はじめに

包装機、ラベラー、組立ロボットを備えた装置などの多軸機は、同じ動作シーケンスを繰り返し、時には長時間にわたって実行することが多い。場合によっては、モーションプロファイルによって軸が回生エネルギーを生成します。この回生エネルギーは、特定の状況において、バス電圧を潜在的に損傷を与えるレベルまで大幅に上昇させる可能性があります。機器を保護するために、システムには通常、過剰なエネルギーを放散するように設計されたシャントレジスタが含まれています。適切なサイズであれば、シャント抵抗は効果的です。しかし、サイズや適用が不適切な場合、最悪の場合、頻繁に故障を引き起こしたり、早期に故障したりする可能性があります。いずれの場合も、結果としてダウンタイムが増加し、生産性が低下する。
電源バスにコンデンサバンクを追加することで、余剰エネルギーを吸収することができる。この技術により、シャント抵抗とシステム全体へのストレスが軽減され、より高速な運転と生産性の向上が可能になると同時に、余剰エネルギーを蓄えて後で再利用することができます。このブログでは、システム性能を最適化し、生産性を向上させ、運用コストを最小化するための適切なサイジングのテクニックに焦点を当てながら、シャント抵抗、バス容量、および回生エネルギーの関係を検証します。

再生エネルギーとは何か？

モーターの目的は、電気エネルギーを機械エネルギーに変換することである。モーターが回転すると、磁界中を移動するコイルが巻線に逆起電力を発生させ、モーターのトルクに対抗します。ほとんどの場合、逆起電力の大きさは印加電圧よりもはるかに小さい。その結果、軸は正味正トルクを発生して負荷を駆動し、逆起電力は巻線に熱として放散されます。
重い負荷が急速に減速する場合など、特定の状況では、負荷の慣性がモータ速度に対抗します。回転の変化により、逆起電力は印加電圧を超えるまで増加します。電圧の方向は、軸がバス電圧を増加させるように変化する。この時点で、モーターはもはや電気エネルギーを機械エネルギーに変換していません。逆に発電機として動作しています。
モータの巻線は、内部抵抗により回生エネルギーの一部を放散します。残りの回生エネルギーは、ドライブを通して電源に供給されます。
ほとんどのサーボ軸は減速中にエネルギーを回生しますが、通常の動作を妨げるほど高いレベルで回生するものはほとんどありません。高イナーシャ、低摩擦の軸が高速から急速に減速する場合、回生エネルギーが問題になります。大型ガントリー軸、重い回転カルーセル、回転アンテナ、重力に逆らう昇降軸、その他高慣性を伴う高動作を伴うシステムなど、多くの例がある。多軸機では、複数の軸が同時に減速し、回生された電力の合計が電源に逆流する場合、問題が悪化する可能性がある。
電圧上昇の結果としてバス電子機器を損傷しないように、電源とドライブを設計することは可能である。回生エネルギーは、コンデンサ・バンクで後で使用するために蓄えることができる。このアプローチでも過電圧障害や機器の損傷を防ぐことができ、稼働時間と生産性が向上します。回生エネルギーはまた、将来の使用のために蓄えることができ、電力消費と所有コストを削減します。

理論上のバス容量

バスキャパシタンスは、メインDCバスの総キャパシタンスである。主な要因は、電源の内蔵コンデンサとドライブのVP+コンデンサである（図1参照）。Power supplies 、ACブリッジ整流器からの高調波を平滑化する予備コンデンサが含まれています。ドライブに内蔵されたコンデンサは、PWMスイッチングブリッジに抵抗のない電流を即座に供給します。

図1：バス・キャパシタンスの主な要因は、電源の内蔵コンデンサとドライブのキャパシタンスである。

 

シャント抵抗を使用して、回生電力のサージからバスを保護することができます。Elmo power supplies 、電力を散逸させ、電圧を最大許容レベル直下にクランプするためのシャント抵抗と制御電子回路が内蔵されています（図2を参照）。バス電圧が、シャント・トリミング・レベルとして知られるそのレベル以上に上昇すると、シャントがオンになります。

 

図2：

 

シャント抵抗は回生エネルギーを熱として放散する。これにより電源は保護されますが、放熱しなければならない熱は残っています。そうしないと、シャント抵抗が過熱して故障の原因となる（図 3 参照）。通常、過電圧保護が作動し、ドライバーはモーターを切り離し、発電を停止します。極端な場合、高電圧はシステム・コンポーネントを損傷する可能性があります。

 

図3：シャント抵抗は電圧を一定のレベルで効果的にクランプする。熱がある閾値を超えると、シャント抵抗は故障する（赤い矢印）。

 

解決策は、シャント抵抗のトリミング電圧に達する前にバスがより多くのエネルギーを吸収できるように、バス容量を増やすことである。これにより、シャント抵抗への負荷が軽減され、発生する熱量が低下する。