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在工業(yè)自動(dòng)化機械中，再生制動(dòng)是一種利用電機（及其驅動(dòng)器）的現有結構和能量以及專(zhuān)用子組件來(lái)減慢、停止和重新驅動(dòng)電機軸的技術(shù)。再生制動(dòng)技術(shù)為摩擦離合器和制動(dòng)器提供了高度可控和效率較高（且不說(shuō)結構緊湊）的替代品。簡(jiǎn)而言之，與再生制動(dòng)有關(guān)的電路會(huì )將電機旋轉轉子和任何附加負載的動(dòng)態(tài)機械能轉化為電能。接著(zhù)電能被回饋到電力線(xiàn)路中，用于其他用途或耗散。 電機能量回收最初在 1900 年代初期應用于汽車(chē)，之后在 1930 年代應用于鐵路，隨著(zhù)第一款混動(dòng)客車(chē)（該車(chē)使用制動(dòng)能量為車(chē)載電池充電）的問(wèn)世而首次使用再生一詞。如今，再生制動(dòng)行業(yè)應用（和設計變型）隨處可見(jiàn)。 
圖 1：VFD-EL 多功能驅動(dòng)器通過(guò)高精度電流控制運行交流電機。共用的直流母線(xiàn)簡(jiǎn)化了并排安裝，并且大多數 VFD-EL 驅動(dòng)器型號可以并聯(lián)在一起，以共享再生制動(dòng)能量。這進(jìn)而可防止過(guò)壓并穩定直流母線(xiàn)電壓。（圖片來(lái)源：Delta IA） 1.動(dòng)態(tài)制動(dòng)（有時(shí)稱(chēng)為再生電阻器制動(dòng)）是一種再生能量利用形式，但與所謂的真正再生制動(dòng)不同。在這種形式中，系統的驅動(dòng)器（因其定義功能也稱(chēng)為逆變器）通過(guò)廢熱形式來(lái)耗散電機轉子的轉動(dòng)能，從而使電機完全制動(dòng)，僅此而已。例如，自動(dòng)化機械上的運動(dòng)軸可能會(huì )在其電機運行時(shí)突然關(guān)閉。通常系統摩擦力低到足以讓轉子慣性滑行，很明顯這就是失控。慣性滑行會(huì )一直持續至動(dòng)能耗盡，這可能需要相當長(cháng)的時(shí)間，同時(shí)還會(huì )帶來(lái)機器損壞或人員受傷的風(fēng)險。動(dòng)態(tài)制動(dòng)通過(guò)將轉子動(dòng)能轉換為電能，讓電機更快地停止，從而解決了這一問(wèn)題。這一轉換過(guò)程由調壓式電阻器執行，通過(guò)該電阻器將能量以熱量的形式散發(fā)出去。 許多電機驅動(dòng)器，尤其是數字伺服放大器，都具有內置電阻器，用于此類(lèi)散熱式能量耗散。但是，如果電機驅動(dòng)軸的再生能量超過(guò)了驅動(dòng)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典型。
圖 2：這款 MDDHT5540E 伺服驅動(dòng)器包括一個(gè)內置的用于再生制動(dòng)的再生電阻器。再生電阻器會(huì )放電（來(lái)自停止垂直排列或高慣量負載），并將能量返回驅動(dòng)器。該系列中的框架 A、B、G 和 H 型號不含再生電阻器，因此推薦了可選的再生電阻器。該系列中的框架 C 至 F 驅動(dòng)器包含一個(gè)內置再生電阻器，增加一個(gè)外部再生電阻器可增強再生能力。（圖片來(lái)源：Panasonic Industrial Automation Sales） 當再生制動(dòng)系統采用外部附加的制動(dòng)電阻器時(shí)，該電阻器通常連接在電機驅動(dòng)的端子之間；然后，系統調整軟件可以檢測并分析附加電阻器及其散熱能力。常見(jiàn)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續制動(dòng)應用尤為重要。
圖 3：該 BA 系列 BAB116025R0KE 鋁殼制動(dòng)電阻器適用于大功率再生制動(dòng)應用。其采用繞線(xiàn)陶瓷芯和云母片絕緣，以實(shí)現高介電特性。嵌入式熱切斷開(kāi)關(guān)讓用戶(hù)能在安全應用中使用該電阻器。（圖片來(lái)源：Ohmite） 2.再生制動(dòng)與動(dòng)態(tài)制動(dòng)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(xiàn)，以保留再生能量用于： · 再次用于制動(dòng) · 被制動(dòng)軸的再驅動(dòng) · 為系統上的其他軸供電 工業(yè)自動(dòng)化中的再生制動(dòng)系統有時(shí)被稱(chēng)為線(xiàn)路再生單元，這些系統大多數采用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，允許電機與電源之間的雙向動(dòng)力流動(dòng)——這是使用二極管的傳統逆變器橋無(wú)法做到的。