasjerkjøretøyene – der bremseenergi lades på i batterier ombord. Det florerer av forskjellige industrielle bruksområder (og designvariasjoner) for regenerativ bremsing i dag.

Figur 1: VFD-EL multifunksjonsenheter som driver kjører vekselstrømsmotorer med strømstyring med høy presisjon. En vanlig likestrømsbuss (DC-buss) forenkler side-ved-side-installasjon, og de fleste VFD-EL-drivmodeller kan kobles sammen parallelt for å dele regenerativ bremseenergi. Det igjen, forhindrer overspenning og stabiliserer spenningen på likestrømsbussen (DC-bussen). (Bildekilde: Delta IA)

1. Dynamisk bremsing (noen ganger kalt regenerativ motstandsbremsing) er en form for regenerativ energibruk – men forskjellig fra det som kalles sann regenerativ bremsing. Her avleder systemets drivaggregat (også kalt en vekselretter for sin definerende funksjon) motorrotorens rotasjonsenergi gjennom omvandling til varme, for å bremse motoren helt – og ikke noe mer. For eksempel kan en bevegelsesakse på en automatisert maskindel plutselig slås av mens den elektriske motoren er i gang. Vanligvis er systemets friksjon lav nok til å la rotoren frirulle, som per definisjon er ute av kontroll. Frirulling fortsetter til kinetisk energi er oppbrukt, noe som kan ta ganske lang tid – samt det utgjør en risiko for maskinskade eller personskade i mellomtiden. Dynamisk bremsing løser dette problemet ved å bringe motorer raskere til stopp, ved konvertering av rotorens kinetiske energi (bevegelsesenergi) til elektrisk energi. Sistnevnte utføres av spenningsregulerte motstander som igjen kvitter seg med energien som varme.

Mange motordrivenheter – spesielt digitale servoforsterkere – har innebygde motstander for slik fjerning av varmeavledning fra kjøleribber. Dersom den motordrevne aksen imidlertid ser regenerativ energi som overskrider drivmotstandenes totale verdi, kan det være nødvendig med eksterne regenerative motstandsbanker. Det er ganske typisk på akser med store belastningsforhold mellom last og motor.

Figur 2: Denne servodrivaggregat MDDHT5540E inkluderer en innebygd regenerativ motstand for å muliggjøre regenerativ bremsing. Den regenerative motstanden lader ut energi (fra å stoppe en vertikalt arrangert eller høy treghetslast) og returnerer energien tilbake til drivaggregatet. Modellene ramme A, B, G og H i denne serien inneholder ingen regenerativ motstand, så valgfrie regenerative motstander anbefales. Ramme C til ramme F-drivaggregat i denne serien inneholder én innebygd regenerativ motstand, samt å legge til en ekstern regenerativ motstand øker regenereringskapasiteten. (Bildekilde: Panasonic Industrial Automation Sales)

Dersom et regenerativt bremsesystem benytter en ekstern tilleggsbremsemotstand, kobles den siste motstanden vanligvis mellom terminalene på drivaggregatet. Systeminnstillingsprogramvaren kan deretter oppdage og profilere tilleggsmotstanden og dens egenskaper å kvitte av seg energien som varme. Et vanlig motstandsformat er et med et aluminiumshus fylt med materiale med høy varmekonduktivitet for rask varmeavledning. Å raskt kvitte av seg energien som varme er spesielt viktig for bruksområder for kontinuerlig bremsing.

Figur 3: Denaluminiumsfylte bremsemotstand BAB116025R0KE i BA-serien er egnet for bruksområder med regenererende bremsing med høy effekt. Den er konstruert med trådvikling på keramiske kjerner og glimmerplateisolasjon for høye dielektriske egenskaper. En innebygd termisk bryter tillater bruk av motstanden i sikkerhetsutrustninger. (Bildekilde: Ohmite)

2. Regenerativ bremsing skiller seg fra dynamisk bremsing ved at den mater mekanisk generert elektrisk energi tilbake til hovedstrømforsyningen eller den felles likestrømsbussen (DC-bussen) for å holde den regenerative energien for:

• Gjenbruk ved bremsing
• Reaktivering av bremseaksen
• Drift av andre akser på systemet

Noen ganger kalles linje regen, og de fleste regenerative bremsesystemer i industriell automatisering benytter bipolare transistorer med isolert port (IGBT-er) for å tillate toveis strømflyt mellom motor og kraftkilde, noe som er umulig med tradisjonelle omformerbroer som bruker dioder. Legg merke til at bruken av IGBT-er står i kontrast til noen av dagens bruksområder for elektriske kjøretøyer basert på drivaggregatet for fremdrift. Les mer om halvledere med bred båndavstand som silisiumkarbid (SiC) for slike drivaggregater i denne artikkelen på digikey.com om emnet. I noen tilfeller kan SiC-baserte enheter konvertere likestrøm til trefaset vekselstrøm for å drive motoren (og deretter regenerativ bremseenergi tilbake til likestrøm for batterilading) med høyere virkningsgrad og effekttetthet enn IGBT-er og andre MOSFET-er.

