모터 구동 축의 재생식 브레이크

산업 자동화 기계에서 재생식 브레이크는 전기 모터(및 구동 장치)의 기존 구조와 에너지를 전용 하위 부품과 함께 채택하여 축을 감속, 정지 및 재작동하는 기술입니다. 회생 제동 기술은 마찰식 클러치와 브레이크에 대한 매우 비용 효율적이고 제어 가능한 콤팩트 대안을 제공합니다. 간단히 말해서 재생식 브레이크에 포함된 회로망은 모터 회전자 및 연결된 부하에서 발생하는 동적 기계 에너지를 전기 에너지로 변환합니다. 그러면 전기 에너지는 전력선에 다시 공급되어 다른 용도로 사용되거나 방출됩니다.

1900년대 초에 자동차 응용 분야에서 처음으로 사용되고 1930년대에 철도 응용 분야에서 처음으로 사용된 모터 에너지 재생의 경우 브레이크 에너지로 기판 실장 배터리를 충전하는 최초의 하이브리드 승용차에서 재생이라는 용어를 처음으로 사용했습니다. 오늘날 재생식 브레이크 산업 응용 분야와 설계 변형은 다양합니다.

그림 1: VFD-EL 다기능 구동 장치는 고정밀 전류 제어를 통해 ac 모터를 작동합니다. 일반 dc 버스는 단계별 설치를 간소화하고 대부분의 VFD-EL 구동 모델은 구를 병렬로 연결하여 재생식 브레이크 에너지를 공유할 수 있습니다. 즉, 과전압을 방지하고 dc 버스 전압을 안정화합니다. (이미지 출처: Delta IA)

1. 동적 브레이크(재생식 저항기 브레이크라고도 함)는 실제 재생식 브레이크와 차이는 있지만 재생식 에너지 사용의 한 형태입니다. 여기서 시스템 구동 장치(정의된 기능상 인버터라고도 함)는 폐열을 통해 모터 회전자의 회전 에너지를 소산시켜서 모터를 완전히 제동하며 그 이상도 그 이하도 아닙니다. 예를 들어 전기 모터가 작동 중인 동안 기계의 자동화된 부분에 있는 동작 축이 갑자기 꺼질 수 있습니다. 일반적으로 시스템 마찰은 회전자가 부드럽게 움직일 수 있을 정도로 정도로 작으며, 정의로는 제어할 수 없습니다. 회전자의 움직임은 운동 에너지가 소모될 때까지 상당히 오랫동안 지속되므로 그동안 기계가 손상되거나 사람이 부상을 입을 위험이 있습니다. 동적 브레이크는 회전자의 운동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 모터를 더 빠르게 정지시켜서 이 문제를 해결합니다. 동적 브레이크는 에너지를 열로 방출하는 전압 조정 저항기에 의해 수행됩니다.

대부분의 모터 구동 장치, 특히 디지털 서보 증폭기에는 그런 방열판 에너지 방출을 위한 저항기가 내장되어 있습니다. 하지만 모터 구동 축에서 구동 저항기의 결합된 등급을 초과하는 재생 에너지가 표시될 경우 외부 재생식 저항기 뱅크가 필요할 수 있습니다. 이는 큰 부하 대 모터 관성비를 나타내는 축에서 매우 일반적입니다.

그림 2: 이 MDDHT5540E 서보 구동에는 재생식 브레이크를 지원하는 내장형 재생식 저항기가 포함되어 있습니다. 재생식 저항기는 수직으로 배열되거나 관성이 큰 부하를 정지시켜서 에너지를 방출하고 해당 에너지를 구동 장치로 다시 반환합니다. 이 계열의 프레임 A, B, G 및 H 모델에는 재생식 저항기가 없으므로 옵션 재생식 저항기를 사용할 것을 권장합니다. 이 계열의 프레임 C, D, E, F 구동 장치에는 내장형 재생식 저항기 1개가 포함되어 있으며, 외부 재생식 저항기를 추가하면 재생 성능이 향상됩니다. (이미지 출처: Panasonic Industrial Automation Sales)

재생식 브레이크 시스템에서 외부 애드온 브레이크 저항기를 채택하는 경우 해당 저항기는 일반적으로 모터 구동 단자 사이에 연결됩니다. 그러면 시스템 튜닝 소프트웨어에서 애드온 저항기와 방열 기능을 감지하여 프로파일링할 수 있습니다. 일반적인 형식의 저항기는 빠른 열 방출을 위해 알루미늄 하우징에 열 전도율이 높은 소재로 채워져 있습니다. 빠른 열 방출은 지속적인 브레이크 적용을 위해 특히 중요합니다.

