Hamowanie odzyskowe w osiach napędzanych silnikiem

Hamowanie odzyskowe jest techniką stosowaną w maszynach automatyki przemysłowej wykorzystującą istniejące konstrukcje i energię silników elektrycznych (oraz ich układów napędowych) wraz z dedykowanymi podzespołami do spowalniania, zatrzymywania i ponownego wprawiania osi w ruch. Techniki hamowania odzyskowego zapewniają precyzyjnie kontrolowaną i energooszczędną (nie mówiąc już o kompaktowych rozmiarach) alternatywę dla sprzęgieł i hamulców ciernych. Krótko mówiąc, obwód wykorzystywany w hamowaniu odzyskowym przekształca dynamiczną energię mechaniczną z pracującego wirnika silnika i wszelkich podłączonych obciążeń w energię elektryczną. Energia ta jest z kolei wprowadzana z powrotem do linii energetycznej w celu dalszego wykorzystania lub rozproszenia.

Technika odzysku energii silnika wykorzystana najpierw w motoryzacji na początku XX wieku i w kolejnictwie w latach 30. XX wieku, została po raz pierwszy nazwana hamowaniem odzyskowym w pierwszych hybrydowych pojazdach osobowych, w których energia hamowania ładowała akumulatory pokładowe. Obecnie techniki hamowania odzyskowego (i ich różne warianty) są powszechnie wykorzystywane w przemyśle.

Ilustracja 1: wielofunkcyjne układy napędowe VFD-EL wykorzystujące silniki prądu przemiennego z precyzyjną kontrolą prądu. Wspólna szyna prądu stałego ułatwia instalację obok siebie, a większość modeli układów napędowych VFD-EL można łączyć w zespoły równoległe celem współdzielenia energii hamowania odzyskowego. To z kolei zapobiega przepięciom i stabilizuje napięcie szyny prądu stałego. (Źródło ilustracji: Delta IA)

1. Hamowanie dynamiczne (nazywane czasami rezystorowym hamowaniem odzyskowym) jest jedną z form wykorzystania energii odzyskowej - różniącą się jednak od tego, co nazywamy prawdziwym hamowaniem odzyskowym. W tej metodzie układ napędowy (ze względu na funkcję nazywany przemiennikiem) przetwarza energię obrotową wirnika silnika w ciepło, powodując całkowite zahamowanie silnika - i nic więcej. Na przykład oś ruchu w zautomatyzowanej maszynie może nagle się wyłączyć podczas pracy silnika elektrycznego. Zwykle tarcie w układzie jest na tyle niskie, że umożliwia dalszy wybieg wirnika, co z definicji oznacza, że nie ma nad nim kontroli. Wybieg trwa do momentu wyczerpania energii kinetycznej, co może zająć dość dużo czasu i stwarza w międzyczasie ryzyko uszkodzenia maszyny lub obrażeń ciała personelu. Hamowanie dynamiczne rozwiązuje ten problem, powodując szybsze zatrzymanie silnika poprzez przekształcenie energii kinetycznej wirnika w energię elektryczną. Osiąga się to za pomocą regulowanych napięciem rezystorów, które z kolei oddają energię w postaci ciepła.

Wiele napędów silnikowych - zwłaszcza cyfrowych serwowzmacniaczy - ma wbudowane rezystory służące do rozpraszania energii za pomocą radiatora. Ale jeżeli w osi napędzanej silnikiem energia odzysku przekracza łączną moc znamionową rezystorów, może zachodzić konieczność zastosowania zewnętrznych baterii rezystorów odzyskowych. Występuje to dość często w osiach o dużym stosunku obciążenia do bezwładności silnika.

Ilustracja 2: serwonapęd MDDHT5540E posiada wbudowany rezystor odzyskowy umożliwiający hamowanie odzyskowe. Rezystor odzyskowy rozprasza nadmiar energii (pochodzący z zatrzymania obciążenia w układzie pionowym lub o dużej bezwładności) i zwraca tę energię z powrotem do układu napędowego. Modele z obudową A, B, G i H z tej serii nie posiadają rezystora odzyskowego, dlatego zalecane są opcjonalne rezystory odzyskowe. Układy napędowe z obudową od C do F z tej serii zawierają jeden wbudowany rezystor hamujący, a dodanie zewnętrznego rezystora odzyskowego zwiększa zdolność odzysku energii. (Źródło ilustracji: Panasonic Industrial Automation Sales)