請注意，這種 IGBT 的使用與當今一些基于牽引驅動(dòng)器的電動(dòng)車(chē)輛應用形成了對比。如需了解關(guān)于此類(lèi)驅動(dòng)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換為三相交流電以驅動(dòng)電機（然后將再生制動(dòng)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(dòng)將電機轉子的機械能轉化為電能，因此，當指令扭矩和旋轉方向相反時(shí)，它能有效地使電機作為發(fā)電機在運動(dòng)-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(shí)刻： · 軸指令反轉，轉子短暫地繼續朝相反方向轉動(dòng) · 轉子速度超過(guò)電機的指令同步速度輸出 將再生制動(dòng)集成到自動(dòng)化設計中時(shí)需要注意以下事項：再生制動(dòng)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(shí)，幾乎沒(méi)有剩余的能量來(lái)激勵充當發(fā)電機的電機。因此，在沒(méi)有額外的制動(dòng)或電子裝置的情況下，接下來(lái)只能通過(guò)慣性滑行來(lái)減速，直至完全停止。此外，在觸發(fā)過(guò)壓故障之前，能回饋到標準直流母線(xiàn)電容器的能量也是有限的。因此，規格合適的再生驅動(dòng)器會(huì )將足夠能量返回到交流電源，或利用專(zhuān)門(mén)設計的通用母線(xiàn)。由于后者只將交流電轉換為直流電一次，之后能量就會(huì )被驅動(dòng)器再利用，因此效率特別高。 可以針對再生制動(dòng)量身定做的 VFD 的另一部分包括整流器。稱(chēng)為有源前端整流器的變體可將系統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(guò)將多余的能量轉換成可重復使用的電力返回到主電源，從而擯棄了傳統的制動(dòng)電阻器。AFE200 前端針對廣泛的應用而設計，可以最大限度地提高能效。這種驅動(dòng)器和其他具有再生功能的驅動(dòng)器還能解決系統電流上的一系列諧波失真（特別是在低功率時(shí)），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(shí)現電機制動(dòng)（在某些情況下，簡(jiǎn)稱(chēng)為直流制動(dòng)），該技術(shù)包括將直流電流加到一兩個(gè)交流電機繞組上的驅動(dòng)電子裝置上。無(wú)論確切發(fā)生怎樣的變化，當繼電器或其他控制開(kāi)關(guān)關(guān)閉電機旋轉磁場(chǎng)時(shí)，大多數直流注入系統都會(huì )被觸發(fā)進(jìn)入動(dòng)作狀態(tài)。然后，另一個(gè)繼電器或電子制動(dòng)控制裝置（在 VFD 的驅動(dòng)器內）會(huì )觸發(fā)系統直流母線(xiàn)向電機繞組提供直流電。更大的電流會(huì )產(chǎn)生更大的制動(dòng)力……雖然這些組件會(huì )控制施加的電壓，并讓進(jìn)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)生非旋轉電磁場(chǎng)，進(jìn)而使轉子（和任何連接的負載）停轉并保持原位。
圖 4：圖中所示為 Omron SR125SMS45 停止運動(dòng)安全繼電器，它跟蹤所連接電機何時(shí)完全停止（通過(guò)檢測電機端子上的反電動(dòng)勢），然后打開(kāi)門(mén)控工作單元。該繼電器與直流注入制動(dòng)器和其他電子電機控制裝置協(xié)同工作。（圖片來(lái)源：Omron Automation and Safety） 直流注入制動(dòng)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(dòng)產(chǎn)生的熱量。這會(huì )限制可施加的制動(dòng)電流的大小和時(shí)長(cháng)。因此，直流注入制動(dòng)很少用于保持負載或用作故障安全制動(dòng)系統就不足為奇了。