Fordi regenerativ bremsing forvandler motorens mekaniske energi til elektrisk energi, får den motoren til å fungere som en generator i kvadrant to og fire i koordinatsystemets turtalls/dreiemomentplan, når styrt dreiemoment og rotasjon er i motsatte retninger. Dette er når:

• Styringen for aksen reverseres, og rotoren fortsetter kort å rotere i motsatt retning
• Rotorhastigheten overstiger motorens styrte synkronhastighetsutgang

Det er forbehold når man integrerer regenerativ bremsing i en automatisert konstruksjon: Regenerativ bremsing kan bremse, men ikke stoppe og holde laster. Når aksen nærmer seg en fullstendig stopp, er det lite energi igjen for å magnetisere (eksitere) motoren, som fungerer som generator. Så uten en ekstra bremse eller elektronikk, gjøres resten av bremsingen for å få stoppet via frirulling. I tillegg er det grenser for hvor mye energi som kan mates tilbake til standard likestrømsbuss-kondensatorer (DC-buss) før det utløses en overspenningsfeil. Så godt spesifiserte regenerative drivaggregater returnerer en tilstrekkelig mengde til vekselstrømkilden – eller gjør bruk av spesialkonstruerte fellesbusser. Fordi sistnevnte konverterer strøm fra vekselstrøm til likestrøm bare én gang før energien ser gjenbruk av et drivaggregat, har de spesielt høy virkningsgrad.

En annen del av en VFD som kan spesielt tilpasses regenerativ bremsing, inkluderer likeretteren. Variasjoner kalt aktiv front-likerettere minimerer oversvingninger på systemstrømmen. Tatt i betraktning AFE2000-seriens aktive front fra Delta Electronics som fjerner tradisjonelle bremsemotstander ved å konvertere overskytende energi til gjenbrukbar strøm som gjeninnføres i strømnettet. AFE200 fronter er konstruerte for et bredt spekter av bruksområder for å maksimere energieffektiviteten. Denne og andre drivaggregater i stand til regenerative funksjoner løser også et bredt spekter av harmoniske forvrengninger på systemstrømmen (spesielt ved lav strøm) for i sin tur å beskytte nærliggende elektronikk (for eksempel de for styring-tilbakekobling) fra EMI.

3. Injeksjon av likestrøm for elektrisk motorbremsing (i visse sammenhenger bare kalt DC-bremsing) inkluderer drivelektronikk som setter likestrøm på en eller to av vekselstrømsmotorens (AC-motorens) viklinger. Uansett hva som er den nøyaktige variasjonen, utløses aktiveres de fleste likestrøm-injeksjonssystemer når et relé eller annen styring slår av motorens roterende magnetfelt. Deretter utløser et annet relé eller elektronisk bremsestyring (innenfor drivaggregatet for VFD-er) tilførselen av likestrøm (DC) fra systemets likestrømsbuss (DC-buss) til motorviklingene. Høyere strøm induserer mer bremsekraft ... selv om disse komponentene styrer påført spenning og holder strømmen inn i viklingene til under motorens maksimale verdier.

Resultatet av likestrøm-injeksjon er et ikke-roterende elektromagnetisk felt fra statoren som stopper og holder rotoren (og eventuelle tilknyttede laster) på plass.

Figur 4: Her er et Omron sikkerhetsrelé med stoppbevegelsese SR125SMS45 som sporer når tilkoblede motorer har kommet til en fullstendig stopp (ved deteksjon EMF tilbake over motorterminaler) og deretter åpner portede arbeidsceller. Reléet fungerer med likestrøm-injeksjonsbremser og andre elektroniske motorstyringer. (Bildekilde: Omron Automation and Safety)

Den viktigste begrensende faktoren for likestrøm-injeksjonsbremsing er hvor mye bremseindusert varme en motor og tilhørende elektronikk kan avlede uten å få termisk skade. Dette begrenser størrelsen og lengden på tiden bremsestrømmen kan aktiveres. Det er ikke rart at likestrøm-injeksjonsbremsing sjelden brukes til å holde laster eller fungere som feilsikrede bremsesystemer. For å hindre overoppheting i noen likestrøm-injeksjonssystemer, kan nullhastighetssensorer slå av strømmen så snart det er detektert at rotoren har sluttet å rotere.

Velge mellom (og kombinere) regenerativ bremsing, likestrøm-injeksjonsbremsing og dynamisk bremsing

De fleste designere kan utnytte effektiviteten til regenerativ kraft under en eller flere regelmessige operasjoner. Regenererende bremsing i automatiserte maskiner er imidlertid mest nyttig på spesifikke motordrevne akser.

