Regeneratives Bremsen auf motorgetriebenen Achsen

In industriellen Automatisierungsmaschinen ist das regenerative Bremsen eine Technik, bei der die vorhandenen Strukturen und die Energie von Elektromotoren (und ihren Antrieben) zusammen mit speziellen Unterkomponenten genutzt werden, um Achsen zu verlangsamen, anzuhalten und wieder zu betätigen. Regenerative Bremstechniken bieten hochgradig kontrollierbare und energieeffiziente (ganz zu schweigen von kompakten) Alternativen zu Reibungskupplungen und -bremsen. Kurz gesagt wandelt die Schaltung für das regenerative Bremsen die dynamische mechanische Energie aus dem sich drehenden Rotor des Motors und den angeschlossenen Lasten in elektrische Energie um. Letztere wird dann zur anderweitigen Verwendung oder Ableitung in die Stromleitung zurückgeführt.

Erstmals in den frühen 1900er Jahren im Automobilbereich und in den 1930er Jahren im Eisenbahnbereich eingesetzt, wurde die Rückgewinnung von Motorenenergie bei den ersten Hybrid-Personenfahrzeugen - bei denen die Bremsenergie in den Batterien aufgeladen wird - als Rückgewinnung bezeichnet. Heutige regenerativ-bremsende industrielle Anwendungen (und Designvarianten) gibt es im Überfluss.

Abbildung 1: VFD-EL Multifunktionsantriebe betreiben Wechselstrommotoren mit hochpräziser Stromregelung. Ein gemeinsamer Gleichstrombus vereinfacht die Installation nebeneinander, und die meisten VFD-EL-Antriebsmodelle können in parallelen Gruppen angeschlossen werden, um regenerative Bremsenergie gemeinsam zu nutzen. Das wiederum verhindert Überspannungen und stabilisiert die Gleichstrombusspannung. (Bildquelle: Delta IA)

1. Dynamisches Bremsen (manchmal als regeneratives Widerstandsbremsen bezeichnet) ist eine Form der Nutzung regenerativer Energie - obwohl sie sich von dem unterscheidet, was als echtes regeneratives Bremsen bezeichnet wird. Hier führt der Antrieb des Systems (wegen seiner bestimmenden Funktion auch Inverter genannt) die Rotationsenergie des Motorrotors durch Wärmeabgabe ab, um den Motor vollständig abzubremsen - und nicht mehr. Beispielsweise könnte sich eine Bewegungsachse an einer automatisierten Maschine plötzlich ausschalten, während ihr Elektromotor läuft. Normalerweise ist die Systemreibung niedrig genug, um den Rotor ausrollen zu lassen, was per Definition außer Kontrolle geraten ist. Das Ausrollen geht so lange weiter, bis die kinetische Energie verbraucht ist, was ziemlich lange dauern kann - und in der Zwischenzeit die Gefahr von Maschinenschäden oder Personenschäden birgt. Dynamisches Bremsen löst dieses Problem, indem Motoren durch die Umwandlung der kinetischen Energie des Rotors in elektrische Energie schneller zum Stillstand gebracht werden. Letzteres geschieht durch spannungsgeregelte Widerstände, die ihrerseits die Energie als Wärme abgeben.

Viele Motorantriebe - insbesondere digitale Servoverstärker - haben eingebaute Widerstände für eine solche Kühlkörperenergiedissipation. Wenn jedoch bei der motorgetriebenen Achse die rückspeisbare Energie die kombinierte Nennleistung der Antriebswiderstände überschreitet, können externe Rückspeisewiderstandsbänke erforderlich sein. Das ist ziemlich typisch für Achsen, die große Last-zu-Motor-Trägheitsverhältnisse aufweisen.

Abbildung 2: Dieser MDDHT5540E Servoantrieb enthält einen eingebauten regenerativen Widerstand, um regeneratives Bremsen zu ermöglichen. Der Regenerationswiderstand entlädt Energie (vom Anhalten einer vertikal angeordneten oder trägen Last) und gibt diese Energie an den Antrieb zurück. Die Modelle mit Rahmen A, B, G und Rahmen H in dieser Serie enthalten keinen regenerativen Widerstand, daher werden optionale regenerative Widerstände empfohlen. Die Umrichter C bis F dieser Serie enthalten einen eingebauten Regenerationswiderstand, und das Hinzufügen eines externen Regenerationswiderstandes erhöht die Regenerationsfähigkeit. (Bildquelle: Panasonic Industrial Automation Sales)

Wenn ein regeneratives Bremssystem einen externen Zusatzbremswiderstand verwendet, wird dieser normalerweise zwischen den Motorantriebsklemmen angeschlossen; die Software zur Systemabstimmung kann dann den Zusatzwiderstand und seine Wärmeabgabefähigkeiten erkennen und profilieren. Ein übliches Widerstandsformat ist eines mit einem Aluminiumgehäuse, das mit Material hoher Wärmeleitfähigkeit zur schnellen Wärmeableitung gefüllt ist. Eine schnelle Wärmeabgabe ist besonders wichtig bei Dauerbremsanwendungen.

