Regeneratief remmen op motor aangedreven assen

In industriële automatiseringsmachines is regeneratief remmen een techniek waarbij gebruik wordt gemaakt van de bestaande structuren en energie van elektromotors (en hun aandrijvingen), samen met specifieke subcomponenten om de assen te vertragen, te stoppen en te heractiveren. Regeneratieve remtechnieken bieden zeer controleerbare en energiezuinige (en niet te vergeten compacte) alternatieven voor wrijvingskoppelingen en remmen. Kortom, het circuit dat betrokken is bij het regeneratieve remmen zet de dynamische mechanische energie van de draaiende rotor van de motor en de eventueel aanwezige belastingen om in elektrische energie. Deze laatste wordt dan weer teruggevoerd naar de voedingsleiding voor ander gebruik of dissipatie.

Voor het eerst gebruikt in automobieltoepassingen in het begin van de jaren 1900 en in spoorwegtoepassingen in de jaren 1930 werd de terugwinning van motorische energie voor het eerst regeneratie genoemd met de eerste hybride passagiersvoertuigen - waarbij de remenergie aan boord van de batterijen laadt. De regeneratieve industriële toepassingen (en ontwerpvarianten) van vandaag de dag zijn in overvloed aanwezig.

Afbeelding 1: VFD-EL multifunctionele aandrijvingen werken met wisselstroommotoren met zeer nauwkeurige stroomregeling. Een gemeenschappelijke gelijkstroombus vereenvoudigt de installatie naast elkaar en de meeste VFD-EL-aandrijfmodellen kunnen in parallelle bendes worden aangesloten om regeneratieve remenergie te delen. Dat voorkomt op zijn beurt overspanning en stabiliseert de gelijkstroom-busspanning. (Bron afbeelding: Delta IA))

1. Dynamisch remmen (ook wel regeneratief remmen genoemd) is een vorm van regeneratief energiegebruik - maar verschilt van het zogenaamde echte regeneratieve remmen. De aandrijving van het systeem (ook wel een inverter voor zijn definiërende functie) voert de rotatie-energie van de motorrotor af door warmteverspilling om de motor volledig af te remmen - en niets meer. Zo kan een bewegingsas op een geautomatiseerd apparaat plotseling uitschakelen terwijl de elektromotor draait. Meestal is de systeemwrijving laag genoeg om de rotor te laten uitlopen, wat per definitie niet te controleren is. Uitrollen gaat door totdat kinetische energie is verbruikt, wat behoorlijk lang kan duren - en in de tussentijd een risico op machineschade of persoonlijk letsel met zich meebrengt. Dynamisch remmen pakt dit probleem aan door motors sneller tot stilstand te brengen door de omzetting van rotorkinetische energie in elektrische energie. Deze laatste wordt uitgevoerd door spanningsgestuurde weerstanden die op hun beurt de energie als warmte afgeven.

Veel motoraandrijvingen - vooral digitale servoversterkers - hebben ingebouwde weerstanden voor dergelijke koellichamen. Als de door de motor aangedreven as echter regeneratieve energie ziet die de gecombineerde rating van de aandrijfweerstanden overschrijdt, kunnen externe regeneratieve-weerstandsbanken nodig zijn. Dat is vrij typerend voor assen met grote belasting-/motor-traagheidsverhoudingen.

Afbeelding 2: Deze MDDDHT5540E-servo-aandrijving bevat een ingebouwde regeneratieve weerstand om regeneratief te kunnen remmen. De regeneratieve weerstand ontlaadt energie (van het stoppen van een verticaal geplaatste of hoge massabelasting) en geeft die energie terug aan de aandrijving. Frame A, B, G en frame H modellen in deze serie bevatten geen regeneratieve weerstand, dus optionele regeneratieve weerstanden worden aanbevolen. Frame C tot frame F-aandrijvingen in deze serie bevatten één ingebouwde regeneratieve weerstand, en het toevoegen van een externe regeneratieve weerstand verhoogt het regeneratievermogen. (Bron afbeelding: Panasonic Industrial Automation Sales)

Wanneer een regeneratief remsysteem gebruik maakt van een externe add-on-remweerstand, verbindt deze zich meestal tussen de klemmen van de motoraandrijving; de systeemtuningsoftware kan dan de add-on-weerstand en zijn warmte-afvoermogelijkheden detecteren en profileren. Een gemeenschappelijk weerstandsformaat is een met een aluminium behuizing gevuld met materiaal met een hoog warmtegeleidingsvermogen voor een snelle warmtedissipatie. Het snel afgeven van warmte is vooral belangrijk bij continue remtoepassingen.