Dynamisk bremsing (basert på kostnadseffektive bremsemotstander) er mest egnet for automatiserte akser med lav effekt som trenger sporadisk bremsing eller reversering.

Regenerativ bremsing er egnet for automatiserte akser som trenger:

• Hyppige stopp og starter
• Aktivering av overhalingslaster som fører til at rotoromdreiningen overskrider motorhastigheten – som på heiser og skrånende transportbånd
• Kontinuerlige bruksområder (inkludert bruksområder som krever hyppig nok drift til å kvalifisere som konstantdrift)
• Systemer der energibesparelsene kan rettferdiggjøre de tilleggskostnadene som kommer på forhånd, for et regenerativt drivaggregat

Som forklart ovenfor kan likestrøm-injeksjonsbremsing aktiveres alene. Det er imidlertid ofte vanligere at likestrøm-injeksjonsbremsing kombineres med regenerativ eller dynamisk bremsing. Det er fordi likestrøm-injeksjonsbremsing forutsetter bremsefunksjonen der regenerativ bremsing dør hen; når aksen nærmer seg stoppen og krever holdeplass. Bremsearrangementer med doble systemer som disse utnytter flere teknologiers styrker for ekte elektronisk bremsing med høy ytelse som gir liten risiko for overoppheting.

Eksempler på bruksområder for regenerativ bremsing

Regenerativ bremsing er en nyttig metode for å bremse og styre en rekke bevegelige laster mens de gjenvinner sin kinetiske energi for annen systembruk. Økt fokus på energieffektivitet har fått konstruksjonsingeniører til å bruke regenerativ bremsing der bruksområder gir de beste mulighetene for potensiell energigjenvinning. Disse inkluderer design som involverer:

• Vertikale akser for personløfter (lifter), kraner og heiser: For eksempel, senking av hevede laster uten motvekt, krever tyngdekraft og motorens dreiemoment for en sikker og kontrollert nedsenkning. Det er viktig i disse situasjonene at bremsesystemet fungerer bra selv om hovedstrømmen er slått av. Ellers vil den kinetiske energien ikke ha noe utløp – og aksen vil gå inn i en tilstand med fritt fall eller løpe løpsk. I andre tilfeller kan en reserve- eller nødgenerator (med egne konstruksjonskrav) brukes. Ved bytte til generatorkraft, deaktiverer de fleste systemer midlertidig drivaggregatenes funksjoner for energigjenvinning.
• Roterende sentrifuger, teststativ og vifter: Mange av disse konstruksjonene er akser med konstant driftssyklus som krever de eksterne tilleggsbremsemotstandene som er nevnt tidligere.
• Banespenning og -behandling: Her er det vanlig med induksjonsmotorer for vekselstrøm (parret med VFD-er) som er i stand til regenerativ bremsing. Det er fordi slike bevegelseskonstruksjoner behersker høyhastighets, høytreghetsakser på trykkpresser i tillegg til papir- og plastspolebehandling.
• Raskt akselererende og reverserende akser: Regenerativ bremsing bidrar til å gjøre disse bevegelsene mer effektive på avanserte transportbånd, sagbruk og tung robotikk. Det øker effektiviteten til VFD-basert drift som matcher rotorhastighet og dreiemoment til etterspørselen for bruksområdet, og bidrar raskt til å stanse akser med høye omdreininger som er så vanlige i servo-utrustninger.

Figur 5: Panasonic sine servo-drivaggregat kombinerer avansert teknologi med et bredt effektområde på 50 W til 5 kW. Stasjonene kan undertrykke vibrasjoner ved resonansfrekvenser og utføre puls, analog og nettverksbasert styring ved hastigheter på 100 Mbit/sek. FPWIN Pro7-programvare tillater full konfigurasjon, så vel som oppsett av PLS-tilkobling. Servo-drivaggregatet aksepterer feste av alternative av bremsemotstander. (Bildekilde: Panasonic Industrial Automation Sales)

Konklusjon

Å forstå forskjellene mellom likestrøm-injeksjonsbremsing, dynamisk bremsing og regenerativ bremsing er nøkkelen til å angi hensiktsmessig teknikk for en gitt akse. Det er også nyttig å velge elektriske motorer og stasjoner som er i stand til å akseptere og leverestyring av hastighets og dreiemoment gjennom disse metodene. Dynamisk bremsing er vanligvis ganske egnet for moderat krevende akser som krever litt bremsing. I motsetning til dette supplerer regenerativ bremsing svært dynamiske akser og kritiske funksjoner på automatiserte maskiner, til og med servo-drivaggregater. Systemer for strøminjeksjon brukes oftest sammen med disse andre metodene.