Jeżeli układ hamowania odzyskowego wykorzystuje zewnętrzny dodatkowy rezystor hamujący, zwykle jest on połączony między zaciskami napędu silnikowego. W ten sposób oprogramowanie do regulacji może wykryć i regulować dodatkowy rezystor oraz jego możliwości odprowadzania ciepła. Powszechnie stosowana jest forma rezystora w postaci aluminiowej obudowy wypełnionej materiałem o wysokiej przewodności cieplnej w celu szybkiego rozpraszania ciepła. Szybkie rozpraszanie ciepła jest szczególnie istotne w zastosowaniach z ciągłym hamowaniem.

Ilustracja 3: rezystor hamujący BAB116025R0KE serii BA w obudowie aluminiowej jest odpowiedni do hamowania odzyskowego w zastosowaniach o dużej mocy. Jest on zbudowany z drutu nawiniętego na rdzenie ceramiczne i izolacji z arkusza mikowego, co zapewnia świetne właściwości dielektryczne. Wbudowany wyłącznik termiczny umożliwia wykorzystanie rezystora w zabezpieczeniach. (Źródło ilustracji: Ohmite)

2. Hamowanie odzyskowe różni się od hamowania dynamicznego tym, że przekazuje generowaną mechanicznie energię elektryczną z powrotem do głównego zasilacza lub do wspólnej magistrali prądu stałego w celu wykorzystania energii odzyskowej do:

• ponownego użycia do hamowania,
• ponownego wprawienia w ruch hamowanej osi,
• zasilania innych osi w układzie.

Większość układów hamowania odzyskowego w automatyce przemysłowej (czasem zwanych jednostkami line regen) wykorzystuje tranzystory bipolarne z izolowaną bramką (IGBT) w celu umożliwienia dwukierunkowego przepływu energii elektrycznej między silnikiem a źródłem zasilania, co jest niemożliwe w przypadku tradycyjnych mostków przemiennikowych wykorzystujących diody. Należy zauważyć, że wykorzystanie tranzystorów IGBT kontrastuje z niektórymi dzisiejszymi zastosowaniami w pojazdach elektrycznych wykorzystującymi trakcyjne układy napędowe. Zastosowanie półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, np. węglikowo-krzemowych (SiC), w takich układach napędowych omówiono w tym artykule w serwisie digikey.com. W niektórych wypadkach urządzenia wykorzystujące półprzewodniki SiC mogą przekształcać zasilanie prądem stałym w trójfazowe zasilanie prądem przemiennym do napędzania silnika (a następnie odzyskiwać energię hamowania z powrotem w postaci prądu stałego do ładowania akumulatora) z większą wydajnością i gęstością mocy niż tranzystory IGBT i inne tranzystory MOSFET.

Ponieważ hamowanie odzyskowe przekształca energię mechaniczną wirnika silnika w energię elektryczną, sprawia to, że silnik w II i IV ćwiartce pracuje jako prądnica, gdy zadany moment obrotowy i obrót są w przeciwnych kierunkach. Jest tak wtedy, gdy:

• zmienia się zadany kierunek ruchu osi, a wirnik przez chwilę dalej obraca się w przeciwnym kierunku,
• prędkość wirnika przekracza zadaną prędkość synchroniczną silnika.

Są jednak pewne zastrzeżenia dotyczące integracji hamowania odzyskowego w zautomatyzowanym projekcie: hamowanie odzyskowe może spowolnić, ale nie może zatrzymywać i utrzymywać obciążenia. Gdy oś zbliża się do całkowitego zatrzymania, pozostaje niewiele energii do wzbudzenia silnika działającego jako prądnica. Tak więc, bez dodatkowego hamulca lub elektroniki, dalsza część hamowania do momentu zatrzymania odbywa się poprzez wybieg. Ponadto występują też ograniczenia dotyczące tego, ile energii można zwrócić do standardowych kondensatorów szyny prądu stałego przed wystąpieniem usterki przepięcia. Zatem dobrze wyspecjalizowane odzyskowe układy napędowe zwracają wystarczającą ilość energii do źródła prądu przemiennego - lub wykorzystują specjalnie zaprojektowane wspólne magistrale. Ponieważ przekształcają one prąd przemienny na prąd stały tylko raz, a następnie energia zostaje ponownie wykorzystana przez układ napędowy, są one szczególnie wydajne.

