Многоосные промышленные установки: упаковщики, маркировщики, обрабатывающие центры и пр. в своей работе непрерывно воспроизводят одну и ту же последовательность движений. Этот цикл повторяется регулярно и часто в течение продолжительного периода времени.
В некоторых случаях, и на некоторых стадиях этого циклического процесса в цепях питания двигателя могут возникать импульсы обратного напряжения, повышающего уровень рабочего напряжения шины питания и потенциально представляющие опасность, как для непрерывности производственного процесса, так и для применяемого оборудования, такого, как контроллеры двигателей Elmo Motion Control и источники питания.
Для рекуперации таких импульсов обратного напряжения и защиты оборудования используются шунтирующие резисторы или шунт-регуляторы. Эти устройства предназначены для отвода избыточного тока от шин питания и рассеяния лишней энергии в окружающую среду.
Основной проблемой использования шунтирующих резисторов является правильный подбор их номинала.
Правильно подобранный шунтирующий резистор или шунт-регулятор способен эффективно предохранить систему двигатель-контроллер-источник питания от бросков обратного напряжения.
При неправильном выборе шунт не справится с импульсом обратного напряжения (недостаточное сопротивление) и контроллер двигателя Elmo Motion Control или вся система перейдет в состояние ошибки, либо заметно увеличит время отклика контроллера двигателя или системы (слишком большое сопротивление) на управляющие воздействия.
В первом случае вся производственная установка остановится до проведения контроля и обслуживания или, в худшем случае, до замены поврежденных устройств, например, контроллера двигателя или элементов цепей питания и управления.
Во втором случае, производительность оборудования уменьшится, а вероятность потери качества возрастет пропорционально количеству производственных операций и, соответственно, количеству задержек в управлении, возникших из-за использования шунтирующих резисторов.
Альтернативой использования шунтирующих резисторов является добавление магазинов конденсаторов в шины питания контроллеров двигателей Elmo Motion Control.
Этот способ позволяет системе накапливать обратное напряжение и рассеивать его равномерно на других стадиях рабочего цикла. Метод не исключает использования шунтирующих резисторов и шунт-регуляторов, однако позволяет заметно сократить требования к их номиналам, не приводя ни к перегрузке шунта (первый сценарий), ни к деградации производительности (второй сценарий) контроллеров двигателей Elmo Motion Control и другого оборудования тракта питания и управления.
Принцип работы электрического двигателя сводится к преобразованию электрической энергии в механическую – в форме крутящего момента.
При этом, естественным побочным эффектом работы двигателя является образование в обмотке обратной ЭДС.
В нормальных условиях обратная ЭДС по величине напряжения существенно меньше рабочих напряжений шины питания и не оказывает влияния на работу двигателя (не считая незначительного повышения скорости вращения двигателя), управляющего двигателем контроллера Elmo Motion Control и источника питания.
Более того, в ряде случаев обратная ЭДС двигателя успешно используется для организации контура обратной связи бесколлекторного двигателя при его эксплуатации без датчиков Холла.
Однако, в ряде случаев, связанных со спецификой нагрузки или спецификой профиля движения, величина обратной ЭДС в системе может возрастать и становиться сравнимой или даже превышать величину рабочего напряжения на шине питания.
Примерами подобных условий могут являться: резкое торможение высоко инерционной (массивной) нагрузки, свободное падение груза, высокочастотное знакопеременное движение нагрузки и пр.
Во всех этих случаях момент инерции нагрузки может создавать в двигателе крутящий момент противоположный по знаку рабочему направлению работы, что приведет к переходу двигателя в рабочий режим генератора напряжения, возникновению в обмотках двигателя значительной обратной ЭДС и передаче этой энергии в выходные цепи контроллера двигателя Elmo Motion Control и далее на шину питания, в виде импульса обратного напряжения.
Безусловно, часть этого обратного напряжения будет эффективно рассеяна непосредственно на обмотке двигателя, благодаря наличию у обмотки внутреннего сопротивления (т.н. потери в меди).
Однако, если величина обратной ЭДС достаточно велика, а внутреннее сопротивление обмотки напротив незначительно, как это бывает у двигателей, предназначенных для работы в системах, требующих низкого времени реагирования на управляющие воздействия, вся не рассеянная энергия будет передана по цепи питания в контроллер двигателя Elmo Motion Control и далее в источник питания.
В режиме торможения механическая энергия нагрузки преобразуется в энергию регенерации. (Рис.1)
Как правило, контроллеры двигателей Elmo Motion Control защищены от подобных импульсов напряжения.
Благодаря архитектуре цепей питания, импульс обратного напряжение пройдет через контроллер Elmo насквозь, не вызывая сбоев в его работе и повреждений.
Однако, источник питания, снабжающий энергией тракт оси, приводом которой управляет контроллер Elmo, подобным свойством может не обладать.
Если не используется специализированный источник питания со встроенным шунт-регулятором, обратное напряжение вызовет резкое возрастание напряжения на выходных клеммах источника питания, что приведет к немедленному срабатыванию защиты и отключению источника. Это, в свою очередь, автоматически приведет к остановке всего тракта привода оси.
Если источник питания имеет встроенный шунт-регулятор, что встречается редко и стоит довольно дорого, сценарий развития событий напрямую зависит от правильности выбора номинала регулятора.
Если номинал достаточен, а импульсы обратного напряжения не приводят к кумулятивному эффекту – устройство рассеет импульс и продолжит работу.
Если импульс превысит пороговое значение, называемое «напряжение насыщения шунта», вновь сработает защита источника питания.
В любом случае, использование специализированных источников питания, с встроенными шунт-регуляторами, не особенно распространено из-за сравнительно небольшого ассортимента подобных устройств и их высокой стоимости.
Для защиты цепей питания чаще всего используются дополнительно устанавливаемые в разрыв цепи фирменные или разработанные самостоятельно шунтирующие резисторы и шунт-регуляторы.
В этом случае особенно существенны ограничения, приведенные вначале статьи, связанные с правильным расчетом сопротивления шунта.
В данном случае разработчику цепи питания имеет смысл задуматься о снижении сопротивления шунта и увеличении быстродействия системы (или минимизации задержки быстродействия), путем добавления в архитектуру защиты от обратного напряжения емкостных элементов.
Это позволит системе накапливать больше избыточного напряжения до достижения «порогового напряжения шунта» и включения шунта в работу.
Одновременно это снизит нагрузку на шунт (и его номинал) и объем генерируемого тепла.
Запасенная в магазине конденсаторов энергия может быть равномерно рассеяна через шунт на стадиях рабочего цикла, не связанных с генерацией импульсов обратного напряжения или, более того, использована в дальнейшем для рекуперации в цепи питания и снижения, таким образом, общего потребления энергии из внешних сетей.
Техническая поддержка
АВИ Солюшнс является официальным дистрибьютором компании Elmo Motion Control
Больше информации о продукции Elmo Motion Control можно найти на сайте нашей компании в разделе Контроллеры положения с расширенным функционалом.
Если необходима дополнительная консультация по продукции, наши технические специалисты помогут решить возникшие вопросы.
Вы можете отправить нам Запрос на подбор решения, воспользовавшись формой обратной связи на нашем сайте.
За подробной информацией обращайтесь к нашим специалистам:
по тел.: +7 (812) 703-00-66
или по электронной почте sales@avi-solutions.com