A villanymotorral hajtott tengelyek visszatápláló fékezése

Az ipari automatizálásban használt gépekben a visszatápláló fékezés egy olyan megoldás, amely – kifejezetten erre a célra szolgáló részegységek felhasználásával – a meglévő szerkezeteket és a villanymotorok (valamint azok vezérlésének) energiáját hasznosítja a tengelyek lassítására, megállítására és újra mozgásba hozására.

A gépjárműiparban az 1900-as évek elején, a vasúti járműveknél az 1930-as években alkalmazták először a villanymotor energiájának ilyen jellegű hasznosítását, akkori kifejezéssel visszanyerését az első hibrid utasszállító gépjárművekben – ezekben a fékezési energiával a jármű akkumulátorát töltötték.
A visszatápláló fékezés nagymértékben szabályozható és energiatakarékos (és mérettakarékos) alternatívát jelent a súrlódásos tengelykapcsolókkal és fékekkel szemben. Röviden szólva a visszatápláló fékezéshez használt áramkörök a villanymotor pörgő forgórészének és a hozzá kapcsolódó terhelésnek a dinamikus mechanikai energiáját alakítják át villamos energiává. Az ezáltal nyert villamos energiát aztán visszatáplálják az áramellátó rendszerbe egyéb célú felhasználásra vagy hőelvezetés végett. Napjainkban már számos példa van a visszatápláló fékezés ipari területeken történő alkalmazására (és sokféle kiviteli változattal találkozhatunk).

1. ábra  A VFD-EL többcélú vezérlőegységek a váltakozó áramú villanymotorok nagy pontosságú áramerősség-szabályozását teszik lehetővé. Egy közös egyenáramú sín leegyszerűsíti az egymás melletti elhelyezést, és a legtöbb VFD-EL vezérlőegység-típust össze lehet kötni párhuzamos csoportként, hogy megosszák a visszatáplált fékezési energiát. Ez cserében megakadályozza a túlfeszültséget, és stabilizálja az egyenáramú sín feszültségét (A kép forrása: Delta IA)

2. ábra  Az MDDHT5540E szervo-vezérlőegység beépített visszatápláló ellenállással van ellátva, hogy lehetővé tegye a visszatápláló fékezést. A visszatápláló ellenállás kisüti az (egy függőleges elrendezésű vagy nagy nyomatékú terhelés leállításából keletkező) energiát, és visszajuttatja azt a vezérlőegységbe. A sorozat A, B, G és H keretes típusai nem tartalmaznak visszatápláló ellenállást, ezért külön beszerezhető visszatápláló ellenállások használata javasolt. A sorozat C–F keretes vezérlőegységei tartalmaznak egy visszatápláló ellenállást, viszont külső visszatápláló ellenállások hozzáadásával nő a visszatáplálási kapacitásuk (A kép forrása: Panasonic Industrial Automation Sales)

1. A dinamikus fékezés (visszatápláló ellenállásos fékezésnek is nevezik) – a visszatáplált energia felhasználásának egyik formája, bár eltér az igazi visszatápláló fékezés néven ismert formától. Itt a rendszer vezérlőegysége (amelyet a funkcióját leíró inverter néven is ismernek) a motor teljes lefékezése során keletkező hőveszteség – és semmi egyéb – útján csökkenti nullára a motor forgórészének forgási energiáját. Például egy automatizált géprész mozgó tengelye hirtelen leállhat, miközben a villanymotor forog. Általában a rendszer súrlódása elég alacsony ahhoz, hogy a villanymotor szabadon tudjon futni – ami a meghatározás szerint nem szabályozott állapot. A szabadon futás mindaddig folytatódik, ameddig a mozgási energia el nem fogy, ami elég sokáig eltarthat – és fennáll a veszélye annak, hogy közben károsodik a gép, vagy megsérül valaki. A dinamikus fékezés megoldja ezt a gondot, és gyorsabb megállásra kényszeríti a villanymotort a forgórész mozgási energiáját villamos energiává alakítva. Az utóbbit szabályozott feszültségű ellenállások végzik, amelyek cserébe hő formájában sugározzák ki az energiát.
Sok motorvezérlő-egység – főleg a digitális szervoerősítő – beépített ellenállásokkal van ellátva a hűtőbordás energiakisugárzáshoz. Ha azonban a motor hajtotta tengely úgy érzékeli, hogy a visszatáplált energia meghaladja a vezérlő-ellenállások kombinált értékét, külső visszatápláló ellenálláscsoportokra lehet szükség. Ez rendkívül jellemző a nagy terhelés–motornyomaték arányt mutató tengelyekre.
Ha a visszatápláló fékrendszer külső kiegészítő fékellenállással van ellátva, az utóbbi általában a motorvezérlő-egység kapcsai közé van kötve. A rendszer beállítószoftvere ezt követően képes érzékelni a kiegészítő ellenállást, és megalkotni az azt és annak hőkisugárzó képességét jellemző profilt. A szokványos ellenállás fizikailag egy – a gyors hőelvezetés miatt jó hővezető képességű anyaggal megtöltött – alumíniumház. A hő gyors kisugárzása különösen a folyamatos fékezéssel járó alkalmazási területeken fontos.