그림 3: 이 BA 계열 BAB116025R0KE 알루미늄 하우징 브레이크 저항기는 고전력 재생식 브레이크 응용 분야에 적합합니다. 또한 우수한 유전체 속성을 위해 운모판이 분리되어 있고 세라믹 코어에 전선이 감겨 있습니다. 내장형 열차단 스위치를 활용하여 안전 응용 분야에서 저항기를 사용할 수 있습니다. (이미지 출처: Ohmite)

2. 재생식 브레이크는 기계적으로 생성된 전기 에너지를 주 전원 공급 장치 또는 일반 dc 버스에 다시 공급하여 다음 용도로 재생 에너지를 유지한다는 점에서 동적 브레이크와 다릅니다.

• 브레이크에 재사용
• 브레이크 걸린 축의 재작동
• 시스템에서 다른 축 구동

회선 재생 장치라고도 하는 산업 자동화 부문의 대부분의 재생식 브레이크 시스템은 절연 게이트 양극 트랜지스터(IGBT)를 채택하여 모터와 전원 간에 전력의 양방향 이동이 가능합니다. 이는 다이오드를 사용하는 기존 인버터 브리지에서는 불가능한 기능입니다. 이 IGBT 사용은 제동식 구동을 기반으로 하는 오늘날의 일부 전기차 응용 제품과 대비됩니다. 이러한 구동을 위한 와이드 밴드갭 반도체(예: 실리콘 카바이드(SiC))에 대한 자세한 내용은 DigiKey 기사를 참조하십시오. 경우에 따라 SiC 기반 장치에서 dc 전력을 3상 ac 전력으로 변환하여 모터를 구동한 다음 배터리 충전을 위해 재생식 브레이크 에너지를 다시 dc 전력으로 변환할 수 있습니다. 따라서 IGBT 및 다른 MOSFET보다 효율성과 출력 밀도가 더 우수합니다.

재생식 브레이크는 모터 회전자 기계 에너지를 전기 에너지로 변환하므로 지시된 토크 방향과 회전 방향이 반대일 경우 모터가 동작 제어 속도 토크 평면의 2사분면과 4사분면에서 효과적으로 발전기 역할을 합니다. 해당하는 경우는 다음과 같습니다.

• 축 명령이 반전되고 회전자가 잠깐 동안 반대 방향으로 회전을 지속하는 경우
• 회전자 속도가 모터의 지시된 동기식 속도 출력을 초과하는 경우

재생식 브레이크를 자동화된 설계에 통합하는 경우 주의 사항이 있습니다. 재생식 브레이크는 감속될 수 있지만 정지 후 부하를 유지할 수 없습니다. 축이 완전 정지 상태에 가까워질 경우 발전기 역할을 하는 모터를 자기화하기 위한 약간의 에너지가 남아 있습니다. 따라서 추가 브레이크 또는 전자 장치 없이 감속부터 정지까지 나머지 작업은 타력 구동을 통해 수행됩니다. 또한 과전압 결함을 트리거하기 전에 표준 dc 버스 커패시터에 다시 공급할 수 있는 에너지 양이 제한됩니다. 올바르게 지정된 재생식 구동 장치는 ac 전원에 충분한 양의 에너지를 반환하거나 특수 제작된 일반 버스를 활용합니다. 후자의 경우 구동 장치에 의한 에너지 재사용이 나타나기 전에 한 번만 ac에서 dc로 전력을 변환하므로 특히 효과적입니다.

