בלימה רגנרטיבית על צירים מונעי-מנועים

במכונות אוטומציה תעשייתית, בלימה רגנרטיבית היא טכניקה המשתמשת במבנים ובאנרגיה של מנועים חשמליים (עם הדוחפים שלהם) לצד תתי-רכיבים ייעודיים כדי להאט, לעצור ולהפעיל-מחדש צירים. טכניקות בלימה רגנרטיביות מעניקות חלופות מבוקרות וחסכוניות ביותר באנרגיה (שלא לדבר על קומפקטיות) למצמדי ולבלמי חיכוך. בתמצית, המעגלים המעורבים בבלימה רגנרטיבית ממירים את האנרגיה המכנית הדינמית מהרוטור המסתובב של המנוע וכל עומס אחר המחובר אליו לאנרגיה חשמלית. אנרגיה זו מוזנת חזרה לתוך קו הכוח עבור שימוש אחר או פיזור.

השימוש הראשוני ביישומי כלי-רכב היה בתחילת המאה העשרים וביישומי רכבות בשנות השלושים של אותה מאה, כאשר הניצול של אנרגיית המנוע נקרא לראשונה רגנרציה עם רכבי הנוסעים ההיברידיים הראשונים - בהם אנרגיית הבלימה טוענת את הסוללות שעל הרכב. כיום יש שפע של יישומים תעשייתיים של בלימה רגנרטיבית (עם ואריאציות תכנים).

איור 1: דוחפים רבי-פונקציות VFD-EL המפעילים מנועי AC עם בקרת זרם מדויקת ביותר. אפיק DC משותף מפשט את ההתקנה אחד-לצד-השני ואת מרבית דגמי הדוחפים VFD-EL ניתן לחבר בקבוצות במקביל כדי לשתף את אנרגיית הבלימה הרגנרטיבית. בתורו הוא מונע מתח-יתר ומייצב את מתח אפיק ה- DC. (מקור התמונה: Delta IA)

1. בלימה דינמית (המכונה לעיתים בלימת נגדים רגנרטיבית) היא צורה אחת של שימוש באנרגיה רגנרטיבית - אם כי שונה ממה שנקרא בלימה רגנרטיבית אמיתית. כאן דוחף המערכת (הנקרא גם מהפך עבור הפונקציה המגדירה שלו) מפזר את אנרגיית הסיבוב של הרוטור באמצעות סילוק החום כדי לבלום את המנוע לחלוטין - ואינו משמש לשום דבר אחר. לדוגמה, ציר תנועה על מכונה אוטומטית עלול להיכבות פתאום בזמן שהמנוע החשמלי שלו עדיין פועל. בדרך כלל חיכוך המערכת נמוך מספיק כדי לאפשר לרוטור להמשיך להסתובב בכוח האינרציה, כשזה בהגדרה ללא בקרה. סיבוב זה ממשיך עד לדעיכת האנרגיה הקינטית, אך זה יכול לקחת זמן רב למדי - ומהווה סיכון של נזק למכונה או פגיעה בבני אדם תוך כדי כך. בלימה דינמית מטפלת בבעיה זו על ידי הבאת מנועים לעצירה מהר יותר באמצעות המרת האנרגיה הקינטית של הרוטור לאנרגיה חשמלית. זה מתבצע על ידי נגדים מיוצבי-מתח אשר בתורם מפזרים את האנרגיה כחום.

לדוחפי מנועים רבים - במיוחד מגברי סרוו דיגיטליים - יש נגדים מובנים עבור פיזור אנרגיה בסוג כזה של צלעות-קירור. עם זאת, אם הציר המונע על ידי המנוע רואה אנרגיה רגנרטיבית העולה על הדירוג המצרפי של נגדי הדוחף, יתכן שיהיה צורך במערכי נגדי רגנרציה חיצוניים. זה אופייני למדי על צירים המציגים יחסי עומס-לאינרציית-מנוע גדולים.

איור 2: דוחף סרוו MDDHT5540E זה כולל נגד רגנרציה מובנה המאפשר בלימה רגנרטיבית. נגד הרגנרציה פורק אנרגיה (הנובעת מעצירת עומס מאורגן ורטיקלית או עם אינרציה גבוהה) ומחזיר אנרגיה זו לדוחף. דגמי מסגרות A‏, B‏, G ו- H בסדרה זו אינם כוללים נגד רגנרציה, כך שנגדי רגנרציה אופציונליים מומלצים. דגמי מסגרות C עד F בסדרה זו כוללים נגד רגנרציה מובנה אחד, והוספת נגדי רגנרציה חיצוניים מגדילה את יכולת הרגנרציה. (מקור התמונה: Panasonic Industrial Automation Sales)

כאשר מערכת בלימה רגנרטיבית משתמשת בנגד בלימה חיצוני נוסף, האחרון בדרך כלל מתחבר בין הדקי דוחף המנוע; תוכנת כוונון המערכת יכולה אז לגלות ולבנות את הפרופיל של הנגד הנוסף ואת יכולות פיזור החום שלו. הפורמט הנפוץ של הנגד הוא עם בית אלומיניום הממולא בחומר עם מוליכות תרמית גבוהה עבור פיזור תרמי מהיר. פיזור חום מהיר חשוב במיוחד עבור יישומי בלימה רצופה.

