انرژی ترمز و احیای آن (Regenerative) با اینورتر AC

انرژی ترمز و انرژی احیاء کننده در درایوهای AC بخش اول

انرژی احیاء کننده (Regenerative) چیست؟

زمانی که یک موتور، سریعتر از سرعت مورد نظری که با درایو AC (سرعت متغیر) آن تنظیم شده، بگردش درآید، آنگاه موتور تحت این اثر Regenerative ، مانند یک ژنراتور عمل خواهد کرد. کنترل کابین آسانسور در زمانی که در حال پایین آمدن است، می تواند یک مثال از این موضوع  باشد. با کمک گرانش، بار بدون تردید پایین می آید. در واقع  درایو، عملا موتور را تنظیم می کند تا بار خود را نگه داشته و از سقوط آزاد جلوگیری کند. در این فرایند، ممکن است موتور سعی کند با سرعتی بیشتر از آنچه که درایو به آن امر کرده بود، بگردش درآید.

چرا احیای انرژی (Regenerative)؟

بر اساس قوانین اساسی فیزیک، نیاز است که انرژی تولید شده موتوری که عملکرد احیاء کنندگی (Regenerative) دارد، به جایی دیگر منتقل شود. در مورد یک اینورتر PWM AC، این جای دیگر می تواند برگشت به باس DC باشد (باس DC آن قسمتی از اینورتر، بعد از بخش یکسو کننده است که در آن قدرت DC جمع آوری شده و برای استفاده در بخش IGBT، ذخیره می شود).

این تولید خالص باعث افزایش ولتاژ باس می شود. با این حال، یکسوسازی قدرت AC به باس DC مانند یک خیابان یک طرفه است. به محض اینکه این انرژی به باس برسد، دیگر به هیچ وجه نمی تواند به خط ورودی AC برگردد. نتیجه نهایی، معمولا یک خطای باس بالا( تجاوز ولتاژ باس از مقدار حداکثر) می باشد. چنین درایوی نمی تواند از حرکت کنترل نشده جلوگیری کند، به طوری که در نبود یک ترمز نگهدارنده مکانیکی (ترمز اضطراری)، کابین آسانسور آزادانه سقوط خواهد کرد.

این شرایط (Regenerative) را در کجا می توان پیش بینی کرد؟

عملیات احیاء (Regenerative) در یک اینورتر/ موتور به کاربردهایی مانند نزول عمودی یک آسانسور محدود نمی شود. سناریوهای بسیاری وجود دارند که در آنها شرایط احیاء رخ می دهد.

•  سانتریفیوژها یکی از کاربردهایی هستند که بالاترین درصد برگشت انرژی (Regenerative) را دارند به طور مثال سانتریفیوژ های شکر کارخانه قند اصفهان یکی از تجربه های شیرین اینجانب است در پروژه فوق سیستم ریجنریتیو پرفکت هارمونی اینورتر سانترنو ایتالیا سری
• RGN-SINUS PENTA استفاده شده طبق گراف گرفته شده از خروجی نرم افزار ریموت درایو سیستم فوق بیش از 70% برگشت انرژی را به شبکه انتقال میدهد.

گراف Regenerative SINUS PENTA سانتریفیوژ شرکت قند اصفهان

• مسیر شیبدار برای توقف (و یا حتی کاهش به سطح پایین تری از سرعت) یک بار با اینرسی بالا مانند یک چرخ لنگر یا بازوی مکانیکی بزرگ.
• افت ناگهانی در گشتاور بار، مانند زمانی که یک اره صنعتی یک برش را کامل می کند و یا عملیات حفاری، کار بر روی یک محصول ماشینکاری شده را تکمیل می کند.
• عملیات نمایه سازی که بطور مکرر، به عنوان بخشی از روند طبیعی، سرعت را تسریع بخشیده و بمنظور توقف، از آن می کاهد،(accelerate then decelerate) همان طور که این عملیات در جابجایی مواد و خطوط  بسته بندی رخ می دهد.
• فرایندی که عملیات بازپیچاندن در آن دخالت دارد. درایو، موتور را برای اعمال تنش در برابر عملکرد برخی از محورهای درگیر در پایین دست، تنظیم می کند. اما به عملیات بازپیچاندن اجازه می دهد تا موادی که حمل می کردند را تحویل دهند.کندتر کردن حرکت چرخ دنده درگیر نسبت به چرخ دنده ای که در یک موقعیت کنترل نشده دیگر قرار دارد، چیزی است که همه این کاربردها در نیاز به آن مشترک هستند.
• پرس های ضربه ای ماننده پرس برک ورق یا پرس ترموفرمینگ تولید ظروف یکبار مصرف.

