Regeneratiivinen jarrutus moottorikäyttöisillä akseleilla

Teollisuusautomaatiokoneissa regeneratiivinen jarrutus on tekniikka, joka käyttää sähkömoottoreiden (ja niiden voimansiirron) olemassa olevia rakenteita ja energiaa yhdessä erillisten alikomponenttien kanssa akselien hidastamiseksi, pysäyttämiseksi ja uudelleenkäynnistämiseksi. Regeneratiiviset jarrutustekniikat tarjoavat erittäin hallittavia ja energiatehokkaita (puhumattakaan kompakteista) vaihtoehtoja kitkakytkimille ja jarruille. Lyhyesti sanottuna regeneratiiviseen jarrutukseen käytettävä piiri muuntaa moottorin pyörivän roottorin ja mahdollisten liitettyjen kuormien dynaamisen mekaanisen energian sähköenergiaksi. Jälkimmäinen syötetään sitten takaisin sähköjohtoon muuta käyttöä tai dissipoimista varten.

Moottorienergian talteenottoa käytettiin aluksi moottoriajoneuvoissa 1900-luvun alussa ja rautatieliikenteessä 1930-luvulla. Sitä kutsuttiin regeneroimiseksi ensimmäisten kerran hybridiajoneuvojen yhteydessä, joissa jarrutusenergia lataa ajoneuvon akkuja. Nykypäivänä on runsaasti regeneratiivisesti jarruttavia teollisia sovelluksia (ja tämän erilaisia variaatioita).

Kuva 1: Monitoimiset VFD-EL-taajuusmuuttajat ohjaavat AC-vaihtosähkömoottoreiden sähkövirtaa suurella tarkkuudella. Yhteinen DC-väylä yksinkertaistaa rinnakkaista asennusta, ja useimmat VFD-EL-taajuusmuuttajamallit voidaan kytkeä rinnakkaisiin ryhmiin, jolloin ne jakavat regeneratiivisen jarrutusenergian. Tämä puolestaan ehkäisee ylijännitettä ja vakauttaa DC-väylän jännitteen. (Kuvalähde: Delta IA)

1. Dynaaminen jarrutus (joskus kutsutaan regeneratiiviseksi vastusjarrutukseksi) on yksi tapa käyttää regeneratiivista energiaa – vaikka se eroaa aidosta regeneratiivisesta jarrutuksesta. Tässä järjestelmän taajuusmuuttaja (kutsutaan myös nimellä invertteri määrittelevän toimintonsa vuoksi) dissipoi moottorin roottorin pyörimisenergian lämmöksi moottorin jarruttamista varten – eikä mitään muuta . Esimerkiksi automatisoidun koneen liikeakseli saatetaan yhtäkkiä sammuttaa sen sähkömoottorin yhä käydessä. Yleensä järjestelmän kitka on riittävän alhainen, niin että sen voidaan antaa pyöriä vapaasti. Määritelmän mukaan sitä ei ohjata. Vapaa liike jatkuu kunnes kineettinen energia on käytetty loppuun. Tämä voi viedä melko kauan ja se saattaa muodostaa riskin koneiden vahingoittumisesta tai henkilövahingoista liikkeen jatkuessa. Dynaaminen jarrutus vähentää tätä ongelmaa muuntamalla roottorin kineettisen energian sähköenergiaksi ja pysäyttämällä moottorit nopeammin. Tässä käytetään jänniteohjattuja vastuksia, jotka puolestaan poistavat energiaa lämpönä.

Monissa moottorien taajuusmuuttajissa - varsinkin digitaalisissa servovahvistimissa - energian dissipointiin käytetään jäähdytyselementteinä sisäänrakennettuja vastuksia. Jos moottorikäyttöisen akselin regeneratiivinen energia ylittää kuitenkin taajuusmuuttajan vastusten yhdistetyn nimellislukituksen, ulkoiset regeneratiiviset vastuspankit voivat olla tarpeen. Tämä on melko tyypillistä akseleille, joiden kuomainertian ja moottori-inertian välinen suhde on korkea.