Inną częścią układów napędowych o zmiennej częstotliwości (VFD), którą można specjalnie dostosować do hamowania odzyskowego, jest prostownik. Prostowniki typu Active Front-End (AFE) minimalizują zakłócenia harmoniczne prądów w układzie. W tej kategorii warto rozważyć prostownik serii AFE2000 firmy Delta Electronics, który eliminuje potrzebę stosowania tradycyjnych rezystorów hamujących, przekształcając nadmiar energii w energię zwracaną do sieci. Układy front end AFE200 są przeznaczone do szerokiego zakresu zastosowań, aby zmaksymalizować wydajność energetyczną. Ten i inne układy napędowe zdolne do odzysku energii ograniczają również szerokie spektrum zakłóceń harmonicznych w układzie (szczególnie przy małej mocy), aby z kolei chronić pobliską elektronikę (na przykład pętle sprzężenia zwrotnego) przed zakłóceniami elektromagnetycznymi (EMI).

3. Zastosowanie prądu stałego do hamowania silnika elektrycznego (niekiedy nazywane po prostu hamowaniem prądem stałym) wykorzystuje elektronikę układu napędowego, która doprowadza prąd stały do jednego lub dwóch uzwojeń silnika prądu przemiennego. Niezależnie od konkretnych różnic, większość układów hamowania prądem stałym jest wyzwalana, gdy przekaźnik lub inny element sterujący wyłącza wirujące pole magnetyczne silnika. Następnie inny przekaźnik lub elektroniczny układ sterujący hamowaniem (w układzie napędowym VFD) wyzwala dostarczanie prądu stałego z szyny prądu stałego układu do uzwojeń silnika. Wyższy prąd indukuje większą siłę hamowania, jednak komponenty te kontrolują przyłożone napięcie i utrzymują prąd w uzwojeniach poniżej maksymalnych wartości znamionowych silnika.

Wynikiem podania prądu stałego jest niewirujące pole elektromagnetyczne ze stojana, które hamuje i utrzymuje w miejscu wirnik (i wszelkie obciążenia).

Ilustracja 4: przekaźnik zabezpieczający Omron SR125SMS45, który śledzi moment całkowitego zatrzymania podłączonych silników (poprzez wykrywanie siły przeciwelektromotorycznej na zaciskach silnika), a następnie otwiera bramkowane komórki robocze. Przekaźnik współpracuje z hamulcami prądu stałego i innymi elektronicznymi sterownikami silnika. (Źródło ilustracji: Omron Automation and Safety)

Głównym czynnikiem ograniczającym hamowanie prądem stałym jest to, jaką ilość ciepła wytworzonego przez hamowanie może rozproszyć silnik i związana z nim elektronika, nie powodując uszkodzeń termicznych. Czynnik ten ogranicza wielkość i czas stosowania prądu hamowania. Nic dziwnego, że hamowanie prądem stałym rzadko stosuje się do utrzymywania obciążeń lub w charakterze awaryjnych układów hamulcowych. Aby zapobiec przegrzaniu w niektórych układach hamowania prądem stałym, czujnik prędkości zerowej może odciąć zasilanie bezpośrednio po zatrzymaniu wirnika.

Wybór między zespołami hamowania odzyskowego , hamowania prądem stałym i hamowania dynamicznego oraz ich łączenie

Większość projektantów może skorzystać z energii odzyskowej do jednego lub więcej regularnych funkcji. Jednak hamowanie odzyskowe w zautomatyzowanych maszynach jest najbardziej użyteczne w przypadku określonych osi napędzanych silnikiem.

Hamowanie dynamiczne (oparte na niedrogich rezystorach hamujących) jest najbardziej odpowiednie dla zautomatyzowanych osi o niskim obciążeniu, wymagających sporadycznego hamowania lub odwracania kierunku.

Hamowanie odzyskowe jest odpowiednie dla zautomatyzowanych osi wymagających:

• częstego zatrzymywania i uruchamiania,
• uruchamiania obciążeń ciągnących powodujących przekroczenie przez wirnik prędkości obrotowej silnika - na przykład w windach i przenośnikach taśmowych,
• zastosowań ciągłych (w tym takich, które wymagają wystarczająco częstej pracy, aby kwalifikować się jako praca ciągła),
• układów, w przypadku których oszczędność energii może uzasadniać dodatkowy koszt początkowy odzyskowego układu napędowego.