איור 3: נגד בלימה בתוך בית אלומיניום BAB116025R0KE זה מתאים עבור יישומי בלימה-רגנרטיבית בהספק גבוה. הוא בנוי עם חוט המלופף על ליבות קרמיקה עם בידוד יריעות נציץ (Mica) עבור תכונות דיאלקטריות גבוהות. מתג ניתוק תרמי משובץ מאפשר שימוש בנגד ביישומי בטיחות. (מקור התמונה: Ohmite)

2. בלימה רגנרטיבית שונה מבלימה דינמית בכך שהיא מזינה אנרגיה חשמלית שנוצרה מכנית חזרה להספקת-הכוח הראשית או לאפיק ה- DC המשותף כדי לשמור על האנרגיה הרגנרטיבית עבור:

• שימוש-חוזר בבלימה
• הפעלה-מחדש של הציר הנבלם
• הספקת-כוח לצירים אחרים במערכת

נקראות לעיתים יחידות רגנרציית קו, מרבית מערכות הבלימה הרגנרטיבית באוטומציה תעשייתית משתמשות בטרנזיסטורים ביפולריים עם שער מבודד (IGBT) כדי לאפשר זרימת הספק דו-כיוונית בין המנוע לבין מקור ההספק, שהיא בלתי-אפשרית עם גשרים מהפכים מסורתיים המשתמשים בדיודות. שימו לב כי שימוש זה ב- IGBT מנוגד לכמה מיישומי רכבים חשמליים של ימינו המבוססים על דוחפים מסוג Traction Drives. קראו עוד על מוליכים-למחצה עם Bandgap רחב כגון סיליקון קרביד (SiC) עבור דוחפים כאלו במאמר זה בנושא ב- digikey.com. במקרים מסוימים, התקנים מבוססי SiC יכולים להמיר הספק DC להספק AC תלת-פאזי כדי לדחוף את המנוע (ואז אנרגיית בלימה רגנרטיבית מוזנת חזרה ל- DC עבור טעינת הסוללה) עם נצילות וצפיפות הספק גבוהות יותר מאשר רכיבי IGBT ו- MOSFET אחרים.

מאחר ובלימה רגנרטיבית הופכת את האנרגיה המכנית של רוטור המנוע לאנרגיה חשמלית, היא גורמת למעשה למנוע לעבוד כגנרטור ברביעונים שניים וארבעה של מישור מומנט-מהירות בקרת-תנועה כאשר המומנט והסיבוב המוכתבים הם בכיוונים מנוגדים. זה קורה כאשר:

• הפקודה לציר מתהפכת, והרוטור ממשיך להסתובב לזמן קצר בכיוון ההפוך
• מהירות הרוטור עולה על יציאת המהירות הסינכרונית המוכתבת של המנוע

קיימות אזהרות המתבקשות כאשר משלבים בלימה רגנרטיבית בתוך תכן אוטומטי: בלימה רגנרטיבית יכולה להאט אך לא לעצור ולהחזיק עומסים. ככל שהציר מתקרב לעצירה מוחלטת, נותרת מעט אנרגיה כדי לעורר את (המנוע הפועל כ-) גנרטור. לכן, ללא בלימה או אלקטרוניקה נוספת, יתר ההאטה עד לעצירה נעשית דרך הסיבוב מכוח האינרציה. בנוסף, ישנן גבולות לכמות האנרגיה שניתן להזין חזרה לקבלי אפיק ה- DC הסטנדרטיים לפני שהם מתניעים תקלת מתח-יתר. לפיכך דוחפים רגנרטיביים המוגדרים היטב מחזירים די הספק למקור הספקת-כוח ה- AC - או שהם משתמשים באפיקים משותפים מהונדסים במיוחד. מכיוון שהאחרונים ממירים כוח מ- AC ל- DC רק פעם אחת לפני שהדוחף משתמש שוב באנרגיה, הם נחשבים יעילים במיוחד.