Kuva 2: Tämä MDDHT5540E-servotaajuusmuuttaja sisältää sisäänrakennetun regeneratiivisen vastuksen, joka mahdollistaa regeneratiivisen jarrutuksen. Regeneratiivinen vastus purkaa energiaa (pysäyttämällä vertikaalisen tai inertialtaan korkean kuorman) ja palauttaa energian takaisin taajuusmuuttajaan Tämän sarjan mallit kehyksillä A, B, G ja H eivät sisällä regeneratiivista vastusta, joten niihin suositellaan valinnaisia regeneratiivisia vastuksia. Tämän sarjan taajuusmuuttajat kehyksillä C–F sisältävät yhden sisäänrakennetun regeneratiivisen vastuksen, ja ulkoisen regeneratiivisen vastuksen lisääminen lisää regenerointikykyä. (Kuvalähde: Panasonic Industrial Automation Sales)

Kun regeneratiivisessa jarrujärjestelmässä käytetään ulkoista lisäjarruvastusta, se kytketään tavallisesti moottorin taajuusmuuttajaliittimien väliin; järjestelmän viritysohjelmisto voi sitten havaita ja profiloida lisävastuksen ja sen kyvyn poistaa lämpöä. Tavallinen vastusmuoto on alumiinikotelo, joka on täytetty materiaalilla, jolla on korkea lämmönjohtavuus nopeaa lämmön poistoa varten. Lämmön nopea poistaminen on erityisen tärkeää sovelluksissa, joissa jarrutetaan jatkuvasti.

Kuva 3: Tämä BA-sarjan alumiinikoteloinen BAB116025R0KE-jarruvastus sopii suuritehoisiin regeneratiivisiin jarrusovelluksiin. Sen rakenteessa käytetään keraamisten ytimien ympärille kierrettyä johdinta ja kiille-arkkieristystä korkeiden dielektristen ominaisuuksien saavuttamiseksi. Upotettu lämpökatkaisija mahdollistaa vastuksen käytön turvallisuussovelluksissa. (Kuvalähde: Ohmite)

2. Regeneratiivinen jarrutus eroaa dynaamisesta jarrutuksesta siinä, että se syöttää mekaanisesti tuotettua sähköenergiaa takaisin päävirtalähteeseen tai yhteiseen DC-väylään regeneratiivisen energian säilyttämiseksi seuraavia tarkoituksia varten:

• uudelleenkäyttö jarrutuksessa
• jarrutetun akselin uudelleenkäyttö
• muiden järjestelmän akselien käyttö.

Useimmissa teollisuusautomaation regeneratiivisissa jarrujärjestelmissä käytetään IGBT-transistoreita (Insulated-Gate Bipolar Transistor), jotka mahdollistavat kaksisuuntaisen tehonsiirron moottorin ja virtalähteen välillä. Tämä on mahdotonta perinteisiä diodeja käyttävissä invertterisilloissa. Näitä kutsutaan joskus linja-regen-yksiköiksi. Huomaa, että tämä IGBT-laitteiden käyttö eroaa joistain nykyisistä sähköajoneuvosovelluksista, jotka perustuvat kitkavetoon. Lue tästä aihetta käsittelevästä digikey.com:in artikkelista lisää tällaisissa taajuusmuuttajissa käytettävistä energiavyöltään laajoista puolijohteista, kuten piikarbidista (SiC). Joissakin tapauksissa piikarbidipohjaiset laitteet voivat muuntaa tasavirran kolmivaiheiseksi vaihtovirraksi moottorin käyttöä varten (ja muuntaa sitten regeneratiivisen jarrutusenergian takaisin tasavirraksi akun lataamista varten), ja niiden tehokkuus ja tehotiheys voi olla korkeampi kuin IGBT-transistorien ja muiden MOSFET-transistorien.

