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在工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械中，再生制動(dòng)是一種利用電機(jī)（及其驅(qū)動(dòng)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(dòng)電機(jī)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（且不說結(jié)構(gòu)緊湊）的替代品。簡而言之，與再生制動(dòng)有關(guān)的電路會將電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和任何附加負(fù)載的動(dòng)態(tài)機(jī)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(jī)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(dòng)客車（該車使用制動(dòng)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(dòng)行業(yè)應(yīng)用（和設(shè)計(jì)變型）隨處可見。 
圖 1：VFD-EL 多功能驅(qū)動(dòng)器通過高精度電流控制運(yùn)行交流電機(jī)。共用的直流母線簡化了并排安裝，并且大多數(shù) VFD-EL 驅(qū)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)而可防止過壓并穩(wěn)定直流母線電壓。（圖片來源：Delta IA） 1.動(dòng)態(tài)制動(dòng)（有時(shí)稱為再生電阻器制動(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(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器（因其定義功能也稱為逆變器）通過廢熱形式來耗散電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)能，從而使電機(jī)完全制動(dòng)，僅此而已。例如，自動(dòng)化機(jī)械上的運(yùn)動(dòng)軸可能會在其電機(jī)運(yùn)行時(shí)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(dòng)能耗盡，這可能需要相當(dāng)長的時(shí)間，同時(shí)還會帶來機(jī)器損壞或人員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)態(tài)制動(dòng)通過將轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，讓電機(jī)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(jī)驅(qū)動(dòng)軸的再生能量超過了驅(qū)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(fù)載電機(jī)慣量比較大的軸上相當(dāng)?shù)湫汀?br />
圖 2：這款 MDDHT5540E 伺服驅(qū)動(dòng)器包括一個(gè)內(nèi)置的用于再生制動(dòng)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(fù)載），并將能量返回驅(qū)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(qū)動(dòng)器包含一個(gè)內(nèi)置再生電阻器，增加一個(gè)外部再生電阻器可增強(qiáng)再生能力。（圖片來源：Panasonic Industrial Automation Sales） 當(dāng)再生制動(dòng)系統(tǒng)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(jī)驅(qū)動(dòng)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(dǎo)熱率材料，以便快速散熱。快速散熱對于連續(xù)制動(dòng)應(yīng)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(yīng)用。其采用繞線陶瓷芯和云母片絕緣，以實(shí)現(xiàn)高介電特性。嵌入式熱切斷開關(guān)讓用戶能在安全應(yīng)用中使用該電阻器。（圖片來源：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(jī)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(dòng) · 被制動(dòng)軸的再驅(qū)動(dòng) · 為系統(tǒng)上的其他軸供電 工業(yè)自動(dòng)化中的再生制動(dòng)系統(tǒng)有時(shí)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(jī)與電源之間的雙向動(dòng)力流動(dòng)——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(dāng)今一些基于牽引驅(qū)動(dòng)器的電動(dòng)車輛應(yīng)用形成了對比。如需了解關(guān)于此類驅(qū)動(dòng)器所用寬帶隙半導(dǎo)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(dòng)電機(jī)（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(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，因此，當(dāng)指令扭矩和旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，它能有效地使電機(jī)作為發(fā)電機(jī)在運(yùn)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(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子短暫地繼續(xù)朝相反方向轉(zhuǎn)動(dòng) · 轉(zhuǎn)子速度超過電機(jī)的指令同步速度輸出 將再生制動(dòng)集成到自動(dòng)化設(shè)計(jì)中時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：再生制動(dòng)可以讓負(fù)載減速，但不能停止和保持負(fù)載。當(dāng)軸接近完全停止時(shí)，幾乎沒有剩余的能量來激勵(lì)充當(dāng)發(fā)電機(jī)的電機(jī)。因此，在沒有額外的制動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)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(dòng)器會將足夠能量返回到交流電源，或利用專門設(shè)計(jì)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(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(dòng)電阻器。