Regeneratieve energie – theorie en praktijk
Dit artikel is totstand gekomen in samenwerking met onze partner Elmo Motion Control.
Inleiding
Multi-as machines zoals verpakkingsmachines, etiketteermachines en apparatuur met assemblagerobots voeren vaak herhaaldelijk dezelfde reeks bewegingen uit, soms gedurende langere tijd. In sommige gevallen zorgt het bewegingsprofiel ervoor dat de assen regeneratieve energie opwekken. Deze regeneratieve energie kan de busspanning aanzienlijk verhogen tot potentieel schadelijke niveaus. Om apparatuur te beschermen, bevatten systemen doorgaans shuntweerstanden die ontworpen zijn om overtollige energie te dissiperen. Wanneer deze correct zijn gedimensioneerd, kunnen ze effectief zijn. Echter, als ze verkeerd zijn gedimensioneerd of toegepast, kunnen ze in het beste geval frequente storingen veroorzaken, of in het slechtste geval voortijdig falen. In beide gevallen leidt dit tot meer stilstand en verminderde productiviteit.
Door condensatorbanken toe te voegen aan de voedingsbus kan overtollige energie worden geabsorbeerd. Deze techniek vermindert de belasting van de shuntweerstand en het systeem als geheel, waardoor snellere werking en hogere productiviteit mogelijk worden, terwijl overtollige energie wordt opgeslagen voor later hergebruik. In deze blogpost onderzoeken we de relatie tussen shuntweerstanden, buscapaciteit en regeneratieve energie, met de nadruk op technieken voor correcte dimensionering om de systeemprestaties te optimaliseren, de productiviteit te verhogen en de operationele kosten te minimaliseren.
Wat is regeneratieve energie?
Het doel van een motor is om elektrische energie om te zetten in mechanische energie. Wanneer een motor draait, genereren de spoelen die door het magnetisch veld bewegen een tegen-EMK (elektromotorische kracht) in de wikkelingen die het motorkoppel tegenwerkt. In de meeste gevallen is de grootte van de tegen-EMK veel kleiner dan de aangelegde spanning. Daardoor genereert de as een netto positief koppel om de last aan te drijven, terwijl de tegen-EMK als warmte in de wikkelingen wordt gedissipeerd.
In bepaalde omstandigheden, zoals wanneer een zware last snel vertraagt, werkt de traagheid van de last de motorsnelheid tegen. Door de verandering in rotatie neemt de tegen-EMK toe totdat deze de aangelegde spanning overschrijdt. De spanningsrichting verandert, waardoor de as de busspanning verhoogt. Op dat moment zet de motor geen elektrische energie meer om in mechanische energie, maar doet het tegenovergestelde – hij fungeert als generator.
De motorwikkelingen dissiperen een deel van de geregenereerde energie door interne weerstand. De rest van de geregenereerde energie wordt via de aandrijving naar de voeding geleid.
Hoewel de meeste servo-assen energie regenereren tijdens vertraging, gebeurt dit zelden op een niveau dat de normale werking verstoort. Wanneer assen met hoge traagheid en lage wrijving snel vertragen vanaf hoge snelheden, wordt regeneratieve energie problematisch. Er zijn veel voorbeelden, waaronder grote portaalassen, zware roterende carrousels, draaiende antennes, elevatie-assen tegen de zwaartekracht in, en andere systemen met hoge dynamiek en hoge traagheid. Het probleem kan verergeren in multias-machines wanneer meerdere assen gelijktijdig vertragen, waardoor een som van geregenereerd vermogen terugvloeit naar de voeding.
Het is mogelijk om de voeding en aandrijvingen zo te ontwerpen dat ze de bus-elektronica niet beschadigen bij een spanningsstijging. Regeneratieve energie kan worden opgeslagen voor later gebruik met een condensatorbank. Deze aanpak voorkomt nog steeds overspanningsfouten en schade aan apparatuur, wat de beschikbaarheid en productiviteit verhoogt. Regeneratieve energie kan ook worden opgeslagen voor toekomstig gebruik, wat het energieverbruik en de eigendomskosten verlaagt.
Bus capaciteit in theorie
Buscapaciteit is de totale capaciteit van de hoofd-DC-bus. De belangrijkste bijdragen komen van de ingebouwde condensatoren in de voeding en de VP+-capaciteit in de aandrijvingen (zie figuur 1). Voedingen bevatten reservecondensatoren die harmonischen van AC-brugrectificatoren afvlakken. Ingebouwde condensatoren in de aandrijvingen leveren direct een weerstandsvrije stroomtoevoer aan de PWM-schakelbrug.
Figuur 1 (onder): De belangrijkste bijdragen aan de buscapaciteit zijn de ingebouwde condensatoren van de voeding en de capaciteit in de aandrijvingen.