Koska regeneratiivinen jarrutus muuntaa moottorin ja roottorin mekaanisen energian sähköenergiaksi, se saa itse asiassa moottorin toimimaan generaattorina liikeohjauksen nopeus- ja vääntömomenttitason toisessa ja neljännessä neljänneksessä, kun hallittu vääntömomentti ja pyöriminen tapahtuvat vastakkaisiin suuntiin. Näin tapahtuu kun:

• akselikomento muuttuu päinvastaiseksi, ja roottori jatkaa lyhyen aikaa pyörimistä vastakkaiseen suuntaan
• roottorin nopeus ylittää moottorin käsketyn synkronisen nopeuden lähdön.

On tekijöitä, jotka on huomioitava kun regeneratiivinen jarrutus integroidaan automatisoituun suunnitelmaan: regeneratiivinen jarrutus voi hidastaa kuormia muttei pysäyttää niitä eikä pitää niitä paikoillaan. Kun akseli lähestyy täydellistä pysähdystä, generaattorin (moottori toimii generaattorina) virittämiseen on jäljellä vähän energiaa. Joten ellei lisäjarruja tai elektroniikkaa käytetä, loput hidastumisesta pysähtymiseen tapahtuu vapaasti pyörien. Lisäksi se, kuinka paljon energiaa tavallisiin DC-väyläkondensaattoreihin voidaan syöttää takaisin ennen kuin ne synnyttävät ylijännitevian, on rajoitettua. Joten hyvin määritellyt regeneratiiviset taajuusmuuttajat palauttavat riittävän määrän energiaa vaihtovirtalähteeseen, tai ne käyttävät erityisesti suunniteltuja yhteisiä väyliä. Koska jälkimmäiset muuntavat tehon vaihtovirrasta tasavirtaan vasta kun taajuusmuuttaja uudelleenkäyttää energian, ne ovat erityisen tehokkaita.

Toinen osa VFD:stä, joka voidaan räätälöidä erityisesti regeneratiivista jarrutusta varten, sisältää tasasuuntaajan. Aktiiviseksi etuasteentasasuuntaajaksi kutsutut variaatiot minimoivat järjestelmävirran harmoniset taajuudet. Harkitse Delta Electronicsin AFE2000-sarjan aktiivista etuastetta, joka korvaa perinteiset jarruvastukset muuntamalla ylimääräisen energian uudelleenkäytettäväksi energiaksi, joka palautetaan verkkovirtaan. AFE200-etuasteet on tarkoitettu monenlaisiin sovelluksiin energiatehokkuuden maksimoimista varten. Tämä ja muut regeneratiivisiin toimintoihin kykenevät taajuusmuuttajat korjaavat myös suuren joukon harmonisia vääristymiä järjestelmävirrassa (etenkin pienellä teholla). Tämä puolestaan suojaa lähellä sijaitsevaa elektroniikkaa (kuten ohjauksen takaisinkytkennässä) EMI-häiriöiltä.

3. Tasavirran syöttö sähkömoottorijarrutuksessa (tietyissä yhteyksissä kutsutaan yksinkertaisesti tasavirtajarrutukseksi) sisältää elektroniikkaa, joka syöttävät taajuusmuuttajassa tasavirtavirtaa yhteen tai kahteen vaihtovirtamoottorin käämiin. Nimenomaisesta variaatiosta riippumatta useimmat tasavirran syöttöjärjestelmät käynnistyvät, kun rele tai muu ohjauslaite sammuttaa moottorin pyörivän magneettikentän. Tällöin toinen rele tai elektroninen jarrutuksen ohjaus (VFD:n tapauksessa taajuusmuuttajan sisällä) käynnistää tasavirran syötön järjestelmän DC-väylästä moottorin käämiin. Suurempi virta synnyttää suuremman jarrutusvoiman. Nämä komponentit ohjaavat käytettyä jännitettä ja pitävät käämien virran moottorin maksimiarvojen alapuolella.