<Abbildung 3: Dieser Bremswiderstand mit Aluminiumgehäuse der BA-Serie BAB116025R0KE ist für regenerative Hochleistungsbremsanwendungen geeignet. Es ist mit auf Keramikkerne gewickelten Drähten und Glimmerplattenisolierung für hohe dielektrische Eigenschaften konstruiert. Ein eingebetteter thermischer Trennschalter ermöglicht den Einsatz des Widerstandes in Sicherheitsanwendungen. (Bildquelle: Ohmite)

2. Regeneratives Bremsen unterscheidet sich vom dynamischen Bremsen dadurch, dass es mechanisch erzeugte elektrische Energie zurück in die Hauptstromversorgung oder den gemeinsamen Gleichstrombus einspeist, um die regenerative Energie für zu halten:

• Wiederverwendung beim Bremsen
• Wiederbetätigung der gebremsten Achse
• Antrieb anderer Achsen des Systems

Manchmal als Leitungsrückspeiseeinheiten bezeichnet, verwenden die meisten regenerativen Bremssysteme in der Industrieautomatisierung Bipolartransistoren mit isoliertem Gate (IGBTs), um einen bidirektionalen Stromfluss zwischen Motor und Stromquelle zu ermöglichen, was bei herkömmlichen Umrichterbrücken mit Dioden unmöglich ist. Beachten Sie, dass diese Verwendung von IGBTs im Gegensatz zu einigen der heutigen Elektrofahrzeuganwendungen steht, die auf Traktionsantrieben basieren. Lesen Sie mehr über Breitband-Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) für solche Antriebe in diesem Artikel von digikey.com zum Thema . In einigen Fällen können SiC-basierte Bauelemente Gleichstrom in Dreiphasen-Wechselstrom umwandeln, um den Motor anzutreiben (und dann regenerative Bremsenergie zurück in Gleichstrom für die Batterieladung), und zwar mit einem höheren Wirkungsgrad und einer höheren Leistungsdichte als IGBTs und andere MOSFETs.

Da beim regenerativen Bremsen die mechanische Energie des Motors/Läufers in elektrische Energie umgewandelt wird, arbeitet der Motor im zweiten und vierten Quadranten der Drehzahl-Drehmoment-Ebene der Bewegungssteuerung effektiv als Generator, wenn das befohlene Drehmoment und die Drehung in entgegengesetzte Richtungen gehen. Jetzt ist es soweit:

• Der Achsenbefehl kehrt sich um, und der Rotor dreht sich kurzzeitig in die entgegengesetzte Richtung weiter.
• Die Rotordrehzahl übersteigt die vom Motor befohlene Synchrondrehzahl-Ausgangsleistung

Es gibt Vorbehalte, wenn regeneratives Bremsen in ein automatisiertes Design integriert wird: Regeneratives Bremsen kann Lasten verlangsamen, aber nicht anhalten und halten. Wenn sich die Achse einem vollständigen Stillstand nähert, bleibt nur noch wenig Energie übrig, um den (als Motor fungierenden) Generator zu erregen. Ohne zusätzliche Bremse oder Elektronik erfolgt also die restliche Verlangsamung bis zum Stillstand im Leerlauf. Darüber hinaus gibt es Grenzen dafür, wie viel Energie in Standard-Gleichstrombuskondensatoren zurückgespeist werden kann, bevor ein Überspannungsfehler ausgelöst wird. Gut spezifizierte regenerative Antriebe liefern also eine ausreichende Menge an Wechselstrom an die Wechselstromquelle zurück - oder nutzen speziell konstruierte gewöhnliche Busse. Da letztere die Leistung nur einmal von Wechselstrom in Gleichstrom umwandeln, bevor die Energie von einem Antrieb wiederverwendet wird, sind sie besonders effizient.

