馬達驅動軸的再生煞車

在工業自動化機器中，再生煞車技術會利用電動馬達及其驅動器的現有結構和能量，以及專用的子元件，將軸減速、停止和重新致動。再生煞車技術是摩擦離合器和煞車的替代方案，不僅可控性高且省電，更別提體積小巧。簡而言之，再生煞車的相關電路，會將馬達的旋轉轉子及任何附加負載的動態機械能轉換為電能。接著電能被送回電源線中，作為其他用途或進行散熱。

馬達能量的再利用，最早用於 1900 年代早期的汽車應用及 1930 年代的鐵路應用中，隨著第一輛混合動力客車問世而首次使用再生一詞 — 這輛車使用煞車能量為車上的電池充電。如今，再生煞車工業應用和設計變化比比皆是。

圖 1：VFD-EL 多功能驅動器使用高精確度電流控制來運行 AC 馬達。共用 DC 匯流排簡化了並排安裝，而多數 VFD-EL 驅動器型號都能並聯，以共用再生煞車能量。這能進而防止過電壓，並穩定 DC 匯流排電壓。(圖片來源：Delta IA)

1.動態煞車有時稱為再生電阻煞車，雖然與所謂的真正再生煞車不同，但也是一種再生能量使用形式。系統的驅動器依其定義功能也稱為逆變器，此元件在動態煞車形式中，藉由廢熱來消散馬達轉子的旋轉能量，使馬達完全煞車，如此而已。例如，某個機器上自動化零件的運動軸，可能會在電動馬達運行期間突然關閉。系統的摩擦力通常很低，足以讓轉子自由旋轉，也就是失控。轉子會一直自由旋轉到動能耗盡為止，持續時間可能相當長，同時也會有機器損壞或人員受傷的風險。動態煞車將轉子動能轉換為電能，讓馬達更快停止，從而解決了這個問題。這一能量轉換過程由經過穩壓的電阻執行，將能量以熱量的形式釋放出去。

許多馬達驅動器內建電阻，用於這種散熱式能量耗散，尤其是數位伺服放大器。但如果馬達驅動軸的再生能量，超過驅動電阻的組合額定值，可能需要使用外接式再生電阻組。這在具有較大負載-馬達慣性比的軸上相當常見。

圖 2：MDDHT5540E 伺服驅動器包含一個內建式再生電阻，用於再生煞車。停止某個垂直排列或高慣性的負載會產生能量，再生電阻會釋放這種能量，並將能量傳回驅動器。此系列中的框架 A、B、G 和 H 型號中沒有再生電阻，因此建議選用再生電阻。此系列中的框架 C 到框架 F 驅動器，包含一個內建再生電阻，增加一個外接式再生電阻能提高再生能力。(圖片來源：Panasonic Industrial Automation Sales)

如果再生煞車系統採用外接式附加煞車電阻，該電阻通常連接在馬達驅動器的端子之間；系統調整軟體隨後能偵測和分析附加電阻及其散熱能力。常見的電阻形式為鋁質外罩，填充高熱傳導率材料，以便快速散熱。快速散熱對於連續煞車應用特別重要。

圖 3：此款 BA 系列 BAB116025R0KE 鋁殼煞車電阻，適合用於高功率再生煞車應用。此產品採用繞線陶瓷芯和雲母片絕緣體，以提供高介電質屬性。嵌入式熱熔斷開關讓使用者能在安全應用中使用電阻。(圖片來源：Ohmite)

2.再生煞車和動態煞車的差異，在於前者將機械產生的電能回送至主電源供應器或共用 DC 匯流排，保留再生能量，以便：

• 重複用於煞車
• 重新致動處於煞車狀態的軸
• 為系統上其他的軸供電

工業自動化中的再生煞車系統有時稱為線路再生裝置，這些系統大部分採用絕緣閘雙極電晶體 (IGBT)，讓電力能在馬達和電源之間雙向流動，這是使用二極體的傳統逆變器橋接器無法辦到的。請注意，這種 IGBT 用法與當今一些以牽引驅動器為基礎的電動車應用形成了對比。進一步瞭解適用於此類驅動器的碳化矽 (SiC) 等寬能隙半導體，請參閱這篇與該主題相關的 digikey.tw 文章。在某些情況下，SiC 型元件能將 DC 電源轉換成三相 AC 電源，藉此驅動馬達，效率和功率密度比 IGBT 及其他 MOSFET 高。然後，SiC 型元件將再生煞車能量轉換回 DC 電源，為電池充電。

由於再生煞車會將馬達轉子的機械能量轉換成電能，因此當命令的轉矩和旋轉方向相反時，這能有效地讓馬達在運動控制速度轉矩平面的第二和第四象限中，作為發電機來運作。運作的時機如下：

• 軸的命令反轉，而轉子繼續短暫反向轉動時
• 轉子的速度超過馬達命令的同步速度輸出

將再生煞車整合至自動化設計時需注意以下事項：再生煞車可以讓負載變慢，但不能停止及固定負載。當軸接近完全停止時，幾乎沒有剩餘的能量來激勵充當發電機的馬達。因此，在沒有其他煞車或電子裝置的情況下，接下來只能透過自由旋轉的方式減速，直到完全停止。此外，在觸發過電壓故障前，能送回標準 DC 匯流排電容的能量也有限。因此，規格合適的再生驅動器會將足夠的電能送回 AC 電源，或者利用特殊設計的共用匯流排。後者的效率特別高，因為在驅動器重新使用能量前，電源只會從 AC 轉換成 DC 一次。