재생식 브레이크에 맞게 특별히 조정될 수 있는 VFD의 다른 부분에는 정류기가 있습니다. 활성 프런트 엔드 정류기라는 변형은 시스템 전류에서 고조파를 최소화합니다. 초과 에너지를 재사용 가능한 전력으로 변환하여 주 전원에 반환하므로 기존 브레이크 저항기가 필요하지 않은 Delta Electronics의 AFE2000 계열 활성 프런트 엔드를 고려하십시오. AFE200 프런트 엔드는 폭넓은 응용 분야에서 에너지 효율을 극대화하도록 설계되었습니다. 또한 재생식 기능을 지원하는 이러한 구동 장치는 시스템 전류(특히, 저전력)의 폭넓은 고조파 왜곡 스펙트럼을 해결하여 인근 전자 장치(예: 제어 피드백용 전자 장치)를 EMI로부터 보호합니다.

3. 전기 모터 브레이크(특정 컨텍스트에서는 dc 브레이크라고도 함)를 위한 dc 전류 주입에는 한 두 개의 ac 모터 권선에 dc 전류를 주입하는 구동 전자 장치가 포함됩니다. 정확한 모델에 상관없이 대부분의 dc 주입 시스템은 계전기 또는 다른 제어기에서 모터의 회전 자기장을 끌 때 작동합니다. 그러면 다른 계전기 또는 전자 브레이크 제어기(VFD용 구동 장치 내부)가 시스템의 dc 버스에서 모터 권선으로 dc 전력을 공급합니다. 이러한 부품은 인가 전압을 제어하고 권선에 주입되는 전류를 모터의 최대 정격 이하로 유지하지만 전류가 높을수록 더 우수한 제동력이 유도됩니다.

dc 주입은 고정자로부터 무회전 전자기장을 생성하여 회전자와 연결된 부하를 정지된 상태로 유지합니다.

그림 4: 모터 단자에서 후면 EMF를 감지하여 연결된 모터가 완전히 정지하는지 추적한 다음 게이트 작업 셀을 개방하는 Omron SR125SMS45 정지 동작 안전 계전기를 보여줍니다. 이 계전기는 dc 주입 브레이크와 기타 전자 모터 제어기로 작동합니다. (이미지 출처: Omron Automation and Safety)

dc 주입 브레이크의 주 제한 요소는 모터 및 연결된 전자 장치에서 열 손상을 지속하지 않으면서 방출할 수 있는 브레이크 유도 열량입니다. 이 요소는 브레이크 전류를 적용할 수 있는 시간의 길이와 크기를 제한합니다. 부하를 유지하거나 페일세이프 브레이크 시스템 역할을 하는 데 dc 주입 브레이크가 거의 사용되지 않는 것은 놀랄 일도 아닙니다. 일부 dc 주입 시스템에서 과열을 방지하기 위해 제로 속도 센서는 회전자의 회전이 멈춘 것을 확인하는 즉시 전력을 차단할 수 있습니다.

재생식 브레이크, dc 주입 브레이크, 동적 브레이크 간 선택(및 결합)

대부분의 설계자는 한 번 이상의 일반 작업 중에 재생식 전력의 효율성을 활용할 수 있습니다. 하지만 자동화된 기계의 재생식 브레이크는 특정 모터 구동 축에서 가장 유용합니다.

비용 효율적인 브레이크 저항기를 기반으로 하는 동적 브레이크는 가끔 브레이크 또는 반전이 필요한 자동화된 낮은 듀티 축에 가장 적합합니다.

재생식 브레이크는 다음이 요구되는 자동화된 축에 적합합니다.

• 빈번한 정지와 출발
• 엘리베이터, 인클라인 컨베이어 등에서 회전자 rpm이 모터 속도를 초과하도록 점검 부하를 작동해야 하는 경우
• 연속 사용 응용 분야(지속적인 사용으로 평가되기에 충분한 빈도로 작동해야 하는 응용 분야 포함)
• 재생식 구동에 대한 추가적인 초기 비용을 정당화할 정도로 에너지를 절약할 수 있는 시스템

위에서 설명한 대로 dc 주입 브레이크를 단독으로 적용할 수도 있지만, dc 주입 브레이크를 재생식 브레이크 또는 동적 브레이크와 결합하는 것이 더 일반적입니다. dc 주입 브레이크에서는 축이 거의 정지하여 멈추어야 하는 경우 재생식 브레이크가 점점 약해지는 방식으로 브레이크가 작동한다고 간주하기 때문입니다. 이러한 이중 시스템 브레이크 배열에서는 과열 위험이 적은 실질적인 고성능 전자 브레이크를 위한 다양한 기술의 강점을 활용합니다.

