電機驅(qū)動軸上的再生制動解析

在工業(yè)自動化機械中，再生制動是一種利用電機（及其驅(qū)動器）的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和能量以及專用子組件來減慢、停止和重新驅(qū)動電機軸的技術(shù)。再生制動技術(shù)為摩擦離合器和制動器提供了高度可控和效率較高（且不說結(jié)構(gòu)緊湊）的替代品。簡而言之，與再生制動有關(guān)的電路會將電機旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和任何附加負載的動態(tài)機械能轉(zhuǎn)化為電能。接著電能被回饋到電力線路中，用于其他用途或耗散。

電機能量回收最初在 1900 年代初期應(yīng)用于汽車，之后在 1930 年代應(yīng)用于鐵路，隨著第一款混動客車（該車使用制動能量為車載電池充電）的問世而首次使用再生一詞。如今，再生制動行業(yè)應(yīng)用（和設(shè)計變型）隨處可見。

1.動態(tài)制動（有時稱為再生電阻器制動）是一種再生能量利用形式，但與所謂的真正再生制動不同。在這種形式中，系統(tǒng)的驅(qū)動器（因其定義功能也稱為逆變器）通過廢熱形式來耗散電機轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動能，從而使電機完全制動，僅此而已。例如，自動化機械上的運動軸可能會在其電機運行時突然關(guān)閉。通常系統(tǒng)摩擦力低到足以讓轉(zhuǎn)子慣性滑行，很明顯這就是失控。慣性滑行會一直持續(xù)至動能耗盡，這可能需要相當長的時間，同時還會帶來機器損壞或人員受傷的風險。動態(tài)制動通過將轉(zhuǎn)子動能轉(zhuǎn)換為電能，讓電機更快地停止，從而解決了這一問題。這一轉(zhuǎn)換過程由調(diào)壓式電阻器執(zhí)行，通過該電阻器將能量以熱量的形式散發(fā)出去。

許多電機驅(qū)動器，尤其是數(shù)字伺服放大器，都具有內(nèi)置電阻器，用于此類散熱式能量耗散。但是，如果電機驅(qū)動軸的再生能量超過了驅(qū)動電阻器的組合額定值，則可能需要外接再生電阻器組。這在負載電機慣量比較大的軸上相當?shù)湫汀?/p>

當再生制動系統(tǒng)采用外部附加的制動電阻器時，該電阻器通常連接在電機驅(qū)動的端子之間；然后，系統(tǒng)調(diào)整軟件可以檢測并分析附加電阻器及其散熱能力。常見的電阻器形式是在鋁外殼中填充高導熱率材料，以便快速散熱?？焖偕釋τ谶B續(xù)制動應(yīng)用尤為重要。

2.再生制動與動態(tài)制動的不同之處在于，前者將機械產(chǎn)生的電能反饋到主電源或共用直流母線，以保留再生能量用于：

再次用于制動

被制動軸的再驅(qū)動

為系統(tǒng)上的其他軸供電

工業(yè)自動化中的再生制動系統(tǒng)有時被稱為線路再生單元，這些系統(tǒng)大多數(shù)采用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，允許電機與電源之間的雙向動力流動——這是使用二極管的傳統(tǒng)逆變器橋無法做到的。請注意，這種 IGBT 的使用與當今一些基于牽引驅(qū)動器的電動車輛應(yīng)用形成了對比。如需了解關(guān)于此類驅(qū)動器所用寬帶隙半導體（如碳化硅 (SiC)）的更多信息，請閱讀有關(guān)該主題的 digikey.com 文章。在某些情況下，基于 SiC 的器件可以將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電以驅(qū)動電機（然后將再生制動能量反饋回直流電為電池充電），其效率和功率密度比 IGBT 和其他 MOSFET 更高。

由于再生制動將電機轉(zhuǎn)子的機械能轉(zhuǎn)化為電能，因此，當指令扭矩和旋轉(zhuǎn)方向相反時，它能有效地使電機作為發(fā)電機在運動-控制速度-扭矩平面的第二象限和第四象限工作。這發(fā)生在以下時刻：

軸指令反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子短暫地繼續(xù)朝相反方向轉(zhuǎn)動

轉(zhuǎn)子速度超過電機的指令同步速度輸出

將再生制動集成到自動化設(shè)計中時需要注意以下事項：再生制動可以讓負載減速，但不能停止和保持負載。當軸接近完全停止時，幾乎沒有剩余的能量來激勵充當發(fā)電機的電機。因此，在沒有額外的制動或電子裝置的情況下，接下來只能通過慣性滑行來減速，直至完全停止。此外，在觸發(fā)過壓故障之前，能回饋到標準直流母線電容器的能量也是有限的。因此，規(guī)格合適的再生驅(qū)動器會將足夠能量返回到交流電源，或利用專門設(shè)計的通用母線。由于后者只將交流電轉(zhuǎn)換為直流電一次，之后能量就會被驅(qū)動器再利用，因此效率特別高。

可以針對再生制動量身定做的 VFD 的另一部分包括整流器。稱為有源前端整流器的變體可將系統(tǒng)電流上的諧波降至最低。讓我們了解一下 Delta Electronics 的 AFE2000 系列有源前端，它通過將多余的能量轉(zhuǎn)換成可重復(fù)使用的電力返回到主電源，從而擯棄了傳統(tǒng)的制動電阻器。AFE200 前端針對廣泛的應(yīng)用而設(shè)計，可以最大限度地提高能效。這種驅(qū)動器和其他具有再生功能的驅(qū)動器還能解決系統(tǒng)電流上的一系列諧波失真（特別是在低功率時），從而避免附近的電子器件（如用于控制反饋的電子器件）受到電磁干擾。