3. ábra  A BA sorozatú BAB116025R0KE alumíniumházas fékellenállás kiválóan alkalmas nagy teljesítményű visszatápláló fékezést használó alkalmazási területekre. A kialakítása olyan, hogy vezeték van kerámiamagra csévélve, és a jó szigetelési jellemzők érdekében csillám szigetelőlapokkal szigetelve. Egy beágyazott hőkioldó kapcsoló lehetővé teszi az ellenállás biztonsági megoldásokban való használatát is (A kép forrása: Ohmite)

2. A visszatápláló fékezés annyiban tér el a dinamikus fékezéstől, hogy a mechanikusan előállított villamos energiát visszatáplálja a fő áramellátó rendszerbe vagy a közös egyenáramú sínre, hogy a visszatáplált energia megmaradjon a következő célokra:

• Újrafelhasználás fékezéshez,

• a fékezett tengely ismételt mozgásba hozása,

• a rendszer más tengelyeinek energiával való ellátása.

Az olykor vonali visszatápláló egységeknek nevezett, az ipari automatizálás területén a legjobb visszatáplálást nyújtó fékrendszerek IGBT-t használnak a villanymotor és az áramforrás közti kétirányú energiaáramlás lehetővé tételére, ami a diódákat használó hagyományos inverterhidakkal lehetetlen lenne. Érdemes megjegyezni, hogy az IGBT-k ilyen jellegű felhasználása ellentétes a napjaink egyes villanygépjárműves alkalmazási területein használt hajtási megoldásokkal. Az ilyen hajtásokban használt nagy energiarésű félvezetőkről, például a szilíciumkarbidokról (SiC) a https://www.digikey.hu oldalon olvashat bővebben.
Bizonyos esetekben a SiC-alapú eszközök jobb hatásfokkal és fajlagos teljesítménnyel tudják átalakítani az egyenáramot háromfázisú váltakozó árammá a villanymotor hajtásához (majd a visszatáplált fékenergiát vissza egyenárammá az akkumulátor töltéséhez), mint az IGBT-k vagy egyéb MOSFET-ek.
Mivel a visszatápláló fékezés a villanymotor forgórészének mechanikai energiáját alakítja át villamos energiává, hatékonyan használja generátorként a villanymotort a mozgásszabályozási sebesség–nyomaték sík második és negyedik negyedében, amikor a kért nyomaték és a forgásirány ellentétes irányú. Ez olyankor következik be, amikor:

• a tengelyvezérlő-parancs megfordul, a forgórész pedig rövid ideig továbbra is azzal ellentétes irányba forog, valamint

• a forgórész fordulatszáma meghaladja a motor kért szinkronsebességi fordulatszámát.

A visszatápláló fékezés automatizált rendszerekbe való beépítésekor találkozunk néhány ellentmondással, például a visszatápláló fékezés lassítani ugyan tudja a forgórészt, de megállítani és a terheléssel együtt álló helyzetben tartani nem. Ahogy a tengely közelít a teljes leálláshoz, kevés energia marad a generátor (-ként működő villanymotor) gerjesztésére, ezért egyéb kiegészítő fék vagy elektronika nélkül a megállásra lassítás további részét szabadon futással kell megoldani. Ezenkívül megvannak a korlátai annak, hogy mennyi energiát lehet visszatáplálni a szokványos egyenáramú sínek kondenzátoraiba, mielőtt túlfeszültség miatti hibajelzést adnának ki. Szóval a jól megtervezett visszatápláló vezérlőegységek elegendő energiát juttatnak vissza a váltakozó áramú áramforrásnak – vagy külön erre a célra szolgáló közös síneket használnak. Mivel az utóbbiak átalakítják a váltakozó áramot egyenárammá, mielőtt valamelyik vezérlőegység újra felhasználná azt, ezért fölöttébb jó hatásfokúak.
A VFD (Variable Frequency Drive – frekvenciaváltó) másik, a visszatápláló fékezéshez kimondottan testre szabható része az egyenirányító. Az aktív bemeneti egyenirányító néven ismert változatok minimálisra csökkentik a rendszer áramának harmonikus lengéseit. Megfontolandó a Delta Electronics cég AFE2000 sorozatú aktív bemeneti egyenirányítójának alkalmazása, amely nem használ hagyományos fékellenállásokat, mivel úgy alakítja át a fölös energiát újrahasznosítható energiává, hogy visszavezeti azt a fő hálózatba. Az AFE2000 bemeneti egyenirányítókat arra tervezték, hogy alkalmazási területek széles körében maximálisra növeljék az energiatakarékosságot. Ez és más visszatáplálási funkciókra képes vezérlőegységek a rendszeráramon (különösen kis teljesítmény esetén) jelentkező harmonikus torzítások széles tartományát is kiküszöbölik, ezzel védve cserében a közeli (például a visszatáplálást szabályozó) elektronikát az elektromágneses zavaroktól.