재생식 브레이크 응용 분야의 예

재생식 브레이크는 다른 시스템 사용을 위한 운동 에너지를 확보하면서 움직이는 부하 어레이를 감속 및 제어하는 데 유용한 접근 방식입니다. 에너지 효율에 대한 비중의 증가로 설계 엔지니어 사이에서는 응용 분야에서 잠재적 에너지 확보 기회를 극대화하는 재생식 브레이크 채택이 촉진되었습니다. 여기에는 다음과 같은 설계가 포함됩니다.

• 리프트, 크레인 및 엘리베이터용 수직 축: 예를 들어 균형추를 사용하지 않고 들어 올린 부하를 내리려면 안전하고 제어된 하강을 위해 중력과 모터의 토크가 필요합니다. 이러한 상황에서는 주 전원이 차단되더라도 브레이크 시스템이 올바르게 작동하는 것이 중요합니다. 그렇지 않으면 운동 에너지가 방출되지 않고, 축이 자유 낙하 또는 폭주 상황에 놓입니다. 또한 자체 설계 요구 사항을 충족하는 백업 또는 비상 발전기를 사용할 수 있습니다. 발전기 전력으로 전환하면 대부분의 시스템에서 구동 장치의 에너지 확보 기능이 일시적으로 비활성화됩니다.
• 회전식 원심 분리기, 테스트 스탠드, 팬: 대부분의 설계는 앞서 언급한 외부 애드온 브레이크 저항기가 필요한 일정한 듀티 사이클 축입니다.
• 웹 장력 및 웹 처리: 재생식 브레이크를 지원하는 VFD와 결합된 ac 유도 모터가 일반적입니다. 그런 동작 설계에서는 인쇄기의 관성이 큰 고속 축과 종이 및 플라스틱 스풀 공정을 능숙하게 처리하기 때문입니다.
• 빠른 가속 및 역전 축: 재생식 브레이크를 사용하면 고급 컨베이어, 톱 및 고강도 로봇 공학에서 이러한 동작의 효율을 높일 수 있습니다. 그러면 응용 분야의 수요에 따라 회전자의 속도와 토크를 연계하여 VFD 기반 작동 효율이 향상되고 서보 응용 분야에 일반적인 고 rpm 축을 빠르게 멈출 수 있습니다.

그림 5: Panasonic의 서보 구동에서는 고급 기술을 폭넓은 50W ~ 5kW 출력 범위와 결합합니다. 이 구동 장치는 종진 주파수 변화를 억제하고 100Mbit/sec의 속도로 펄스, 아날로그 및 네트워크 기반 제어기를 실행할 수 있습니다. FPWIN Pro7 소프트웨어를 사용하면 PLC 연결을 완벽하게 구성하고 설정할 수 있습니다. 서보 구동 장치의 경우 선택적 브레이크 저항기를 부착할 수 있습니다. (이미지 출처: Panasonic Industrial Automation Sales)

결론

주어진 축에 적합한 기술을 지정하려면 dc 주입 브레이크, 동적 브레이크 및 재생식 브레이크의 차이를 이해해야 합니다. 또한 이러한 방법을 통한 속도 및 토크 제어를 수락하고 제공할 수 있는 전기 모터 및 구동 장치를 선택하는 것이 유용합니다. 동적 브레이크는 일반적으로 약간의 제동이 필요한 적당히 까다로운 축에 적합한 반면에, 재생식 브레이크는 자동화된 기계(및 서보)에서 매우 역동적인 축과 중요한 기능을 보완합니다. 전류 주입 시스템이 이러한 방법과 함께 가장 일반적으로 채택됩니다.