為了防止某些直流注入系統發(fā)生過(guò)熱，零速傳感器可以在確認轉子停止轉動(dòng)后立即切斷電源。 在再生制動(dòng)、直流注入制動(dòng)和動(dòng)態(tài)制動(dòng)之間進(jìn)行選擇（及三者的組合） 大多數設計人員能夠在一項或多項常規操作中利用再生電能的效率。然而，在自動(dòng)化機械中對特定的電機驅動(dòng)軸使用再生制動(dòng)最有用。 動(dòng)態(tài)制動(dòng)（基于高性?xún)r(jià)比制動(dòng)電阻器）最適合需要偶爾制動(dòng)或反轉的輕載自動(dòng)軸。 再生制動(dòng)適合有以下需要的自動(dòng)軸： · 頻繁啟停 · 驅動(dòng)導致轉子轉速超過(guò)電機轉速的被動(dòng)拖曳型負載，如電梯和傾斜輸送機上 · 連續工作應用（包括需要足夠頻繁操作才稱(chēng)得上持續工作的應用） · 節省的能源可以彌補再生驅動(dòng)器額外前期成本的系統 如上所述，直流注入制動(dòng)可以單獨應用。但是，直流注入制動(dòng)與再生或動(dòng)態(tài)制動(dòng)結合使用的情況通常更為常見(jiàn)。這是因為當軸接近停止且需要保持原位時(shí)，直流注入制動(dòng)需要在再生制動(dòng)逐漸失效時(shí)發(fā)揮制動(dòng)功能。類(lèi)似這樣的雙系統制動(dòng)方案利用了多種技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現了真正的高性能電子制動(dòng)，且幾乎沒(méi)有過(guò)熱的風(fēng)險。 再生制動(dòng)應用實(shí)例 再生制動(dòng)是一種有用的方法，可以減慢和控制一系列運動(dòng)負載，同時(shí)回收其動(dòng)能用于其他系統用途。人們對能量效率日益重視，促使設計工程師在勢能回收機會(huì )最佳的應用中采用再生制動(dòng)。其中包括涉及以下方面的設計： · 升降機、起重機和電梯的垂直軸：例如，若在沒(méi)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(lái)實(shí)現安全和可控的下降。在這種情況下，即使主電源被切斷，制動(dòng)系統也要能正常工作，這很關(guān)鍵。否則，動(dòng)能將無(wú)處釋放，而軸將進(jìn)入自由落體或失控狀態(tài)。在其他情況下，可以使用備用或應急發(fā)電機（具有其自身的設計要求）。當切換到發(fā)電機供電時(shí)，大多數系統會(huì )暫時(shí)禁用驅動(dòng)器的能量回收功能。 · 旋轉離心機、試驗臺和風(fēng)扇：在許多此類(lèi)設計中，軸的占空比是恒定的，需要外接前文提到的附加制動(dòng)電阻器。 · 卷材拉緊和卷材處理：在此領(lǐng)域，交流感應電機（與能夠再生制動(dòng)的 VFD 搭配）很常見(jiàn)。這是因為這種運動(dòng)設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。 · 快速加速和反轉軸：在高級輸送機、鋸機和重型機器人上，再生制動(dòng)有助于提高這些運動(dòng)的效率。這可以提高基于 VFD 的操作的效力，使轉子速度和扭矩符合應用需求，并有助于快速停止伺服應用中常見(jiàn)的高轉速軸。
圖 5：Panasonic 伺服驅動(dòng)器采用了先進(jìn)的技術(shù)且具有 50 W 至 5 kW 的寬功率范圍。該驅動(dòng)器可以抑制以共振頻率進(jìn)行的振動(dòng)，并能夠以高達 100 Mb/秒的速度執行脈沖、模擬和基于網(wǎng)絡(luò )的控制。FPWIN Pro7 軟件可進(jìn)行全面配置和設置 PLC 連接。伺服驅動(dòng)器接受掛接可選的制動(dòng)電阻器。（圖片來(lái)源：Panasonic Industrial Automation Sales） 結語(yǔ) 了解直流注入制動(dòng)、動(dòng)態(tài)制動(dòng)和再生制動(dòng)之間的差異是關(guān)鍵，這有助于為既定軸指定適當的技術(shù)，也有助于選擇到能夠接受并通過(guò)這些方法提供速度和扭矩控制的電機和驅動(dòng)器。通常，動(dòng)態(tài)制動(dòng)非常適合于需要一些制動(dòng)的中等要求軸；相比之下，再生制動(dòng)可對非常動(dòng)態(tài)的軸和自動(dòng)化（甚至伺服）機械上的關(guān)鍵功能進(jìn)行補充。電流注入系統則最常與這些其他方法結合起來(lái)使用。 來(lái)源：Digi-Key 作者：Lisa Eitel |