Figuur 2 (onder): Regeneratieve energie dissipatie
De shuntweerstand dissipeert de regeneratieve energie als warmte. Dit beschermt de voeding, maar de warmte moet alsnog worden afgevoerd. Anders raakt de shuntweerstand oververhit en veroorzaakt een storing (zie figuur 3). Meestal wordt dan de overspanningsbeveiliging geactiveerd, waardoor de aandrijving de motor uitschakelt en stopt met het genereren van vermogen. In extreme gevallen kan hoge spanning systeemcomponenten beschadigen.
Figuur 3 (onder): De shuntweerstand begrenst de spanning effectief op een bepaald niveau. Wanneer de warmte boven een bepaalde drempel uitstijgt, zal de shuntweerstand een storing veroorzaken
De oplossing is het vergroten van de buscapaciteit, zodat de bus meer energie kan absorberen voordat de shuntweerstand zijn afschakelspanning bereikt. Dit vermindert de belasting op de shuntweerstand en verlaagt het gegenereerde warmteniveau.
Bus capaciteit in de praktijk
Stel je een zakjesmachine voor met maximaal 20 sealstations. De stations werken gelijktijdig en continu met hetzelfde profiel. Tijdens de “loslaat”-fase regenereren de assen energie.
Vanwege de enorme regeneratieve energie gebruikt de machine twee Elmo TAM100/480VAC voedingen, uitgerust met een shuntweerstand die is gedimensioneerd om piekvermogens van 23 kW te dissiperen. Dit zou een effectieve oplossing zijn als de machine deze piekvermogens slechts af en toe zou genereren. Helaas, door de gelijktijdige werking van de sealstations, werden de shuntweerstanden meerdere keren per seconde geactiveerd. Hierdoor stopten ze na enkele minuten met werken, wat leidde tot een onmiddellijke overspanningsconditie waardoor de machine uitviel.
Het bemonsteren van de bus spanning tijdens werking toont de hoge duty-cycle van de shuntweerstand aan (zie figuur 4). De DC-bus spanning stijgt bij elke cyclus tot 750 VDC gedurende ongeveer 70 ms. Zodra de bus spanning 750 VDC bereikt, wat de afschakelspanning van de shunt is, leidt de voeding de spanning naar de shuntweerstand.
Figuur 4 (onder): De machine verhoogt elke 70 milliseconden de DC-busspanning tot 750 VDC, waardoor de shuntweerstand wordt geactiveerd; de opbouw door de hoge duty-cycle veroorzaakte herhaaldelijke storingen in de assen, waardoor de productie stilviel
De oplossing voor dit probleem is het dimensioneren van een condensator die regeneratieve energie kan opvangen en opslaan. Als we beginnen met het berekenen van de geregenereerde energie door het gemiddelde van de piekspanning te bekijken, kunnen we een activatiegraad van 50% schatten. Dit betekent dat de shuntweerstand slechts de helft van zijn maximale vermogen dissipeert (23 kW voor dit model).
(Opmerking: een alternatieve benadering om de activatiegraad te bepalen is het meten van de spanning en de omgekeerde stroom met een externe scope en vervolgens schatten hoeveel energie wordt gedissipeerd.)
Bij elke cyclus wordt de regeneratieve energie Eregen die via de shuntweerstand wordt gedissipeerd berekend als:
Eregen = P * t
Waarbij P het vermogen is en t de tijd. In ons geval is de gedissipeerde energie 50% van 23 kW gedurende 0,06 s, wat neerkomt op ongeveer 690 J.
Hoewel de shuntweerstand bescherming biedt bij incidentele piekvermogens, is hij niet geschikt voor voortdurende regeneratie. Door een condensatorbank aan de bus toe te voegen om de geregenereerde energie te absorberen, wordt het energieverbruik van de machine als geheel verminderd, terwijl de levensduur van de shuntweerstand toeneemt en de stilstandtijd afneemt.
Om de extra benodigde buscapaciteit C te berekenen, gebruiken we de formule voor condensatorenergie, Ecap:
Waarbij Vmax de maximaal toegestane spanning is (750 VDC in ons geval) en Vmin de nominale busspanning vóór de regeneratieve energie (560 VDC in ons geval).
Volgens bovenstaande berekening zou de vereiste capaciteit moeten zijn:
Als we 5000 µF extra capaciteit aan het systeem toevoegen, wordt de extra spanning geabsorbeerd en opgeslagen. De busspanning bereikt nooit 750 VDC; de shuntweerstand wordt nooit geactiveerd.
Figuur 5 (onder): Regeneratieve energie drijft de bus spanning van de zakjessealmachine herhaaldelijk boven de drempelwaarde (blauwe lijn), waardoor de shuntweerstand oververhit raakt en onnodige storingen en foutmeldingen optreden; met de toevoeging van de 5000 µF condensatorbank bereikt de bus spanning (groene lijn) de drempelwaarde nooit meer.
Een shuntweerstand voorkomt dat de machine bij hoge snelheden uitvalt, zodat de gebruiker deze met veel hogere snelheden kan laten draaien (figuur 6)
Figuur 6 (onder): Door gebruik te maken van de condensatorbank werden storende foutmeldingen door de oververhitte shuntweerstand geëlimineerd. Hierdoor kon een aanzienlijk hogere snelheid worden bereikt.