Afbeelding 3: Deze BA-serie BAB116025R0KE aluminium gehuisveste remweerstand is geschikt voor regeneratieve remtoepassingen met een hoog vermogen. Het is geconstrueerd met draad gewikkeld op keramische kernen en mica-sheet isolatie voor hoge diëlektrische eigenschappen. Een ingebouwde thermische scheidingsschakelaar maakt het gebruik van de weerstand in veiligheidstoepassingen mogelijk. (Bron afbeelding: Ohmite))

2. Regeneratief remmen verschilt van dynamisch remmen doordat het mechanisch opgewekte elektrische energie terugvoert naar de hoofdvoeding of de gemeenschappelijke gelijkstroombus om de regeneratieve energie te behouden:

• Hergebruik bij het remmen
• Heractivering van de geremde as
• Aandrijving van andere assen op het systeem

De meeste regeneratieve remsystemen in industriële automatisering worden ook wel line regen-eenheden genoemd, maar gebruiken bipolaire transistors met geïsoleerde poort (IGBT's) om een bidirectionele stroom van vermogen tussen de motor en de stroombron mogelijk te maken, wat onmogelijk is met traditionele inverterbruggen die diodes gebruiken. Merk op dat dit gebruik van IGBT's in contrast staat met sommige van de huidige electric-vehicle toepassingen gebaseerd op tractie-aandrijvingen. Lees meer over breedbandige halfgeleiders zoals siliciumcarbide (SiC) voor dergelijke schijven in dit digikey.com artikel over het onderwerp. In sommige gevallen kunnen apparaten op basis van SiC gelijkstroom in drie-fasen ac-vermogen omzetten om de motor aan te drijven (en dan regeneratieve remenergie terug naar gelijkstroom voor het opladen van de batterij) met meer efficiëntie en vermogensdichtheid dan IGBT's en andere MOSFET's.

Omdat het regeneratieve remmen de mechanische energie van de motorrotor omzet in elektrische energie, laat het de motor effectief werken als een generator in kwadrant twee en vier van het toerental-koppelvlak van de motioncontrol wanneer het voorgeschreven koppel en de rotatie in tegengestelde richting zijn. Dit is wanneer:

• Het ascommando keert om en de rotor blijft kortstondig in de tegenovergestelde richting draaien.
• Het toerental van de rotor is hoger dan het door de motor voorgeschreven synchroontoerental.

Bij de integratie van het regeneratieve remsysteem in een geautomatiseerd ontwerp is een voorbehoud gemaakt: Regeneratief remmen kan wel vertragen, maar niet stoppen en de lading vasthouden. Als de as bijna tot stilstand komt, blijft er weinig energie over om de motor die als generator werkt te activeren. Dus, zonder wat extra rem of elektronica, wordt de rest van de vertraging tot stilstand gebracht door middel van uitrollen. Bovendien zijn er grenzen aan de hoeveelheid energie die kan worden teruggevoerd in de standaard gelijkstroomcondensators voordat er een overspanningsfout optreedt. Goed gespecificeerde regeneratieve aandrijvingen leveren dus voldoende stroom terug naar de wisselstroombron - of maken gebruik van speciaal ontworpen gemeenschappelijke bussen. Omdat de laatstgenoemden slechts één keer stroom van wisselstroom naar gelijkstroom omzetten voordat de energie door een schijf wordt hergebruikt, zijn ze bijzonder efficiënt.