4. ábra  Az Omron SR125SMS45 mozgásleállító biztonsági relé (a motor kapocspontjain jelentkező elektromotoros ellenerőt érzékelve) követi, hogy mikor állnak meg teljesen a hozzá kapcsolt villanymotorok, majd kinyitja a kapuzott munkacellákat. A relé egyenáram rákapcsolásával működő fékekkel és más elektronikus villanymotor-vezérlő egységekkel használható (A kép forrása: Omron Automation and Safety)

3. Az egyenáram rákapcsolása a villanymotor fékezése céljából – bizonyos helyeken ezt egyszerűen egyenáramú fékezésnek nevezik – olyan vezérlőelektronikát tartalmaz, amely egyenáramot juttat a váltakozó áramú villanymotor egy vagy két tekercsére. Lényegtelen, milyen a pontos kialakítás, az egyenáramot bejuttató rendszerek többsége akkor lép működésbe, amikor egy relé vagy más vezérlőegység lekapcsolja a villanymotor forgó mágneses terét. Ezután egy másik relé vagy elektronikus fékszabályozó (a VFD-k esetében a vezérlőegységben) rákapcsolja az egyenáramot a rendszer egyenáramú sínjéről a villanymotor tekercseire.
A nagyobb áram nagyobb fékerőt hoz létre, bár ezek a részegységek szabályozzák a ráadott feszültséget, és az áramerősséget a villanymotor tekercseire megengedett legnagyobb érték alatt tartják.
Az egyenáram rákapcsolásának eredménye egy nem forgó elektromágneses mező lesz az állórészben, amely megállítja és álló helyzetben tartja a forgórészt (és minden arra kapcsolt terhelést).
Az egyenáram rákapcsolásával működő fékezés fő korlátja az, hogy mennyi – a fékezés miatt keletkező – hőt tudnak elvezetni a motor és annak kapcsolódó elektronikái anélkül, hogy hőkárosodást szenvednének. Ez korlátozza a fékezőáram nagyságát és alkalmazási idejét. Nem csoda, hogy az egyenáram rákapcsolásával működő fékezést ritkán használják úgy a terhelés egy helyben tartására, mint hibatűrő fékrendszerekben. Egyes egyenáram rákapcsolásával működő rendszerekben a túlmelegedés megakadályozására állóhelyzet-érzékelőkkel lekapcsolják a feszültséget, amint teljesen egyértelmű, hogy a forgórész forgása leállt.

Választás a visszatápláló fékezés, az egyenáram rákapcsolásával működő fékezés és a dinamikus fékezés között (illetve azok kombinálása)

A legtöbb tervező egy vagy több szokványos művelet esetében ki tudja használni a visszatáplált energia előnyeit. Az automatizált gépek esetében azonban a visszatápláló fékezés a villanymotorral hajtott egyedi tengelyek esetében a leghasznosabb.
A (költségtakarékos fékellenállásokon alapuló) dinamikus fékezés az esetenkénti fékezést és forgásirány-fordítást igénylő kis terhelésű automatizált tengelyek esetében alkalmazható a legjobban.
A visszatápláló fékezés az olyan automatizált tengelyek esetében alkalmazható, amelyeknek az alábbiakra van szükségük:

• Gyakori megállások és elindulások,

• olyan lendkerékszerű terhelések mozgásba hozása, amelyek a forgórész fordulatszám-túllépését okozzák – például mint a liftek és lejtős futószalagok esetében,

• folyamatos terhelést jelentő alkalmazási területek (beleértve azokat, amelyek olyan gyakori működtetést igényelnek, hogy az állandó terhelésnek minősül),

• olyan rendszerek, amelyek esetében az energiamegtakarítás indokolhatja a visszatápláló vezérlőegység beszerzésének pluszköltségeit.

Mint fentebb már kifejtettem, az egyenáram rákapcsolásával működő fékezés önmagában is alkalmazható. Ennek ellenére gyakoribb, hogy visszatápláló vagy dinamikus fékezéssel kombinálják. Ennek oka, hogy az egyenáram rákapcsolásával működő fékezés olyan fékezési funkciót tételez fel, ahol a visszatápláló fékezés hatástalanná válik – azaz, amikor a tengely már majdnem megállt, és álló helyzetben kell tartani. A kettős rendszerű fékmegoldások, például azok, amelyek több műszaki megoldás előnyét is kihasználják az igazán nagy teljesítményű elektronikus fékezés érdekében, kis túlmelegedési kockázattal járnak.