Tasavirran syötön tuloksena on staattorin pyörimätön sähkömagneettinen kenttä, joka pysäyttää roottorin ja pitää sen (ja kaikki siihen liittyvät kuormat) paikallaan.

Kuva 4: Kuvassa esitetään Omronin SR125SMS45-turvarele liikkeen pysäytyksellä. Rele seuraa milloin siihen kytketyt moottorit ovat täysin pysähtyneet (mittaamalla moottorin liittimistä vastasähkömotoristisen voiman) ja avaa sitten lukituksen työkennot. Rele toimii tasavirtajarrutuksen kanssa sekä muiden elektronisten moottorin ohjaimien kanssa. (Kuvan lähde: Omron Automation and Safety)

Tasavirtajarrutuksen merkittävin rajoittava tekijä on se, kuinka paljon jarrutuksen aiheuttamaa lämpöä moottori ja siihen liittyvä elektroniikka voivat poistaa ilman lämpövaurioita. Tämä rajoittaa jarrutusvirran suuruutta ja kestoa. Ei ihme, että tasavirtajarrutusta käytetään harvoin kuormien pitämiseen tai varajarrujärjestelminä. Ylikuumenemista voidaan ehkäistä joissakin tasavirtasyöttöä käyttävissä järjestelmissä nollanopeusantureilla, jotka katkaisevat virran heti, kun roottori on lakannut pyörimästä.

Valinta regeneratiivisen jarrutuksen, tasavirtajarrutuksen ja dynaamisen jarrutuksen välillä (ja niiden yhdistäminen)

Useimmat suunnittelijat voivat hyödyntää regeneratiivisen tehon hyötyjä yhden tai useamman säännöllisen toiminnan aikana. Automaattikoneiden regeneratiivinen jarrutus on kuitenkin hyödyllisintä tietyillä moottorikäyttöisillä akseleilla.

Dynaaminen jarrutus (perustuu kustannustehokkaisiin jarruvastuksiin) soveltuu parhaiten pienitehoisille automaattiakseleille, joita tarvitsee silloin tällöin jarruttaa tai peruuttaa.

Regeneratiivinen jarrutus soveltuu automaattisiin akseleihin, jotka:

• vaativat usein tapahtuvaa pysäytystä ja käynnistystä
• käyttävät sellaisia kuormia, joiden seurauksena roottorin kierrosluku ylittää moottorin nopeuden - esimerkkinä hissit ja kaltevat kuljettimet
• jatkuvakäyttöiset sovellukset (mukaan lukien sellaiset, joita käytetään niin tiheään, että niitä voidaan pitää jatkuvakäyttöisinä)
• järjestelmät, joissa energiansäästö voi kattaa regeneratiivisen taajuusmuuttajan lisäkustannukset.

Kuten edellä on selitetty, tasavirtajarrutusta voidaan käyttää yksin. On kuitenkin tavallisempaa yhdistää tasavirtajarrutus regeneratiiviseen tai dynaamiseen jarrutukseen. Tämä seuraa siitä, että tasavirtajarrutus alkaa jarruttaa kun regeneratiivinen jarrutus lopettaa; kun akseli on lähellä pysähtymistä ja vaatii pitämistä. Tällaiset kahteen tekniikkaan perustuvat jarrujärjestelmät hyödyntävät useiden tekniikoiden vahvuuksia ja tarjoavat aidosti tehokkaan elektronisen jarrutuksen, jossa ylikuumenemisriski on alhainen.

