Part 1: Regenerative energy – Theory

소개

포장기, 라벨러, 조립 로봇이 장착된 장비와 같은 다축 기계는 동일한 동작 순서를 반복적으로, 때로는 장시간에 걸쳐 수행하는 경우가 많습니다. 경우에 따라 모션 프로파일로 인해 축이 회생 에너지를 생성하게 됩니다. 이러한 회생 에너지는 특정 상황에서 버스 전압을 잠재적으로 손상될 수 있는 수준까지 크게 증가시킬 수 있습니다. 장비를 보호하기 위해 시스템에는 일반적으로 과도한 에너지를 방출하도록 설계된 션트 저항기가 포함됩니다. 적절한 크기의 션트 저항은 효과적일 수 있습니다. 그러나 크기가 부적절하거나 잘못 적용하면 기껏해야 잦은 고장을 일으키거나 최악의 경우 조기에 고장날 수 있습니다. 두 경우 모두 결과적으로 다운타임이 증가하고 생산성이 저하됩니다.
전원 버스에 커패시터 뱅크를 추가하면 과도한 에너지를 흡수할 수 있습니다. 이 기술은 션트 저항과 시스템 전체의 스트레스를 줄여 작동 속도를 높이고 생산성을 높이는 동시에 나중에 재사용할 수 있도록 여분의 에너지를 저장할 수 있습니다. 이 블로그에서는 시스템 성능을 최적화하고 생산성을 높이며 운영 비용을 최소화하기 위한 적절한 크기 조정 기술에 초점을 맞춰 션트 저항, 버스 커패시턴스, 재생 에너지 간의 관계를 살펴봅니다.

재생 에너지란 무엇인가요?

모터의 목적은 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하는 것입니다. 모터가 회전할 때 자기장을 통해 움직이는 코일은 권선에서 모터의 토크에 반대되는 역방향 전자기장을 생성합니다. 대부분의 경우 역기전력은 인가 전압보다 훨씬 작습니다. 결과적으로 축은 순 양의 토크를 생성하여 부하를 구동하는 반면, 역기전력은 권선에서 열로 소멸됩니다.
무거운 부하가 급격히 감속하는 경우와 같은 특정 상황에서는 부하 관성이 모터 속도에 반대합니다. 회전의 변화로 인해 역기전력은 인가 전압을 초과할 때까지 증가합니다. 축이 버스 전압을 증가시키도록 전압의 방향이 변경됩니다. 이 시점에서 모터는 더 이상 전기 에너지를 기계 에너지로 변환하지 않습니다. 그 반대인 발전기 역할을 하는 것입니다.
모터 권선은 내부 저항으로 인해 재생된 에너지의 일부를 소멸시킵니다. 재생된 나머지 에너지는 드라이브를 통해 전원 공급 장치로 공급됩니다.
대부분의 서보 축은 감속 중에 에너지를 재생하지만, 정상 작동을 방해할 정도로 높은 수준에서 재생하는 서보 축은 거의 없습니다. 관성이 높고 마찰이 적은 축이 고속에서 급격히 감속하면 회생 에너지가 문제가 됩니다. 대형 갠트리 축, 무거운 회전 캐로슬, 회전 안테나, 중력에 대항하는 고도 축, 기타 관성이 높은 동적 요소가 많은 시스템 등 다양한 예가 있습니다. 다축 기계에서는 여러 축이 동시에 감속하여 재생된 전력의 합계가 전원 공급 장치로 역류하는 경우 이 문제가 악화될 수 있습니다.
전압 증가로 인해 버스 전자 장치가 손상되지 않도록 전원 공급 장치와 드라이브를 설계할 수 있습니다. 회생 에너지는 커패시터 뱅크를 사용하여 나중에 사용할 수 있도록 저장할 수 있습니다. 이 접근 방식은 과전압 결함 및 장비 손상을 방지하여 가동 시간과 생산성을 높입니다. 또한 재생 에너지는 나중에 사용하기 위해 저장할 수 있으므로 전력 소비와 소유 비용을 줄일 수 있습니다.

이론상 버스 커패시턴스

버스 커패시턴스는 메인 DC 버스의 총 커패시턴스입니다. 주요 원인은 전원 공급 장치의 내장 커패시터와 드라이브의 VP+ 커패시턴스입니다(그림 1 참조). Power supplies 장치에는 AC 브리지 정류기의 고조파를 완화하는 예비 커패시터가 포함되어 있습니다. 드라이브에 내장된 커패시터는 PWM 스위칭 브리지에 저항 없이 즉각적인 전류 공급을 제공합니다.

 

션트 저항을 사용하여 회생 전력의 서지로부터 버스를 보호할 수 있습니다. Elmo power supplies 장치에는 션트 저항과 제어 전자 장치가 내장되어 있어 전력을 소산하고 전압을 최대 허용 수준 바로 아래로 클램핑합니다(그림 2 참조). 버스 전압이 션트 트리밍 레벨이라고 하는 해당 레벨 이상으로 상승하면 션트가 켜집니다.

 

 

션트 저항은 재생 에너지를 열로 발산합니다. 이렇게 하면 전원 공급 장치가 보호되지만 여전히 열을 방출해야 합니다. 그렇지 않으면 션트 저항이 과열되어 고장을 일으킬 수 있습니다(그림 3 참조). 일반적으로 과전압 보호가 활성화되어 드라이버가 모터를 분리하고 전력 생성을 중지합니다. 극단적인 경우 고전압으로 인해 시스템 구성 요소가 손상될 수 있습니다.

 

 

해결책은 션트 저항 트리밍 전압에 도달하기 전에 버스가 더 많은 에너지를 흡수할 수 있도록 버스 커패시턴스를 늘리는 것입니다. 이렇게 하면 션트 저항의 부하가 줄어들고 발생되는 열 수준이 낮아집니다.