Ein weiterer Teil einer VFD, der speziell auf regeneratives Bremsen zugeschnitten werden kann, umfasst den Gleichrichter. Variationen mit der Bezeichnung aktives Front-End Gleichrichter minimieren Oberwellen im Systemstrom. Denken Sie an das aktive Front-End der Serie AFE2000 von Delta Electronics, das herkömmliche Bremswiderstände überflüssig macht, indem es überschüssige Energie in wiederverwendbare Energie umwandelt, die dann wieder an das Netz abgegeben werden kann. AFE200-Frontends sind für eine breite Palette von Anwendungen zur Maximierung der Energieeffizienz ausgelegt. Dieser und andere Antriebe, die in der Lage sind, rückspeisefähig zu sein, lösen auch ein breites Spektrum an harmonischen Verzerrungen des Systemstroms (insbesondere bei niedriger Leistung) auf, um wiederum die Elektronik in der Nähe (z. B. die für die Steuerrückkopplung) vor EMI zu schützen.

3. Die Gleichstromeinspeisung für das Bremsen von Elektromotoren (in bestimmten Kontexten einfach Gleichstrombremsen genannt) umfasst eine Antriebselektronik, die Gleichstrom auf eine oder zwei Wicklungen eines Wechselstrommotors leitet. Unabhängig von der genauen Abweichung werden die meisten Gleichstromeinspritzsysteme ausgelöst, wenn ein Relais oder eine andere Steuerung das rotierende Magnetfeld des Motors abschaltet. Dann löst ein weiteres Relais oder eine elektronische Bremssteuerung (innerhalb des Antriebs für VFDs) die Zufuhr von Gleichstrom vom Gleichstrombus des Systems zu den Motorwicklungen aus. Höherer Strom induziert mehr Bremskraft ... obwohl diese Komponenten die angelegte Spannung steuern und den Strom in den Wicklungen unter den maximalen Nennleistungen des Motors halten.

Das Ergebnis der Gleichstromeinspeisung ist ein nicht rotierendes elektromagnetisches Feld vom Stator, das den Rotor (und alle angeschlossenen Lasten) stoppt und an Ort und Stelle hält.

Abbildung 4: Abgebildet ist ein Omron SR125SMS45 Stopp-Bewegungs-Sicherheitsrelais, das verfolgt, wenn angeschlossene Motoren vollständig zum Stillstand gekommen sind (durch Erfassung der Rück-EMK über die Motorklemmen) und dann die angeschlossenen Arbeitszellen öffnet. Das Relais arbeitet mit Gleichstrom-Einspritzbremsen und anderen elektronischen Motorsteuerungen. (Bildquelle: Omron Automation and Safety)

Der wichtigste begrenzende Faktor beim Bremsen mit Gleichstromeinspritzung ist die Menge der bremsinduzierten Wärme, die ein Motor und die dazugehörige Elektronik abführen können, ohne thermische Schäden zu erleiden. Das schränkt die Größe und die Zeitdauer ein, die der Bremsstrom angewendet werden kann. Kein Wunder, dass Gleichstrom-Einspritzbremsen selten zum Halten von Lasten oder als ausfallsichere Bremssysteme eingesetzt werden. Um eine Überhitzung in einigen Gleichstromeinspritzsystemen zu verhindern, können Nulldrehzahlsensoren die Stromzufuhr unterbrechen, sobald der Rotor sich nicht mehr dreht.

Wahl zwischen (und Kombination mit) regenerativem Bremsen, Gleichstrombremsen mit Einspritzung und dynamischem Bremsen

Die meisten Konstrukteure können die Effizienzen der regenerativen Energie während eines oder mehrerer regelmäßiger Betriebsvorgänge nutzen. Das regenerative Bremsen in automatisierten Maschinen ist jedoch am nützlichsten bei bestimmten motorgetriebenen Achsen.

Dynamisches Bremsen (basierend auf kostengünstigen Bremswiderständen) eignet sich am besten für automatisierte Achsen mit geringer Leistung, die gelegentlich gebremst oder reversiert werden müssen.

Regeneratives Bremsen eignet sich für automatisierte Achsen, die automatisiert werden müssen:

• Häufige Stopps und Starts
• Die Betätigung von Überholungslasten, die dazu führen, dass die Rotordrehzahl die Motordrehzahl übersteigt - wie bei Aufzügen und Schrägförderern
• Anwendungen im Dauerbetrieb (einschließlich solcher, die häufig genug betrieben werden müssen, um als Dauerbetrieb zu gelten)
• Systeme, bei denen die Energieeinsparungen die zusätzlichen Vorlaufkosten für einen regenerativen Antrieb rechtfertigen können

Wie oben erläutert, kann die Gleichstrom-Einspritzbremsung allein angewendet werden. Häufiger ist es jedoch, dass das Bremsen mit Gleichstromeinspritzung mit regenerativem oder dynamischem Bremsen kombiniert wird. Das liegt daran, dass die Bremse mit Gleichstromeinspritzung die Bremsfunktion übernimmt, wenn die regenerative Bremsung versagt, wenn sich die Achse ihrem Anschlag nähert und gehalten werden muss. Zweisystembremsanordnungen wie diese nutzen die Stärken mehrerer Technologien für echte elektronische Hochleistungsbremsen mit geringem Überhitzungsrisiko.