3.直流注入也可用于實現(xiàn)電機制動（在某些情況下，簡稱為直流制動），該技術(shù)包括將直流電流加到一兩個交流電機繞組上的驅(qū)動電子裝置上。無論確切發(fā)生怎樣的變化，當繼電器或其他控制開關(guān)關(guān)閉電機旋轉(zhuǎn)磁場時，大多數(shù)直流注入系統(tǒng)都會被觸發(fā)進入動作狀態(tài)。然后，另一個繼電器或電子制動控制裝置（在 VFD 的驅(qū)動器內(nèi)）會觸發(fā)系統(tǒng)直流母線向電機繞組提供直流電。更大的電流會產(chǎn)生更大的制動力……雖然這些組件會控制施加的電壓，并讓進入繞組的電流保持低于電機的最大額定值。

直流注入導致定子產(chǎn)生非旋轉(zhuǎn)電磁場，進而使轉(zhuǎn)子（和任何連接的負載）停轉(zhuǎn)并保持原位。

直流注入制動的主要限制因素是電機及其相關(guān)電子元件能在不受熱損傷的情況下消散多少制動產(chǎn)生的熱量。這會限制可施加的制動電流的大小和時長。因此，直流注入制動很少用于保持負載或用作故障安全制動系統(tǒng)就不足為奇了。為了防止某些直流注入系統(tǒng)發(fā)生過熱，零速傳感器可以在確認轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動后立即切斷電源。

在再生制動、直流注入制動和動態(tài)制動之間進行選擇（及三者的組合）

大多數(shù)設(shè)計人員能夠在一項或多項常規(guī)操作中利用再生電能的效率。然而，在自動化機械中對特定的電機驅(qū)動軸使用再生制動最有用。

動態(tài)制動（基于高性價比制動電阻器）最適合需要偶爾制動或反轉(zhuǎn)的輕載自動軸。

再生制動適合有以下需要的自動軸：

頻繁啟停

驅(qū)動導致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過電機轉(zhuǎn)速的被動拖曳型負載，如電梯和傾斜輸送機上

連續(xù)工作應(yīng)用（包括需要足夠頻繁操作才稱得上持續(xù)工作的應(yīng)用）

節(jié)省的能源可以彌補再生驅(qū)動器額外前期成本的系統(tǒng)

如上所述，直流注入制動可以單獨應(yīng)用。但是，直流注入制動與再生或動態(tài)制動結(jié)合使用的情況通常更為常見。這是因為當軸接近停止且需要保持原位時，直流注入制動需要在再生制動逐漸失效時發(fā)揮制動功能。類似這樣的雙系統(tǒng)制動方案利用了多種技術(shù)的優(yōu)勢，實現(xiàn)了真正的高性能電子制動，且?guī)缀鯖]有過熱的風險。

再生制動應(yīng)用實例

再生制動是一種有用的方法，可以減慢和控制一系列運動負載，同時回收其動能用于其他系統(tǒng)用途。人們對能量效率日益重視，促使設(shè)計工程師在勢能回收機會最佳的應(yīng)用中采用再生制動。其中包括涉及以下方面的設(shè)計：

升降機、起重機和電梯的垂直軸：例如，若在沒有配重的情況下降低吊裝負載，需要借助重力和電機扭矩來實現(xiàn)安全和可控的下降。在這種情況下，即使主電源被切斷，制動系統(tǒng)也要能正常工作，這很關(guān)鍵。否則，動能將無處釋放，而軸將進入自由落體或失控狀態(tài)。在其他情況下，可以使用備用或應(yīng)急發(fā)電機（具有其自身的設(shè)計要求）。當切換到發(fā)電機供電時，大多數(shù)系統(tǒng)會暫時禁用驅(qū)動器的能量回收功能。

旋轉(zhuǎn)離心機、試驗臺和風扇：在許多此類設(shè)計中，軸的占空比是恒定的，需要外接前文提到的附加制動電阻器。

卷材拉緊和卷材處理：在此領(lǐng)域，交流感應(yīng)電機（與能夠再生制動的 VFD 搭配）很常見。這是因為這種運動設(shè)計可以巧妙地處理印刷機的高速高慣量軸，以及紙張和塑料卷軸處理。

快速加速和反轉(zhuǎn)軸：在高級輸送機、鋸機和重型機器人上，再生制動有助于提高這些運動的效率。這可以提高基于 VFD 的操作的效力，使轉(zhuǎn)子速度和扭矩符合應(yīng)用需求，并有助于快速停止伺服應(yīng)用中常見的高轉(zhuǎn)速軸。

總結(jié)

了解直流注入制動、動態(tài)制動和再生制動之間的差異是關(guān)鍵，這有助于為既定軸指定適當?shù)募夹g(shù)，也有助于選擇到能夠接受并通過這些方法提供速度和扭矩控制的電機和驅(qū)動器。通常，動態(tài)制動非常適合于需要一些制動的中等要求軸；相比之下，再生制動可對非常動態(tài)的軸和自動化（甚至伺服）機械上的關(guān)鍵功能進行補充。電流注入系統(tǒng)則最常與這些其他方法結(jié)合起來使用。

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