ملاحظات اضافی

آیا می خواهید یک درایو فرکانس متغیر (inverter) جدید انتخاب کنید؟

خرید اینورتر و انتخاب اینورتر (inverter) یا کنترل کننده موتور ایده آل (بی نقص) می تواند کاری نسبتاً رعب آور باشد به دلیل اینکه برای هر کاربرد و سیستم خاص متغیرهای بسیاری در امر انتخاب دخیل هستند. با این حال ذیلاً برخی نکات کلیدی و توصیه های مفید برای کمک به شما در انتخاب درایو مناسب ارائه شده است.

امید است پیچیدگی های انتخاب ساده تر گردد به گونه ای که بتوانید نیازمندیهای کاربرد مورد نظرتان را بیابید.

برای تکمیل اطلاعات خود در زمینه خرید اینورتر و انتخاب اینورتر توصیه میشود مقاله فوق را مطالعه نمایید:

 سریع ترین روش انتخاب و خرید اینورتر و الکتروموتور در Electromarket

قرار گرفتن در شرایط احیاء سازی (Regenerative)، به طور خودکار به این معنا نیست که ترمز خارجی مورد نیاز است.

در برخی  موارد، درجه تولید انرژی احیا کننده (Regenerative) کوچک است، و بدون ایجاد وقفه در عملیات به راحتی در باس DC جذب میشود.

این می تواند به دلیل ترکیبی از وجود زمان های طولانی چرخه کاهش سرعت، تغییرات کوچک در سرعت و یا نیروهای اصطکاک باشد که این انرژی را جذب می کنند.

به طور معمول، یک درایو که با قدرت ورودی 460 VAC کار می کند، دارای یک ولتاژ باس طبیعی یا اسمی  DC 650 بوده و طوری طراحی شده است که بتواند قبل از افتادن در خطای باس بالا، تا 800 VDC را تحمل کند. گاهی اوقات، میزان انرژی تولید شده  مانع از این می شود که ولتاژ باس تا این سطوح افزایش یابد.

چگونه میشود مقدار انرژی احیاء کننده (Regenerative) را محاسبه کرد و آن را به کاربرد؟

پیش بینی کاربردهای انرژی احیاء کننده (Regenerative)، می تواند از محاسباتی که در مراحل زیر مورد بحث قرار گرفته است، تعیین شود. این استراتژی، انرژی احیاء کننده (Regenerative) را از نظر میزان اسب بخار محاسبه کرده و سپس آن را با رتبه اسب بخار درایو مقایسه می کند.

اگر <= 0.1 (HP   درایو HP /احیاء سازی)، آنگاه ارزیابی ها و یا تجهیزات خارجی، برای کنترل انرژی احیاء کننده لازم نخواهد بود.

اگر محاسبات نشان دهنده نیاز به اعمال یک ترمز یا واحد احیاء کننده (Regenerative) باشند، آنگاه، محاسبات بمنظور تعیین مقدار نیروی برق و آمپر انجام خواهد شد تا بتوان آن را در برابر رتبه بندی هر واحدی که انتخاب شده است، مورد مقایسه قرار داد.

1.تعیین مشخصات چرخه سرعت در کاربرد مورد نظر.

