실제 버스 커패시턴스

최대 20개의 씰링 스테이션이 있는 파우치 제조기를 생각해 보십시오. 스테이션은 동일한 프로파일로 동시에 연속적으로 작동합니다. '릴리스' 단계에서는 축이 전력을 재생합니다.

막대한 재생 에너지로 인해 이 기계는 23KW의 피크 전력을 방출할 수 있는 크기의 션트 저항이 장착된 두 개의 Elmo TAM100/480VAC power supplies 사용합니다. 기계가 이러한 피크 전력을 가끔씩만 생성한다면 효과적인 솔루션이 될 수 있습니다. 하지만 안타깝게도 실링 스테이션이 동시에 작동하면서 션트 저항기가 초당 여러 번 활성화되었습니다. 그 결과 몇 분 작동 후 작동이 중단되어 즉각적인 과전압 상태가 발생하여 기계가 고장났습니다.

작동 중 버스 전압을 샘플링하면 션트 저항의 높은 듀티 사이클을 확인할 수 있습니다(그림 4 참조). DC 버스 전압은 약 70ms 동안 매 사이클마다 750VDC까지 상승합니다. 버스 전압이 션트 트리밍 전압인 750VDC에 도달하면 전원 공급 장치는 전압을 션트 저항으로 전환합니다.

그림 4: 천장 장면 기계 파우치 씰링 기계는 70ms마다 DC 버스 전압을 750V DC로 증가시켜 션트 저항을 활성화합니다. 높은 듀티 사이클로 인해 축에 고장이 반복적으로 발생하여 생산이 중단되었습니다.

이 문제에 대한 해결책은 회생 에너지를 캡처하고 저장할 수 있는 커패시터의 크기를 정하는 것입니다. 피크 시 전압 평균을 보고 생성되는 재생 에너지를 계산하는 것으로 시작하면 50%의 활성화율을 추정할 수 있습니다. 이는 션트 저항이 최대 전력의 절반만 소모한다는 것을 의미합니다(이 모델의 경우 23KW).

(참고: 활성화 속도를 결정하는 다른 방법은 외부 스코프로 전압과 역전류를 측정하고 그에 따라 에너지가 얼마나 소모되는지 추정하는 것입니다.)

모든 사이클에서 션트 저항을 통해 소멸되는 재생 에너지 Eregen은 다음과 같습니다:

에레겐 = P*t

여기서 P는 전력, t는 시간입니다. 이 경우 소산된 에너지는 0.06초 동안 23KW의 50%인 총 약 690J입니다.

션트 저항은 가끔 전력 스파이크가 발생하는 동안 보호 기능을 제공하지만, 지속적인 재생을 처리하는 것은 적절하지 않습니다. 버스에 커패시터 뱅크를 추가하여 재생된 에너지를 흡수하면 션트 저항의 수명을 늘리고 가동 중단 시간을 줄이면서 기계 전체의 에너지 소비를 줄일 수 있습니다. 사이징에 대해 살펴보겠습니다.

필요한 추가 버스 커패시턴스 C를 계산하기 위해 커패시터 에너지에 대한 표현식인Ecap을 사용합니다:

여기서 Vmax는 최대 허용 전압(당사의 경우 750VDC)이고 Vmin은 회생 에너지 이전의 공칭 버스 전압(당사의 경우 560VDC)입니다.

위에 따르면 필요한 커패시턴스는 다음과 같아야 합니다:

시스템에 5000uF 추가 커패시턴스를 추가하면 추가 전압을 흡수하고 저장합니다. 버스 전압이 750VDC에 도달하지 않으므로 션트 저항이 활성화되지 않습니다.

 

그림 5: 회생 에너지는 파우치 씰링기의 버스 전압을 임계값(파란색 선) 이상으로 반복적으로 구동하여 션트 저항을 과열시키고 불필요한 문제와 오류를 유발합니다. 5000µF 커패시터 뱅크가 추가되면 버스 전압(녹색 선)이 임계값에 도달하지 않습니다.

 

션트 저항은 기계가 고속으로 고장 나는 것을 방지하므로 사용자는 훨씬 더 빠른 속도로 실행할 수 있습니다(그림 7 참조).

그림 6: 커패시터 뱅크를 사용하면 과열된 션트 저항으로 인한 성가신 결함이 제거되었습니다. 그 결과 훨씬 더 빠른 속도를 달성할 수 있었습니다.