Dimensioneren van regeneratieve aandrijvingen
De markt voor lineaire motoren groeit voortdurend en brengt directe, nauwkeurige en hoogwaardige bewegingssystemen naar steeds meer toepassingen. Hoewel lineaire motoren in veel gevallen effectieve oplossingen kunnen zijn, kunnen ze ook uitdagingen met zich meebrengen. Lineaire motoren zijn doorgaans uitgerust met wrijvingsarme rails. Minimale wrijving is goed voor nauwkeurige positionering, maar het grootste deel van de kinetische energie stroomt terug naar de voeding, waardoor de belasting op de shuntweerstand hoog is. Hier kan een regeneratieve aandrijving helpen, maar alleen als deze correct is gedimensioneerd.
Stel je een lineaire as voor met een belasting van 40 kg die versnelt en vertraagt in een driehoekprofiel. Tijdens de werking van de machine herhaalt deze de sequentie gedurende 500 ms en rust vervolgens 500 ms. De belangrijkste bedrijfsparameters zijn:
- Afstand (travel): 1 m
- Versnelling: 6 m/s²
- Vertraging: 6 m/s²
- Massa: 40 kg
- Cyclusperiode: 1,23 s
- Vertragingsduur: 0,365 s
- Busspanning: 220 VAC
- Kt: 57,2 N/A
- Weerstand: 3,4 Ω
We beginnen met het berekenen van de geregenereerde energie. Uitgaande van nul wrijvingskracht wordt Edeceleration gegeven door:
We kunnen het verminderde motorvermogen Pmot als gevolg van koperverlies berekenen met:
En het bijbehorende energieverlies Emot is:
We kunnen de regeneratieve energie Eregeneration uitdrukken als:
Deze as zal 74 J regenereren bij elke cyclus, dus elke 1,23 s.
De busspanning is 311 VDC na gelijkrichting. Elmo heeft twee regeneratieve aandrijvingen die mogelijk geschikt zijn:
G-OBO10/230FE
- Laadspanningsniveau: 380 VDC
- Totale energieopslag: ~57,7 J
- Condensatorgrootte: 800 µF
G-OBO10/480FE
- Laadspanningsniveau: 750 VDC
- Totale energieopslag: ~56,2 J
- Condensatorgrootte: 200 µF
Toelichting:
Beide aandrijvingen zijn fysiek even groot en hebben vergelijkbare energieopslagcapaciteit. Op het eerste gezicht lijkt de G-OBO10/230FE een goede keuze. Het laadspanningsniveau is hoog genoeg om het systeemniveau comfortabel te overschrijden. Hij heeft ook voldoende energieopslagcapaciteit. Uiteindelijk bleek dit echter niet de beste keuze. De G-OBO10/480FE werd uiteindelijk gekozen vanwege zijn betere energieabsorptie bij gebruik op 220 VAC.
Hoewel de condensator van de G-OBO10/480FE 46,6 J absorbeert, is dit nog steeds onvoldoende om alle regeneratieve energie op te slaan, aangezien de as 74 J per cyclus regenereert. We moeten nog steeds ongeveer 28 J per cyclus dissiperen.
Om te bepalen welke grootte shuntweerstand nodig is, moeten we het vermogen berekenen dat door het systeem wordt gegenereerd. Het gemiddelde vermogen kan dienovereenkomstig worden berekend:
Dit continue vermogen kan worden gedissipeerd via de ingebouwde shuntweerstand van de aandrijving, die een maximaal toegestaan continu vermogen heeft.
Conclusies
Bij het werken met grote condensatoren moeten gebruikers belangrijke voorzorgsmaatregelen nemen. Een grote condensator verhoogt de inschakelstroom bij het opstarten, dus het kiezen van de juiste installatieautomaat voor de machine moet zeer serieus en zorgvuldig gebeuren. Eltrex Motion's technologie partner Elmo Motion Control raadt installatieautomaat type C aan. Gevaarlijke spanning kan zelfs na uitschakeling nog op de bus aanwezig zijn vanwege de lading op de condensator. Gebruikers moeten de stroomvoerende lijnen beveiligen en zorgen voor een correcte ontlading van de condensator bij het uitschakelen.
Hoewel het vergroten van de buscapaciteit zeer effectief kan zijn wanneer dit correct wordt gedimensioneerd en toegepast, is het geen perfecte oplossing voor alle toepassingen. Het draait allemaal om de cijfers. Als de hoeveelheid regeneratieve energie te groot is, is het niet praktisch om dit met een condensator op te lossen en moeten andere oplossingen worden overwogen. Deze aanpak is het meest effectief voor productiemachines met een doorlopende cyclus van snelle versnellingen en vertragingen, zoals verpakkingsmachines, AOI-machines, enzovoort.
Neem gerust contact met ons op. Dat kan telefonisch via +31 (0)76 789 00 30 of +32 (0)3 328 07 60. U kunt ook het contactformulier invullen. Wij nemen uw vraag zo snel mogelijk in behandeling.