N1 = حداقل سرعت

N2 = حداکثر سرعت

T1 = مجموع زمان چرخه

T2 = زمان کاهش سرعت

2. محاسبه کردن یا به دست آوردن داده های سیستم اینرسی

در حالی که اینرسی روتور موتور (ارائه شده توسط تولید کننده)، به راحتی در دسترس می باشد ، بدست آوردن اطلاعات اینرسی بار می تواند بسیار دشوار باشد. در صورت فقدان اطلاعات مشتری ، برنامه های کامپیوتری بسیاری وجود دارند که می توانند اینرسی را بر اساس پیکربندی بار محاسبه کنند. این اطلاعات، برای هر تخمین منطقی از الزامات انرژی احیاء کننده درایو حیاتی می باشند.

سیستم اینرسی = ( WK²s = WK²m + (WK²L / GR²) که در آن:

WK²s = اینرسی کل سیستم

WK²m = اینرسی بخش چرخنده موتور

WK²L = اینرسی چرخ دنده

GR = ضریب دنده، مانند نسبت {دور موتور به دور چرخ دنده درگیر} تعریف می شود.

3.محاسبه میزان احیاء سازی (Regenerative) یا گشتاور ترمز مورد نیاز برای کاستن سرعت بار با اطلاعات به دست آمده از فرمول زیر انجام می شود:

که در آن:

TR = گشتاور ترمز در فوت- پوند.

TF= گشتاور اصطکاک

5.ارزش HP احیاء شده، با رتبه درایو مقایسه می شود تا تعیین شود که آیا تجهیزات ترمز خارجی مورد نیاز است یا نه.

اگر رابطه زیر برقرار باشد، آنگاه تجهیزات ترمز خارجی مورد نیاز است:

If (HPregen/ HPdrive)*100 >10%

اگر نیاز به یک دستگاه مقاومت ترمز احیاء کننده (واحد احیاء) از مرحله 5 تایید شده باشد، آنگاه واحد باید به درستی اندازه بندی شود.

اگر تجهیزات مورد نظر، الزامات برنامه را تامین کنند، سه معیار به تعیین اندازه ها کمک می کند: متوسط برق تولید شده، مقدار پیک قدرت و پیک شدت جریان احیاء سازی.

1. میانگین تولید برق از طریق فرمول ارائه شده زیر تعیین می شود که در آن، کاهش سرعت خطی است.

برای کاهش سرعت در حالت غیر خطی، لازم است منحنی سرعت در طول زمان کاهش سرعت، ادغام شده و یکپارچه شود.

این رابطه یک رتبه بندی مستمر و مداوم را برای اندازه بندی واحدهای ترمز (مقاومت ترمز) ارائه می دهد.

2. پیک یا مقدارحداکثر احیاء سازی.

باید کمتر از رتبه پیک واحد احیاء سازی باشد. این به سادگی نتیجه حاصل از مرحله 4 است که در بالا ارائه شده. این مقدار را با رتبه ای که توسط تولید کننده ترمز ارائه شده است، مقایسه کنید.

3.جریان احیاء کننده باید برای مقایسه شدن با رتبه جریان واحد احیاء سازی محاسبه شود.

جریان احیاء کننده نباید از مقدار ظرفیت مجاز آمپر در واحد ترمز مورد نظر، تجاوز کند. این ارزیابی به سادگی و با در نظر گرفتن نتیجه مرحله 4 در بالا و بکارگیری هرکدام از فورمول ها برای یک حساب سر انگشتی، انجام می شود.

برای درایو 460 VAC   Iregen = 1.2 * Hpregen

برای درایو  230 VAC  Iregen = 2.4 * Hpregen

[quote author=”” animation_delay=”0″ animate=”” ]برای ولتاژهای دیگر، ثابت عددی می تواند از طریق نسبت ها درون یابی تعیین شود[/quote]

الکترومارکت (تامین کنندگان پیشرو اتوماسیون صنعتی) طیف گسترده ای از مقاومت های ترمز را ارائه می دهد، اعم از مقاومت های اسنابر ساده تا واحدهای یکسوسازهمزمان احیاء کننده Regenerative سانترنو ایتالیا با 3 سال گارانتی تعویض، که می توانند در حالی که در باس  DC مشترک هستند،  با درایوهای مختلف همراه باشند. برای کسب اطلاعات بیشتر در این مورد، با بخش فروش الکترومارکت تماس بگیرید.