AFE200 前端針對廣泛的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可以最大限度地提高能效。這種驅(qū)動(dòng)器和其他具有再生功能的驅(qū)動(dòng)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(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(xiàn)電機(jī)制動(dòng)（在某些情況下，簡稱為直流制動(dòng)），該技術(shù)包括將直流電流加到一兩個(gè)交流電機(jī)繞組上的驅(qū)動(dòng)電子裝置上。無論確切發(fā)生怎樣的變化，當(dāng)繼電器或其他控制開關(guān)關(guān)閉電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場時(shí)，大多數(shù)直流注入系統(tǒng)都會被觸發(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(qū)動(dòng)器內(nèi)）會觸發(fā)系統(tǒng)直流母線向電機(jī)繞組提供直流電。更大的電流會產(chǎn)生更大的制動(dòng)力……雖然這些組件會控制施加的電壓，并讓進(jìn)入繞組的電流保持低于電機(jī)的最大額定值。 直流注入導(dǎo)致定子產(chǎn)生非旋轉(zhuǎn)電磁場，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子（和任何連接的負(fù)載）停轉(zhuǎn)并保持原位。
圖 4：圖中所示為 Omron SR125SMS45 停止運(yùn)動(dòng)安全繼電器，它跟蹤所連接電機(jī)何時(shí)完全停止（通過檢測電機(jī)端子上的反電動(dòng)勢），然后打開門控工作單元。該繼電器與直流注入制動(dòng)器和其他電子電機(jī)控制裝置協(xié)同工作。（圖片來源：Omron Automation and Safety） 直流注入制動(dòng)的主要限制因素是電機(jī)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。這會限制可施加的制動(dòng)電流的大小和時(shí)長。因此，直流注入制動(dòng)很少用于保持負(fù)載或用作故障安全制動(dòng)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(rèn)轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)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(shù)設(shè)計(jì)人員能夠在一項(xiàng)或多項(xiàng)常規(guī)操作中利用再生電能的效率。然而，在自動(dòng)化機(jī)械中對特定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸使用再生制動(dòng)最有用。 動(dòng)態(tài)制動(dòng)（基于高性價(jià)比制動(dòng)電阻器）最適合需要偶爾制動(dòng)或反轉(zhuǎn)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(qū)動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過電機(jī)轉(zhuǎn)速的被動(dòng)拖曳型負(fù)載，如電梯和傾斜輸送機(jī)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(bǔ)再生驅(qū)動(dòng)器額外前期成本的系統(tǒng) 如上所述，直流注入制動(dòng)可以單獨(dú)應(yīng)用。但是，直流注入制動(dòng)與再生或動(dòng)態(tài)制動(dòng)結(jié)合使用的情況通常更為常見。這是因?yàn)楫?dāng)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。類似這樣的雙系統(tǒng)制動(dòng)方案利用了多種技術(shù)的優(yōu)勢，實(shí)現(xiàn)了真正的高性能電子制動(dòng)，且?guī)缀鯖]有過熱的風(fēng)險(xiǎn)。 再生制動(dòng)應(yīng)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(yùn)動(dòng)負(fù)載，同時(shí)回收其動(dòng)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(jì)工程師在勢能回收機(jī)會最佳的應(yīng)用中采用再生制動(dòng)。其中包括涉及以下方面的設(shè)計(jì)： · 升降機(jī)、起重機(jī)和電梯的垂直軸：例如，若在沒有配重的情況下降低吊裝負(fù)載，需要借助重力和電機(jī)扭矩來實(shí)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(dòng)系統(tǒng)也要能正常工作，這很關(guān)鍵。否則，動(dòng)能將無處釋放，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(yīng)急發(fā)電機(jī)（具有其自身的設(shè)計(jì)要求）。當(dāng)切換到發(fā)電機(jī)供電時(shí)，大多數(shù)系統(tǒng)會暫時(shí)禁用驅(qū)動(dòng)器的能量回收功能。 · 旋轉(zhuǎn)離心機(jī)、試驗(yàn)臺和風(fēng)扇：在許多此類設(shè)計(jì)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(yīng)電機(jī)（與能夠再生制動(dòng)的 VFD 搭配）很常見。這是因?yàn)檫@種運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)可以巧妙地處理印刷機(jī)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(jī)、鋸機(jī)和重型機(jī)器人上，再生制動(dòng)有助于提高這些運(yùn)動(dòng)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。
圖 5：Panasonic 伺服驅(qū)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(qū)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(dá) 100 Mb/秒的速度執(zhí)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(shè)置 PLC 連接。伺服驅(qū)動(dòng)器接受掛接可選的制動(dòng)電阻器。（圖片來源：Panasonic Industrial Automation Sales） 結(jié)語 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(dāng)?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(jī)和驅(qū)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(jī)械上的關(guān)鍵功能進(jìn)行補(bǔ)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。 來源：Digi-Key 作者：Lisa Eitel |