Anwendungsbeispiele für regeneratives Bremsen

Regeneratives Bremsen ist ein nützlicher Ansatz, um eine Reihe von bewegten Lasten zu verlangsamen und zu steuern, während ihre kinetische Energie für andere Systemnutzung zurückgewonnen wird. Die verstärkte Konzentration auf Energieeffizienz hat die Konstrukteure dazu veranlasst, regeneratives Bremsen dort einzusetzen, wo die Anwendungen die besten Möglichkeiten zur potentiellen Energierückgewinnung bieten. Dazu gehören auch Entwürfe, die einbeziehen:

• Vertikalachsen für Aufzüge, Kräne und Hebebühnen: Das Absenken von angehobenen Lasten ohne Gegengewicht beinhaltet beispielsweise die Schwerkraft und das Drehmoment des Motors für einen sicheren und kontrollierten Abstieg. In diesen Situationen ist es von entscheidender Bedeutung, dass das Bremssystem auch dann gut funktioniert, wenn die Hauptstromversorgung unterbrochen ist. Andernfalls hat die kinetische Energie keinen Auslass - und die Achse geht in einen freien Fall oder Ausreißzustand über. In anderen Fällen kann ein Reserve- oder Notstromaggregat (mit eigenen Konstruktionsanforderungen) verwendet werden. Beim Umschalten auf Generatorleistung deaktivieren die meisten Systeme vorübergehend die Energierückgewinnungsfunktionen ihrer Antriebe.
• Drehzentrifugen, Prüfstände und Ventilatoren: Viele dieser Konstruktionen sind Achsen mit konstantem Arbeitszyklus, die die oben erwähnten externen Zusatzbremswiderstände erfordern.
• Bahnspannung und Bahnverarbeitung: Hier sind Wechselstrom-Asynchronmotoren (gepaart mit VFDs, die in der Lage sind, regenerativ zu bremsen) üblich. Das liegt daran, dass solche Bewegungsdesigns geschickt mit Hochgeschwindigkeitsachsen mit hoher Trägheit von Druckmaschinen sowie mit der Verarbeitung von Papier- und Kunststoffspulen umgehen.
• Schnell beschleunigende und reversierende Achsen: Regeneratives Bremsen hilft, diese Bewegungen auf fortschrittlichen Förderern, Sägen und schweren Robotern effizienter zu gestalten. Das steigert die Effektivität des VFD-basierten Betriebs, indem die Rotordrehzahl und das Drehmoment an die Anforderungen der Anwendung angepasst werden, und trägt dazu bei, die in Servoanwendungen so häufig vorkommenden Achsen mit hohen Drehzahlen schnell anzuhalten.

Abbildung 5: Panasonic's Servoantriebe kombinieren fortschrittliche Technologie mit einem breiten Leistungsbereich von 50 W bis 5 kW. Die Antriebe können Schwingungen bei Resonanzfrequenzen unterdrücken und Impuls-, Analog- und netzwerkbasierte Steuerung bei Geschwindigkeiten bis zu 100 Mbit/s ausführen. Die FPWIN Pro7-Software ermöglicht sowohl die vollständige Konfiguration als auch die Einrichtung der SPS-Konnektivität. Die Servoantriebe akzeptieren den Anschluss von optionalen Bremswiderständen. (Bildquelle: Panasonic Industrial Automation Sales)

Fazit:

Das Verständnis der Unterschiede zwischen Gleichstrom-Einspritzbremsung, dynamischem Bremsen und regenerativem Bremsen ist der Schlüssel zur Spezifizierung der geeigneten Technik für eine bestimmte Achse. Es ist auch hilfreich bei der Auswahl von Elektromotoren und Antrieben, die in der Lage sind, mit diesen Methoden eine Drehzahl- und Drehmomentsteuerung zu akzeptieren und zu liefern. Dynamisches Bremsen eignet sich in der Regel recht gut für mäßig anspruchsvolle Achsen, die eine gewisse Bremsung erfordern; im Gegensatz dazu ergänzt das regenerative Bremsen sehr dynamische Achsen und kritische Funktionen bei automatisierten (und sogar Servo-) Maschinen. Systeme zur Strominjektion werden am häufigsten in Verbindung mit diesen anderen Methoden eingesetzt.