Esimerkkejä regeneratiivisesta jarrutussovelluksesta

Regeneratiivinen jarrutus on hyödyllinen tapa hidastaa ja ohjata liikkuvia kuormia samalla kun niiden liike-energia otetaan käyttöön muualla järjestelmässä. Energiatehokkuuden saama kasvanut huomio on saanut suunnittelijat käyttämään regeneratiivista jarrutusta siellä, missä sovellukset tarjoavat parhaat mahdollisuudet potentiaalienergian talteenottoon. Näitä ovat muun muassa:

• Hissien ja nosturien vertikaaliset akselit: Esimerkiksi nostettujen kuormien laskemiseen ilman vastapainoa liittyvät painovoima ja moottorin vääntömomentti, jolla ohjataan turvallista ja hallittua laskeutumista. Näissä tilanteissa on tärkeää, että jarrutusjärjestelmä toimii hyvin, vaikka päävirta katkaistaisiin. Muussa tapauksessa kineettisellä energialla ei ole poistumistietä – ja akseli siirtyy vapaapudotukseen tai hallitsemattomaan tilaan. Muissa tapauksissa voidaan käyttää varmuus- tai hätägeneraattoria (näillä on omat suunnitteluvaatimuksensa). Generaattorivirtaan vaihdettaessa useimmat järjestelmät poistavat taajuusmuuttajista energian talteenottotoiminnot väliaikaisesti.
• Pyörivät sentrifugit, testitelineet ja tuulettimet: Monet näistä sovelluksista ovat jatkuvakäyttöisiä akseleita, jotka edellyttävät aiemmin mainittuja ulkoisia lisäjarruvastuksia.
• Verkon kiristäminen ja käsittely: Näissä käytetään paljon vaihtovirta-induktiomoottoreita (yhdistettynä regeneratiiviseen jarrutukseen kykeneviin VFD-laitteisiin). Tämä johtuu siitä, että tällaiseen liikkeeseen liittyvät järjestelmät ohjaavat näppärästi painokoneiden nopeita ja inertialtaan korkeita akseleita samoin kuin paperi- ja muovikelan prosessointia.
• Nopeasti kiihtyvät ja suuntaa vaihtavat akselit: Regeneratiivinen jarrutus tehostaa näitä liikkeitä korkeatasoisissa kuljettimissa, sahoissa ja raskaassa robotiikassa. Tämä parantaa VFD-pohjaisen toiminnan tehokkuutta, kun roottorin nopeus ja vääntömomentti sovitetaan sovellustarpeeseen ja se auttaa nopeasti pysäyttämään servosovelluksissa yleiset suurnopeusakselit.

Kuva 5: Panasonicin servotaajuusmuuttajissa yhdistyy korkeatasoinen tekniikka ja laajaa 50 W:n – 5 kW:n tehoalue. Taajuusmuuttajat voivat vaimentaa tärinöitä resonanssitaajuuksilla ja noudattaa pulssi-, analogi- ja verkkopohjaista ohjausta jopa 100 mbps:n nopeudella . FPWIN Pro7 -ohjelmisto mahdollistaa järjestelmän täyden konfiguroinnin samoin kuin PLC-yhteyksien asettamisen. Servotaajuusmuuttajissa voidaan käyttää lisävarusteena jarruvastuksia. (Kuvalähde: Panasonic Industrial Automation Sales)

Yhteenveto

Tasavirtajarrutuksen, dynaamisen jarrutuksen ja regeneratiivisen jarrutuksen erojen ymmärtäminen on avain määritettäessä tietylle akselille sopivaa tekniikkaa. Se on hyödyllistä myös sellaisten sähkömoottorien ja taajuusmuuttajien valinnassa, jotka voivat käyttää näitä menetelmiä nopeuden ja momentin ohjaukseen. Dynaaminen jarrutus soveltuu tyypillisesti melko vaativille akseleille, jotka edellyttävät jonkin verran jarrutusta. Regeneratiivinen jarrutus sitä vastoin täydentää erittäin dynaamisia akseleita ja kriittisiä toimintoja automatisoiduissa (ja jopa servokoneissa) koneissa. Tasavirtasyöttöä käytetään tavallisesti yhdessä näiden muiden menetelmien kanssa.