مثال 1- الف

یک میز شاخص گذاری شده(indexing)، در هر ثانیه به اندازه ی 60 درجه چرخش دارد، آن هم در حالی که بخشهای آن بتدریج ماشین کاری شده است. مشخصات حرکت در نمودار زیر نشان داده شده. پارامترهای عملیاتی خاص در اینجا لیست شده است. زمان ساکن بودن یا توقف = 0.25 ثانیه.

وزن میز (بار) = 500 پوند.

گشتاور اصطکاک = 40 اینچ- پوند.

نسبت دور موتور به دنده =  1: 60

قطر میز =  36 اینچ

یک برنامه اندازه بندی تعیین شده است که بنابر آن، یک ترکیب از مقدار 1½HP موتور/ درایو، نیاز بار را تامین خواهند کرد. این پارامتر ها بشرح زیر است:

حداکثر سرعت موتور = 1600 دور در دقیقه

رتبه گشتاور موتور طراحی نوع B = 4.38 فوت- پوند

اسب بخار موتور HP = ½1

اینرسی روتور موتور ( ارائه شده از تولید کننده) = 0.0938 پوند- فوت مربع.

اینرسی بار = 563 پوند- فوت مربع.

ورودی AC = 230 ولت

راه حل مسئله:

اعمال فرمول ها و روش های ذکر شده در بالا:

1. در مشخصات عنوان شده:

N2 = 1600 دور در دقیقه

N1 = 0 دور در دقیقه

T2 = 0.375 ثانیه.

T1 = 1 ثانیه.

2. اینرسی کل سیستم: WK²s = 0.0938 + 563/(60*60) =( 0.0938 + 0.1563 ) = 0.250 lb-ft²
3. گشتاور ترمز یا احیاء سازی : T_deceleration = (0.250 lb-ft² * 1600 RPM) / (308 * 0.375 sec) = 3.46 ft-lbs

گشتاور اصطکاک منعکس شده به موتور =      T_f = [40 in-lb/12(in/ft) / (60*.9 (gear ratio))] = 0.06 ft-lbs

TR = Tdecel – Tf = 3.46 – .06 = 3.4 ft-lb

4. میزان اسب بخار احیاء سازی یا ترمز در مقدار حداکثر سرعت خود: HPregen = (3.40 ft-lbs * 1600RPM)/ 5250 = 1.04 HP

از آنجایی که این مقدار، 70٪ از رتبه اسب بخار درایو یا موتور را شامل می شود، استفاده از تجهیزات ترمز خارجی در اینجا مورد نیاز خواهد بود.

تکمیل محاسبات  بمنظور اندازه بندی مناسب و کافی یک وسیله خارجی:

میانگین برق تولید شده در هر سیکل =

[3.40 ft-lbs. * (1600 + 0) RPM /2]  / 5250* (.375sec)/1 sec =

0.197HP * 746 Watts /HP @ 150watts or 0.15 KW

میزان احیاء سازی (Regenerative) در سرعت حداکثر برابر است با:  1.04  اسب بخار ( = 780 وات)، بنابراین در ورودی 230 VAC، جریان پیک در طول احیاء سازی برابر با  1.04* 2.4 = 2.50 آمپر خواهد بود.

هر واحد مقاومتی با رتبه بندی حداقل 2.52 آمپر،780 وات ورودی و یک رتبه دائمی حداقل 150 واتی کار خواهد کرد.

مثال 1- ب

اجازه دهید تا از روند مشابه بالا استفاده کنیم، اما میزان افزایش سرعت، کاهش سرعت و زمان توقف را دو برابر کنیم. روش بالا بطور مشابه بکار گرفته می شود:

1. در مشخصاتی که جدیدا ارائه شده:

N2 = 800 دور در دقیقه

N1 = 0 دور در دقیقه

T2 = 0.75 ثانیه.

T1 = 2 ثانیه.