Een ander deel van een VFD dat speciaal kan worden afgestemd op regeneratief remmen is de gelijkrichter. Variaties genaamd actieve front-end gelijkrichters minimaliseren de harmonischen op de systeemstroom. Denk aan de AFE2000 serie actieve front-end van Delta Electronics die de traditionele remweerstanden afschaft door overtollige energie om te zetten in herbruikbare energie om terug te gaan naar het lichtnet. AFE200-front-ends zijn ontworpen voor een breed scala aan toepassingen om de energie-efficiëntie te maximaliseren. Deze en andere aandrijvingen die regeneratieve functies kunnen uitvoeren, lossen ook een breed spectrum van harmonische vervormingen op de systeemstroom op (vooral bij laag vermogen) om op hun beurt de nabijgelegen elektronica (zoals die voor de regelterugkoppeling) van EMI te beschermen.

3. Injectie van gelijkstroom voor elektrisch-motorremmen (in bepaalde contexten eenvoudigweg gelijkstroomremmen genoemd) omvat aandrijfelektronica die gelijkstroom op één of twee van de wikkelingen van een elektromotor zet. Ongeacht de exacte variatie worden de meeste gelijkstroominjectiesystemen in werking gesteld wanneer een relais of andere besturing het roterende magneetveld van de motor uitschakelt. Een andere relais- of elektronische rembesturing (binnen de aandrijving voor VFD's) zorgt ervoor dat de gelijkstroomvoorziening van de gelijkstroombus van het systeem naar de motorwikkelingen wordt geactiveerd. Hogere stroom induceert meer remkracht ... hoewel deze componenten de toegepaste spanning regelen en de stroom in de wikkelingen tot onder de maximumwaarden van de motor houden.

Het resultaat van gelijkstroominjectie is een niet-roterend elektromagnetisch veld van de stator dat de rotor (en eventuele aangekoppelde lasten) stopt en op zijn plaats houdt.

Afbeelding 4: Hier wordt een Omron SR125SMS45 stop-motion veiligheidsrelais weergegeven, dat de motor tot stilstand brengt wanneer deze volledig tot stilstand is gekomen (door EMF terug te detecteren over de motoraansluitingen) en vervolgens de gesloten werkcellen opent. Het relais werkt met gelijkstroominjectieremmen en andere elektronische motorbesturingen. (Bron afbeelding: Omron Automation and Safety))

De belangrijkste beperkende factor bij het remmen met gelijkstroominjectie is de hoeveelheid remwarmte die een motor en de bijbehorende elektronica kunnen afvoeren zonder thermische schade op te lopen. Dat beperkt de omvang en de duur van de remstroom. Geen wonder dat gelijkstroomremmen zelden worden gebruikt om lasten vast te houden of als faalveilig remsysteem te dienen. Om oververhitting in sommige gelijkstroominjectiesystemen te voorkomen, kunnen nulsnelheidssensoren de stroom onderbreken zodra het duidelijk is dat de rotor is gestopt met draaien.

Kiezen tussen regeneratief remmen, remmen met gelijkstroominjectie en dynamisch remmen (en deze combineren)

De meeste ontwerpers kunnen gebruik maken van de efficiëntie van regeneratieve energie tijdens een of meer reguliere werkzaamheden. Het regeneratieve remmen in geautomatiseerde machines is echter het meest nuttig op specifieke motoraangedreven assen.

Dynamisch remmen (op basis van kosteneffectieve remweerstanden) is het meest geschikt voor geautomatiseerde assen met lage belasting die af en toe moeten remmen of omkeren.

Regeneratief remmen is geschikt voor geautomatiseerde assen die nodig zijn:

• Frequente stops en starts
• Het in werking stellen van revisiebelastingen die ervoor zorgen dat het toerental van de rotor het motortoerental overschrijdt - zoals bij liften en hellende transportbanden.
• Continuous-duty-toepassingen (met inbegrip van toepassingen die frequent genoeg moeten worden uitgevoerd om te worden beschouwd als een constant dienstverband)
• Systemen waarvoor de energiebesparing de extra kosten van een regeneratieve aandrijving kan rechtvaardigen

Zoals hierboven uitgelegd, kan er alleen worden geremd met gelijkstroominjectie. Het komt echter vaker voor dat remmen met gelijkstroominjectie worden gecombineerd met regeneratief of dynamisch remmen. Dat komt omdat het remmen met gelijkstroominjectie de remfunctie op zich neemt daar waar het regeneratieve remmen wegvalt; wanneer de as zijn stop nadert en moet worden vastgehouden. Dubbelsysteemremmen zoals deze maken gebruik van de sterke punten van meerdere technologieën voor een echt hoogwaardig elektronisch remsysteem dat weinig risico op oververhitting met zich meebrengt.