5. ábra  A Panasonic szervovezérlő-egységei tág, 50 W és 5 kW közötti teljesítménytartományban kombinálják a fejlett technológiákat.
A vezérlőegységek el tudják nyomni a lengéseket a rezonanciafrekvenciákon, és impulzusalapú, analóg és hálózatalapú szabályozást végeznek akár 100 Mb/s sebességgel. Az FPWIN Pro7 szoftver teljes beállíthatóságát, valamint PLC-kapcsolat kialakítását teszi lehetővé. A szervovezérlő-egység külön beszerezhető fékellenállások csatlakoztatására ad lehetőséget (A kép forrása: Panasonic Industrial Automation Sales)

Példák a visszatápláló fékezés alkalmazási területeire

A visszatápláló fékezés hasznos megoldás több mozgó teher lassítására és mozgásának szabályozására, miközben ezen terhek mozgási energiáját hasznosítja a rendszer egyéb céljaira. Ahogy az energiatakarékosság mindinkább előtérbe kerül, a tervezőmérnököknek egyre inkább alkalmazniuk kell a visszatápláló fékezést az olyan területeken, ahol azok alkalmazása jelenti a legjobb megoldást az esetleges energia-visszanyerésre. Ilyen tervezési területek az alábbiak:

• Emelők, daruk és liftek függőleges tengelyei – Például függő terhek ellensúly nélküli leengedésekor a nehézségi erőt, valamint a villanymotor nyomatékát kell felhasználni a biztonságos és szabályozott leengedéshez. Ezekben a helyzetekben létfontosságú, hogy a fékrendszer akkor is jól működjön, ha megszakad az áramellátás. Ellenkező esetben a mozgási energiát nem lehetne semlegesíteni, és a tengely szabadesésbe kerülne vagy elszabadulna. Más esetekben egy (saját tervezési követelmények alapján készült) tartalék- vagy vészhelyzeti generátort lehet használni. Generátoros áramellátásra kapcsolva a legtöbb rendszer átmenetileg letiltja saját vezérlőegységének energia-visszanyerési funkcióit.

• Forgó centrifugák, ellenőrzőállványok és ventilátorok – Ezen szerkezetek többsége folyamatosan működő tengellyel van ellátva, amely a korábban említett külső fékellenállások hozzáadását teszi szükségessé.

• Papírtekercs-feszítés és papírtekercs-mozgatás – Általában váltakozó áramú indukciós motorokat használnak (visszatápláló fékezésre alkalmas VFD-kkel). Ennek oka, hogy ezek az alkalmazási területek nyomdagépek nagy sebességű és nagy nyomatékú tengelyeinek ügyes kezelését, valamint papír- és műanyag orsók mozgatását igénylik.

• Tengelyek gyors gyorsítása és forgásirányváltása – A visszatápláló fékezés a korszerű futószalagok, fűrészek és nehéz robotok esetében segít hatékonyabbá tenni ezeket a mozgásokat. Ez növeli a VFD-alapú forgórész sebességét és nyomatékát, az adott alkalmazás igényeihez igazító műveletek hatékonyságát, és segít gyorsan megállítani a nagy fordulatszámú tengelyeket, ami a szervorendszerek esetében teljesen hétköznapi.

Következtetés

Az egyenáram rákapcsolásával működő, a dinamikus és a visszatápláló fékezés különbségeinek megértése kulcsfontosságú ahhoz, hogy az adott tengely esetében a megfelelő technológiát alkalmazza. Ezenkívül hasznos még – ezen módszerek révén – a sebesség érzékelésére és beállítására, valamint a nyomatékszabályozásra alkalmas villanymotorok és vezérlőegységek kiválasztásában.
A dinamikus fékezés jellemzően egészen jól használható a valamekkora fékezést igénylő, mérsékelt terhelésű tengelyekkel való használatra. Ezzel szemben a visszatápláló fékezés megfelelő az automatizált (akár szervovezérlésű) gépek nagyon dinamikus mozgásokat végző tengelyeihez és kritikus funkcióihoz is.
Az áramrákapcsolásos rendszereket leggyakrabban ezekkel az egyéb módszerekkel kombinálva használják.

Szerző: Rolf Horn – Alkalmazástechnikai mérnök, Digi-Key Electronics

Digi-Key Electronics
Angol nyelvű kapcsolat
Arkadiusz Rataj
Sales Manager Central Eastern Europe & Turkey
Digi-Key Electronics Germany
Tel.: +48 696 307 330
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.

www.digikey.hu

még több Digi-Key Electronics