Jak wyjaśniono powyżej, hamowanie prądem stałym można stosować samodzielnie. Często jednak łączy się ono z hamowaniem odzyskowym lub dynamicznym. Jest tak, ponieważ hamowanie prądem stałym przejmuje funkcję hamowania, gdy kończą się możliwości hamowania odzyskowego, na przykład kiedy oś zbliża się do zatrzymania i wymaga utrzymania stanu zatrzymania. Takie podwójne układy hamulcowe wykorzystują zalety kilku technologii w celu uzyskania prawdziwie wysokowydajnego hamowania elektronicznego, stwarzającego niewielkie ryzyko przegrzania.

Przykłady zastosowań hamowania odzyskowego

Hamowanie odzyskowe jest przydatne do spowalniania i kontrolowania szeregu ruchomych obciążeń, jednocześnie odzyskując ich energię kinetyczną do innych zastosowań w układzie. Większy nacisk na wydajność energetyczną skłonił konstruktorów do stosowania hamowania odzyskowego tam, gdzie zastosowania dają największe możliwości odzyskiwania energii potencjalnej. Są to projekty obejmujące:

• Osie pionowe w podnośnikach, dźwigach i windach: na przykład opuszczanie podnoszonych ładunków bez przeciwwagi wiąże się z działaniem siły grawitacji i momentu obrotowego silnika, co zapewnia bezpieczne i kontrolowane opadanie. W takich sytuacjach kluczowe jest, aby układ hamulcowy działał dobrze, nawet po odcięciu głównego zasilania. W przeciwnym razie energia kinetyczna nie będzie miała ujścia, a oś zacznie spadać swobodnie lub rozbiegać się. W innych przypadkach można zastosować generator rezerwowy lub awaryjny (z własnymi wymaganiami projektowymi). Po przełączeniu na zasilanie generatorem większość układów tymczasowo wyłącza funkcje odzyskiwania energii w swoich układach napędowych.
• Wirówki, stanowiska testowe i wentylatory: wiele z tych konstrukcji wykorzystuje osie o stałym cyklu pracy, które wymagają wspomnianych wcześniej zewnętrznych dodatkowych rezystorów hamowania.
• Napinacze i obrabiarki taśmowe: tutaj powszechnie wykorzystywane silniki indukcyjne prądu przemiennego (w połączeniu z układami VFD zdolnymi do hamowania odzyskowego). Jest tak dlatego, że takie konstrukcje ruchome sprawdzają się w wypadku szybkich osi pras drukarskich o dużej bezwładności, a także obróbki szpul papieru i tworzyw sztucznych.
• Szybko przyspieszające i cofające osie: hamowanie odzyskowe pomaga zwiększyć wydajność takich ruchów w zaawansowanych przenośnikach, piłach i ciężkich robotach. Zwiększa to skuteczność działań opartych o układy VFD, dopasowując prędkość wirnika i moment obrotowy do wymagań danego zastosowania i pomaga szybko zatrzymać osie o wysokiej prędkości obrotowej, które są powszechne w serwonapędach.

Ilustracja 5: serwonapędy Panasonic łączą zaawansowaną technologię z szerokim zakresem mocy: od 50W do 5kW. Układy napędowe mogą tłumić drgania przy częstotliwościach rezonansowych i realizować sterowanie impulsowe, analogowe i sieciowe z prędkością do 100Mbit/s. Oprogramowanie FPWIN Pro7 umożliwia pełną konfigurację, a także konfigurację łączności sterownika PLC. Do serwonapędów można dołączyć opcjonalne rezystory hamowania. (Źródło ilustracji: Panasonic Industrial Automation Sales)

Podsumowanie

Zrozumienie różnic między hamowaniem prądem stałym, hamowaniem dynamicznym i hamowaniem odzyskowym jest kluczowe do określenia odpowiedniej techniki dla danej osi. Jest to również pomocne przy wyborze silników elektrycznych i układów napędowych z regulacją prędkości i momentu obrotowego za pomocą tych metod. Hamowanie dynamiczne jest zwykle odpowiednie dla średnio wymagających osi potrzebujących pewnego hamowania, natomiast hamowanie odzyskowe znajduje zastosowanie w szybko poruszających się osiach i kluczowych funkcjach zautomatyzowanych maszyn (a nawet serwomechanizmów). Systemy do hamowania prądem stałym są najczęściej stosowane w połączeniu z pozostałymi omówionymi metodami.