חלק אחר של ה- VFD הניתן להתאמה מיוחדת עבור בלימה רגנרטיבית כולל את המיישר. וריאציות הנקראות מיישרי קצה-קדמי אקטיבי מקטינים למינימום את ההרמוניות בזרם המערכת. בדקו את הקצה-הקדמי האקטיבי סדרת AFE2000 מבית Delta Electronics המבטל לגמרי את נגדי הבלימה המסורתיים הודות להמרת האנרגיה העודפת להספק בר-שימוש המוחזר להספקת-הכוח הראשית. רכיבי הקצה-הקדמי AFE2000 מתוכננים עבור מגוון רחב של יישומים כדי למקסם את נצילות האנרגיה. דוחפים אלו ואחרים המסוגלים לתפקודים רגנרטיביים פותרים גם ספקטרום רחב של עיוותים הרמוניים בזרם המערכת (במיוחד בהספק נמוך) כדי להגן בתורם על האלקטרוניקה הקרובה (כגון זו עבור משוב הבקרה) מפני EMI.

3. הזרקת זרם DC עבור בלימת מנועים חשמליים (בהקשרים מסוימים נקראת פשוט בלימת DC) כוללת אלקטרוניקת דחיפה המזינה זרם DC לתוך אחד או שניים מליפופי מנוע ה- AC. לא משנה מה הוואריאציה המדויקת, מרבית מערכות הזרקת-DC מותנעות לפעולה כאשר ממסר או פקד אחר מכבה את השדה המגנטי המסתובב. ואז ממסר נוסף או פקד בלימה אלקטרונית (בתוך הדוחף עבור VFD) מפעיל את הספקת-הכוח DC מאפיק ה- DC של המערכת לסלילי המנוע. זרם גבוה יותר גורם לכוח בלימה רב יותר ... אם כי רכיבים אלו מבקרים את המתח המיושם ושומרים על הזרם בתוך הליפופים כך שיהיה מתחת לדירוג המקסימלי של המנוע.

התוצאה של הזרקת ה- DC היא שדה אלקטרומגנטי לא-מסתובב מהסטטור העוצר ומחזיק את הרוטור (וכל העומסים המחוברים אליו) במקומו.

איור 4: כאן מוצג ממסר בטיחות עוצר-תנועה SR125SMS45 מבית Omron העוקב אחר מנועים מחוברים (באמצעות חישת ה- EMF האחורי על פני הדקי המנוע) וברגע שהם מגיעים לעצירה מוחלטת הוא פותח תאי עבודה מגודרים. הממסר עובד עם בלמי הזרקת DC ופקדי מנוע אלקטרוניים אחרים. (מקור התמונה: Omron Automation and Safety)

הגורם המגביל העיקרי של בלימה בהזרקת-DC הוא כמה חום בלימה-מושרית זו יכולים המנוע והאלקטרוניקה שלו לפזר מבלי לגרום לנזק תרמי. זה מגביל את גודל ומשך הזמן בו ניתן להפעיל זרם בלימה. אין פלא כי בלימה בהזרקת-DC משמשת רק לעתים רחוקות להחזקת עומסים או כמערכת בלימה אל-כשל. כדי למנוע התחממות-יתר בכמה מערכות הזרקת-DC, חיישני מהירות-אפס יכולים לנתק את הספקת-הכוח ברגע שמתברר שהרוטור עצר מלהסתובב.

בחירה (ושילוב) בין בלימה רגנרטיבית, בלימה בהזרקת-DC ובלימה דינמית

מרבית המתכננים יכולים למנף את היעילות של הספק רגנרטיבי במהלך פעולה אחת או יותר. עם זאת, בלימה רגנרטיבית במכונות אוטומטיות היא שימושית ביותר בצירים מונעי-מנוע ספציפיים.

בלימה דינמית (המבוססת על נגדי בלימה יעילים) מתאימה ביותר עבור צירים אוטומטיים עם עומס נמוך הזקוקים לבלימה או היפוך מדי פעם.

בלימה רגנרטיבית מתאימה עבור צירים אוטומטיים הזקוקים ל-:

• התחלות ועצירות תכופות
• הפעלת עומסים נישאים הגורמים לסל"ד של הרוטור לעלות מעל מהירות המנוע - כמו במעליות ובמסועים משופעים
• יישומי עומס רצוף (כולל אלו הדורשים פעולה תכופה למדי היכולה להיחשב כעומס קבוע)
• מערכות שעבורן חיסכון באנרגיה יכול להצדיק את העלות הנוספת של דוחף רגנרטיבי

כפי שהוסבר לעיל, ניתן ליישם בלימה בהזרקת-DC לבדה. עם זאת, שכיח יותר הוא השילוב של בלימה בהזרקת-DC עם בלימה רגנרטיבית או בלימה דינמית. זאת מאחר ובלימה בהזרקת-DC לוקחת על עצמה את פונקציית הבלימה כאשר הבלימה הרגנרטיבית דועכת, וזאת כאשר הציר מתקרב לעצירה ודורש החזקה. סידורי בלימה של מערכת כפולה כגון אלו ממנפים את חוזקות הטכנולוגיות השונות עבור בלימה אלקטרונית עם ביצועים עיליים באמת המהווה סיכון מועט להתחממות-יתר.