 

회생 드라이브 크기 조정

리니어 모터 시장은 지속적으로 성장하고 있으며 점점 더 많은 애플리케이션에 직접적이고 정확한 고성능 모션 시스템을 제공하고 있습니다. 리니어 모터는 많은 경우에 효과적인 솔루션이 될 수 있지만 문제도 발생할 수 있습니다. 리니어 모터에는 일반적으로 마찰이 적은 레일이 장착됩니다. 마찰을 최소화하면 정밀한 위치 지정에는 좋지만 대부분의 운동 에너지가 전원 공급 장치로 다시 흐르고 션트 저항에 가해지는 스트레스가 높습니다. 이때 회생 드라이브가 도움이 될 수 있지만 적절한 크기일 경우에만 가능합니다.

40kg의 하중을 가진 선형 축이 삼각형 프로파일로 가속 및 감속한다고 가정해 보겠습니다. 기계가 작동하는 동안 500ms 동안 이 시퀀스를 반복한 다음 500ms 동안 휴식을 취합니다. 주요 작동 매개변수는 다음과 같습니다:

 

여행: 1m
가속: 6m/s²
감속: 6m/s²
Mass: 40kg
주기 기간: 1.23s
감속 시간: 0.365s
버스 전압: 220VAC
Kt 57.2N/A
저항 3.4W

 

먼저 생성되는 재생 에너지를 계산합니다. 마찰력이 0이라고 가정하면 감속은 다음과 같이 계산됩니다:

다음을 사용하여 구리 손실로 인한 모터의 전력 출력 감소량 Pmot을 계산할 수 있습니다:

그리고 그에 상응하는 에너지 손실이모티콘이 있습니다:

재생 에너지 E재생은 다음과 같이 표현할 수 있습니다:

이 축은 매 사이클, 즉 1.23초마다 74J를 재생성합니다.

정류 후 버스 전압은 311VDC입니다. Elmo 잠재적으로 작동할 수 있는 두 개의 회생 드라이브가 있습니다:

  • G-OBO10/230FE
    • 충전 전압 수준: 380VDC
    • 총 에너지 저장량: ~57.7J
    • 커패시터 크기: 800uF
  • G-OBO10/480FE
    • 충전 전압 수준: 750VDC
    • 총 에너지 저장량: ~56.2J
    • 커패시터 크기: 200uF

 

설명:

두 드라이브의 물리적 크기는 동일하며 에너지 저장 용량도 비슷합니다. 처음 고려할 때는 G-OBO10/230FE가 적합해 보입니다. 충전 전압 레벨이 시스템 수준을 여유 있게 초과할 만큼 충분히 높기 때문입니다. 또한 에너지 저장 기능도 충분했습니다. 하지만 궁극적으로 이 제품이 최선의 선택은 아니었습니다. 220VAC에서 작동할 때 에너지 흡수가 더 뛰어난 G-OBO10/480FE가 최종적으로 선택되었습니다.

G-OBO10/480FE 커패시터는 46.6J를 흡수하지만 축이 매 사이클마다 74J를 재생하기 때문에 재생 에너지를 모두 저장하기에는 여전히 부족합니다. 여전히 매 사이클마다 약 28J를 소멸시켜야 합니다.

션트 저항의 크기를 결정하려면 시스템에서 생성되는 전력을 알아야 하며, 그에 따라 평균 전력을 계산할 수 있습니다:

이 연속 전력은 최대 허용 연속 전력이 있는 드라이버의 내장 션트 저항을 통해 소멸될 수 있습니다.

 

결론

대형 커패시터로 작업할 때는 주요 예방 조치를 취해야 합니다. 대형 커패시터는 전원을 켤 때 돌입 전류를 증가시키므로 기계의 회로 차단기를 매우 신중하고 신중하게 선택해야 합니다. 커패시터의 충전으로 인해 전원이 꺼진 후에도 버스 전압에 위험한 전력이 여전히 존재할 수 있으므로 Elmo 회로 차단기 유형 C를 권장합니다. 사용자는 핫라인을 보호하고 전원을 끌 때 커패시터가 적절히 방전되도록 해야 합니다.

버스 커패시턴스를 늘리는 것은 적절한 크기와 적용 시 매우 효과적일 수 있지만, 모든 애플리케이션에 완벽한 솔루션은 아닙니다. 이는 모두 숫자의 문제입니다. 회생 에너지가 너무 크면 커패시터로 해결하기에는 실용적이지 않으며 다른 솔루션을 사용해야 합니다. 포장 기계, AOI 기계 등과 같이 빠른 가속 및 감속 사이클이 계속되는 생산 기계에 가장 효과적입니다.