VFD 的另一部分可專門為再生煞車量身定製，其中包括整流器。主動前端類型整流器，可將系統電流上的諧波減至最小。讓我們瞭解一下 Delta Electronics 的 AFE2000 系列主動前端，此產品將多餘能量轉換成可再利用電源，送回至主電源，從而捨棄了傳統的煞車電阻。AFE200 前端針對各種應用進行設計，以提供最大能量效率。此驅動器和其他具有再生功能的驅動器，也能解決系統電流上的各種諧波失真，特別是在低功率下，進而避免鄰近電子裝置受到 EMI 干擾，例如那些用於控制回授的電子裝置。

3.注入 DC 電流以實現電動馬達煞車的過程在某些情況下簡稱為 DC 煞車，涉及將 DC 電流加到 AC 馬達一兩個繞組上的驅動器電子裝置上。無論確切變化為何，當繼電器或其他控制開關關閉馬達的旋轉磁場時，多數的 DC 注入系統都會被觸發進入動作狀態。接著，另一個繼電器或 VFD 驅動器內的電子煞車控制裝置，會觸發系統的 DC 匯流排向馬達繞組提供 DC 電源。儘管這些元件會控制施加的電壓，並讓進入繞組的電流持續低於馬達的最大額定值，但電流越大，煞車力道就越大。

DC 注入導致定子產生非旋轉電磁場，會停止並固定轉子及任何連接的負載。

圖 4：圖中顯示了 Omron 的 SR125SMS45 停止運動安全繼電器，此裝置會透過感測馬達端子上的反電動勢，追蹤連接的馬達何時完全停止，然後開啟閘控的工作單元。此繼電器與 DC 注入煞車及其他電子馬達控制裝置搭配使用。(圖片來源：Omron Automation and Safety)

DC 注入煞車的主要限制因素，是馬達及其相關電子裝置能消散多少煞車所產生的熱量，而不發生熱損害。煞車電流能施加多久、強度能多強，都因此受到限制。這就難怪 DC 注入煞車很少用於保持負載，或作為故障安全煞車系統了。為了避免某些 DC 注入系統過熱，零速度感測器可以在確定轉子完全停止旋轉時立即切斷電源。

再生煞車、DC 注入煞車和動態煞車間的選擇，以及三者的結合

多數設計人員都能在一項或多項常態性操作期間，善用再生能量的效率。但自動化機器中的再生煞車，在特定的馬達驅動軸上最管用。

以具有成本效益的煞車電阻為基礎的動態煞車，最適合用於需要偶爾煞車或反轉的低負荷自動軸。

再生煞車適用於具有以下需求的自動軸：

• 需要頻繁停止和啟動
• 需要致動被動拖曳型負載，此類負載會造成轉子轉速超過馬達速度，例如在電梯和傾斜進料器上
• 連續工作的應用 (頻繁操作可稱為恆定作工的應用)
• 節能率為界定再生驅動器額外前期成本系統

如上文所說明，DC 注入煞車可以單獨使用。不過，DC 注入煞車結合再生煞車或動態煞車的情況更為常見，這是因為當軸幾近停止並需要保持時，DC 注入煞車會在再生煞車逐漸失效時發揮煞車功能。諸如此類的雙系統煞車方案，善用多種技術的優勢，實現了真正的高效能電子煞車，且煞車過熱風險極低。

再生煞車應用範例

再生煞車有助於減緩及控制各種移動負載，並同時回收動能以進行其他系統用途。現今人們更注重能量效率，促使設計工程師在回收位能機會最佳的應用中，採用再生煞車。包括涉及以下方面的設計：

• 升降機、起重機和電梯的垂直軸：例如，在沒有配重的情況下降低懸吊負載時，需要藉助重力和馬達扭矩，以確保下降過程安全且受到控制。在這些情況下，即使主電源被切斷，煞車系統也能正常工作，是一項關鍵。否則動能將無處釋放，導致軸進入自由落體或失控狀態。在其他情況下，可以使用備用或緊急發電機；發電機本身也有設計要求。當切換至發電機電源後，多數的系統會暫時停用驅動器的能量回收功能。
• 旋轉離心機、測試台和風扇：許多這些設計都採用恆定工作週期軸，需要使用前面提到的外接式附加煞車電阻。
• 卷材張緊和卷材處理：這些應用常會用到 AC 感應馬達，該馬達與具有再生煞車功能的 VFD 搭配使用。這是因為這種運動設計可以巧妙地處理印刷機的高速高慣性軸，以及紙張和塑料卷軸的加工。
• 快速加速和反向軸：在高階輸送機、鋸子和重型機器人上，再生煞車有助於讓這些動作變得更有效率。這能增強基於 VFD 操作的效率，使轉子速度和扭矩符合應用要求，並有助於快速停止高轉速軸，這種軸在伺服應用中極為常見。

圖 5：Panasonic 的伺服驅動器結合運用高階技術和 50 W 至 5 kW 的寬廣功率範圍。這些驅動器能抑制以共振頻率進行的振動，並以高達 100 Mbit/s 的速度執行脈衝、類比和網路型控制。FPWIN Pro7 軟體能讓人進行全面配置和 PLC 連接設定。伺服驅動器可連接選配的煞車電阻。(圖片來源：Panasonic Industrial Automation Sales)

結論

瞭解 DC 注入煞車、動態煞車和再生煞車之間的差異，對於為特定軸指定適當的技術來說非常重要。在選擇能透過這些方法接受和提供速度及扭矩控制的電動馬達和驅動器上，也很有幫助。動態煞車通常適合用於需要些許制動、需求適中的軸；相較之下，再生煞車則能補強非常動態的軸，以及自動化機器甚至是伺服機器的重要功能。電流注入系統最常與其他這些方法結合使用。