דוגמאות ליישומי בלימה רגנרטיבית

בלימה רגנרטיבית היא גישה שימושית להאטה ולבקרה של מערך של עומסים נעים תוך כדי החזרת האנרגיה הקינטית שלהם עבור שימוש אחר במערכת. ההתמקדות המוגברת בנצילות האנרגיה הניעה את מהנדסי התכנון להשתמש בבלימה רגנרטיבית כאשר היישומים מהווים את ההזדמנויות הטובות ביותר להשבת אנרגיה פוטנציאלית. אלה כוללים תכנים המעורבים ב-:

• צירים אנכיים למעליות ולמנופים: לדוגמה, הורדת עומסים מורמים ללא משקל-נגד כרוכה בכוח המשיכה ובמומנט של המנוע עבור ירידה בטוחה ומבוקרת. זה המפתח במצבים כאלו שמערכת הבלימה תעבוד היטב גם אם הספקת-הכוח הראשית מתנתקת. אחרת, לאנרגיה הקינטית לא יהיה מוצא - והציר ייכנס למצב של נפילה חופשית או יציאה משליטה. במקרים אחרים ניתן להשתמש בגנרטור גיבוי או חירום (עם דרישות תכנון משלו). עם המעבר להספקת-כוח מהגנרטור, מרבית המערכות משביתות זמנית את פונקציות השבת-האנרגיה של הדוחפים שלהן.
• צנטריפוגות מסתובבות, עמדות בדיקה ומאווררים: רבים מתכנים אלו הם צירים עם יחס-מחזור קבוע המחייבים נגדי בלימה חיצוניים נוספים שהוזכרו לעיל.
• מתיחת יריעות ועיבוד יריעות: כאן, מנועי אינדוקציה AC (בשילוב עם VFD עם יכולת בלימה רגנרטיבית) הם נפוצים. הסיבה לכך היא שתכני הנעה כאלו הם מיומנים בצירים עם מהירות גבוהה ועם אינרציה גבוהה של מכונות דפוס כמו גם עיבוד עם גלילי נייר ופלסטיק.
• צירים עם תאוצה והיפוך-כיוון מהירים: בלימה רגנרטיבית מסייעת להפיכת תנועות אלו ליעילות יותר על מסועים, מסורים ורובוטים כבדים מתקדמים. זה מגביר את האפקטיביות של פעולה מבוססת-VFD המתאימה את מהירות ומומנט הרוטור לדרישת היישום ועוזרת לעצור במהירות צירים עם סל"ד גבוה שהם כה נפוצים ביישומי סרוו.

איור 5: דוחפי הסרוו מבית Panasonic משלבים טכנולוגיה מתקדמת עם תחום הספקים רחב של W‏ 50‏ עד kW‏ 5. הדוחפים יכולים לשכך רעידות בתדרי תהודה ולבצע בקרה אנלוגית, בפולסים ומבוססת-רשת במהירויות של עד Mbit/s‏ 100‏. תוכנת FPWIN Pro7 מאפשרת הגדרת תצורה מלאה וכן הגדרת חיבוריות PLC. דוחפי הסרוו מקבלים חיבור של נגדי בלימה אופציונליים. (מקור התמונה: Panasonic Industrial Automation Sales)

סיכום

הבנת ההבדלים בין בלימה בהזרקת-DC, בלימה דינמית ובלימה רגנרטיבית היא המפתח להגדרת הטכניקה המתאימה עבור ציר נתון. זה גם מועיל בבחירת מנועים ודוחפים חשמליים המסוגלים לקבל ולספק בקרת מהירות ומומנט באמצעות שיטות אלו. בלימה דינמית בדרך כלל מתאימה במידת מה עבור צירים תובעניים למדי המחייבים בלימה מסוימת; לעומת זאת, בלימה רגנרטיבית משלימה צירים דינמיים ביותר ופונקציות קריטיות במכונות אוטומטיות (ואפילו בסרוו). מערכות עבור הזרקת זרם משמשות לרוב בשילוב עם שיטות אחרות אלו.