Voorbeelden van regeneratieve remtoepassingen

Regeneratief remmen is een nuttige benadering om een reeks van bewegende ladingen te vertragen en te controleren terwijl ze hun kinetische energie terugwinnen voor ander systeemgebruik. De toegenomen aandacht voor energie-efficiëntie heeft de ontwerpers ertoe aangezet om regeneratieve remmen toe te passen waar de toepassingen de beste mogelijkheden bieden voor het terugwinnen van energie. Deze omvatten ontwerpen met betrekking tot:

• Verticale assen voor liften en kranen: Bij het neerlaten van gehesen lasten zonder contragewicht gaat het bijvoorbeeld om de zwaartekracht en het koppel van de motor voor een veilige en gecontroleerde afdaling. In deze situaties is het belangrijk dat het remsysteem goed werkt, zelfs als de hoofdstroom uitvalt. Anders zal de kinetische energie geen uitlaat hebben - en zal de as in een vrije val of op hol geslagen toestand terechtkomen. In andere gevallen kan een back-up of noodgenerator (met eigen ontwerpeisen) worden gebruikt. Bij het overschakelen op generatorvermogen schakelen de meeste systemen de energiereclamatiefuncties van hun aandrijvingen tijdelijk uit.
• Centrifuges, testopstellingen en ventilators: Veel van deze ontwerpen zijn constant-duty-cycle assen die de eerder genoemde externe add-on remweerstanden nodig hebben.
• Webspannen en webverwerking: Hier zijn wisselstroominductiemotors (gecombineerd met VFD's die regeneratief remmen kunnen) Dat komt omdat dergelijke bewegingsontwerpen behendig omgaan met hoge snelheidsassen van drukpersen en met de verwerking van papier en plastic spoelen.
• Rapperatief versnellen en achteruitrijdende assen: Regeneratief remmen helpt deze bewegingen efficiënter te maken op geavanceerde transportbanden, zagen en zware robotica. Dat verhoogt de effectiviteit van de op VFD gebaseerde werking die het toerental en het koppel van de rotor aanpast aan de vraag van de toepassing en helpt bij het snel stoppen van assen met hoge toerentallen die zo gebruikelijk zijn in servotoepassingen.

Afbeelding 5: Panasonic's servo-aandrijvingen combineren geavanceerde technologie met een breed vermogensbereik van 50 W tot 5 kW. De aandrijvingen kunnen trillingen bij resonantiefrequenties onderdrukken en een puls-, analoge en netwerkbesturing uitvoeren met snelheden tot 100 Mbit/sec. FPWIN Pro7 software maakt een volledige configuratie en installatie van PLC-connectiviteit mogelijk. De servo-aandrijvingen accepteren de bevestiging van optionele remweerstanden. (Bron afbeelding: Panasonic Industrial Automation Sales)

Conclusie

Het begrijpen van de verschillen tussen remmen met gelijkstroominjectie, dynamisch remmen en regeneratief remmen is de sleutel tot het specificeren van de juiste techniek voor een bepaalde as. Het is ook nuttig bij het selecteren van elektromotors en aandrijvingen die in staat zijn om via deze methoden snelheids- en koppelregeling te accepteren en te leveren. Dynamisch remmen is doorgaans zeer geschikt voor matig veeleisende assen die enige remming vereisen; regeneratief remmen is daarentegen een aanvulling op zeer dynamische assen en kritische functies op geautomatiseerde (en zelfs servo-) machines. Systemen voor stroominjectie worden het meest gebruikt in combinatie met deze andere methoden.