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在工業自動化機械中，再生制動是一種利用電機（及其驅動器）的現有結構和能量以及專用子組件來減慢、停止和重新驅動電機軸的技術。再生制動技術為摩擦離合器和制動器提供了高度可控和效率較高（且不說結構緊湊）的替代品。簡而言之，與再生制動有關的電路會將電機旋轉轉子和任何附加負載的動態機械能轉化為電能。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 年代初期應用于汽車，之后在 1930 年代應用于鐵路，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，再生制動行業應用（和設計變型）隨處可見。 
圖 1：VFD-EL 多功能驅動器通過高精度電流控制運行交流電機。共用的直流母線簡化了并排安裝，并且大多數 VFD-EL 驅動器型號可以并聯在一起，以共享再生制動能量。這進而可防止過壓并穩定直流母線電壓。（圖片來源：Delta IA） 1.動態制動（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，系統的驅動器（因其定義功能也稱為逆變器）通過廢熱形式來耗散電機轉子的轉動能，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。慣性滑行會一直持續至動能耗盡，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。動態制動通過將轉子動能轉換為電能，讓電機更快地停止，從而解決了這一問題。這一轉換過程由調壓式電阻器執行，通過該電阻器將能量以熱量的形式散發出去。 許多電機驅動器，尤其是數字伺服放大器，都具有內置電阻器，用于此類散熱式能量耗散。但是，如果電機驅動軸的再生能量超過了驅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典型。
圖 2：這款 MDDHT5540E 伺服驅動器包括一個內置的用于再生制動的再生電阻器。再生電阻器會放電（來自停止垂直排列或高慣量負載），并將能量返回驅動器。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 驅動器包含一個內置再生電阻器，增加一個外部再生電阻器可增強再生能力。（圖片來源：Panasonic Industrial Automation Sales） 當再生制動系統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動的端子之間；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。快速散熱對于連續制動應用尤為重要。
圖 3：該 BA 系列 BAB116025R0KE 鋁殼制動電阻器適用于大功率再生制動應用。其采用繞線陶瓷芯和云母片絕緣，以實現高介電特性。嵌入式熱切斷開關讓用戶能在安全應用中使用該電阻器。（圖片來源：Ohmite） 2.再生制動與動態制動的不同之處在于，前者將機械產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 · 被制動軸的再驅動 · 為系統上的其他軸供電 工業自動化中的再生制動系統有時被稱為線路再生單元，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力流動——這是使用二極管的傳統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動器的電動車輛應用形成了對比。如需了解關于此類驅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，它能有效地使電機作為發電機在運動-控制速度-扭矩平面的第二象限和第四象限工作。這發生在以下時刻： · 軸指令反轉，轉子短暫地繼續朝相反方向轉動 · 轉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，規格合適的再生驅動器會將足夠能量返回到交流電源，或利用專門設計的通用母線。由于后者只將交流電轉換為直流電一次，之后能量就會被驅動器再利用，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。這種驅動器和其他具有再生功能的驅動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），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電機制動（在某些情況下，簡稱為直流制動），該技術包括將直流電流加到一兩個交流電機繞組上的驅動電子裝置上。無論確切發生怎樣的變化，當繼電器或其他控制開關關閉電機旋轉磁場時，大多數直流注入系統都會被觸發進入動作狀態。然后，另一個繼電器或電子制動控制裝置（在 VFD 的驅動器內）會觸發系統直流母線向電機繞組提供直流電。更大的電流會產生更大的制動力……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生非旋轉電磁場，進而使轉子（和任何連接的負載）停轉并保持原位。
圖 4：圖中所示為 Omron SR125SMS45 停止運動安全繼電器，它跟蹤所連接電機何時完全停止（通過檢測電機端子上的反電動勢），然后打開門控工作單元。該繼電器與直流注入制動器和其他電子電機控制裝置協同工作。（圖片來源：Omron Automation and Safety） 直流注入制動的主要限制因素是電機及其相關電子元件能在不受熱損傷的情況下消散多少制動產生的熱量。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就不足為奇了。為了防止某些直流注入系統發生過熱，零速傳感器可以在確認轉子停止轉動后立即切斷電源。 在再生制動、直流注入制動和動態制動之間進行選擇（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，在自動化機械中對特定的電機驅動軸使用再生制動最有用。 動態制動（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 · 驅動導致轉子轉速超過電機轉速的被動拖曳型負載，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得上持續工作的應用） · 節省的能源可以彌補再生驅動器額外前期成本的系統 如上所述，直流注入制動可以單獨應用。但是，直流注入制動與再生或動態制動結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揮制動功能。類似這樣的雙系統制動方案利用了多種技術的優勢，實現了真正的高性能電子制動，且幾乎沒有過熱的風險。 再生制動應用實例 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最佳的應用中采用再生制動。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，制動系統也要能正常工作，這很關鍵。否則，動能將無處釋放，而軸將進入自由落體或失控狀態。在其他情況下，可以使用備用或應急發電機（具有其自身的設計要求）。當切換到發電機供電時，大多數系統會暫時禁用驅動器的能量回收功能。 · 旋轉離心機、試驗臺和風扇：在許多此類設計中，軸的占空比是恒定的，需要外接前文提到的附加制動電阻器。 · 卷材拉緊和卷材處理：在此領域，交流感應電機（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的高轉速軸。
圖 5：Panasonic 伺服驅動器采用了先進的技術且具有 50 W 至 5 kW 的寬功率范圍。該驅動器可以抑制以共振頻率進行的振動，并能夠以高達 100 Mb/秒的速度執行脈沖、模擬和基于網絡的控制。FPWIN Pro7 軟件可進行全面配置和設置 PLC 連接。伺服驅動器接受掛接可選的制動電阻器。（圖片來源：Panasonic Industrial Automation Sales） 結語 了解直流注入制動、動態制動和再生制動之間的差異是關鍵，這有助于為既定軸指定適當的技術，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動器。通常，動態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的軸和自動化（甚至伺服）機械上的關鍵功能進行補充。電流注入系統則最常與這些其他方法結合起來使用。 來源：Digi-Key 作者：Lisa Eitel |