2. اینرسی کل سیستم: WK²s = 0.0938 + 563/(60*60) = (0.0938 + 0.1563) = 0.250 lb-ft²
3. گشتاور ترمز یا احیاء سازی : TR = (0.250 lb-ft² * 800 RPM) / (308 * 0.7 5 sec) – .06ft-lbs. (Tf from above) = 0.805 ft-lbs

4. میزان اسب بخار احیاء سازی یا ترمز در مقدار حداکثر سرعت خود: HPregen = (0.805 ft-lbs. * 800RPM)/ 5250 = .122HP

از آنجایی که این مقدار، تقریبا  8 ٪  رتبه اسب بخار درایو یا موتور را شامل می شود،

استفاده از تجهیزات ترمز خارجی در این برنامه مورد نیاز نخواهد بود.

در این مورد، درایو باید قادر باشد که هر انرژی احیاء کننده ای که تولید می شود را جذب کند.

در بالا، نقش کلیدی که زمان چرخه ( مدت زمان سیکل)  بازی می کند، ارائه شده است.

نشان می دهد که تعریف آن برای آنالیز صحیح انرژی احیاء کننده حیاتی است.

مثال 2

فرآیند قالب بندی کردن و به شکل گلوله ای در آوردن مواد، نیاز به یک عملیات انباشته سازی دارد، یعنی جایی که درآن، پالتها (مواد گلوله شده) با موفقیت بطور ستونی، روی سر یکدیگر انباشته شوند.

مشخصا، یک دستگاه پلت فرم، یک پالت دریافت می کند، فاصله ثابت را کاهش می دهد (12 اینچ در این مورد)، و پالت بعدی بر روی قبلی می لغزد و جای می گیرد.

این فرایند تا زمانی که 10 پالت  روی هم چیده شوند، تکرار می شود. این توده، با جراثقال چنگک دار انتقال داده می شود و پلت فرم خالی به مکان اول برده می شود تا بتواند اولین پالت از توده بعدی را دریافت کند. این توالی به این صورت تکرار می شود. وزن هر پالت 200 پوند است و وزن پلت فرم خالی 500 پوند است.

اطلاعات دیگر:

1 ثانیه زمان لازم برای هر کدام از حرکت های 12 اینچی،  0.5 ثانیه برای افزایش سرعت، 0.5 ثانیه  برای کاهش سرعت و دوره مربوط به توقف یا مکث 1 ثانیه است.

یک چرخ دنده ی محرک با شعاع 2 اینچ، پلت فرم را می راند.

علاوه بر این، چرخ دنده در موتور با نسبت 14.4 به 1 و راندمان 90٪  طراحی و تنظیم شده است.

اصطکاک بار 50 پوند است.

بنابر محاسبه ای که با برنامه اندازه بندی انجام شد،

یک ترکیب از مقدار 1½HP موتور/ درایو، عملکرد دستگاه را تامین خواهد کرد.

این پارامترها به شرح زیر است:

حداکثر سرعت موتور = 1650 دور در دقیقه

رتبه گشتاور موتور (طراحی نوع (B = 43 فوت- پوند

اسب بخار موتور = 15

اینرسی روتور موتور ( از تولید کننده) = 1.374 پوند- فوت مربع.

اینرسی بار = 63.9 پوند- فوت مربع.

ورودی AC = 460 ولت

راه حل:

این برنامه نیاز به تجزیه و تحلیل دقیق تری نسبت به مثال قبلی دارد.

علاوه بر اینرسی بار، گرانش نیز یک عامل اصلی در این تجزیه و تحلیل است.

سخت ترین حالت زمانی است که تعداد نه پالت بر روی پلت فرم وجود دارند و سرعت برای دریافت پالت 10 ام  کاهش می یابد. وزن کل در آن زمان معادل است با:

500lbs. (platform) + 9*200 lbs. (pallets) = 2300 lbs

نیروی اضافی گرانش باید با گشتاور عادی افزایشی و گشتاور عادی کاهشی جمع شود. (به عنوان مثال، به فرق بین هل دادن یک گاری حاوی وزن 200 پوند و مقایسه آن با بلند کردن آن گاری از زمین، فکر کنید. یا اینکه بهتر است به تفاوت بین توقف گاری در حال حرکت و مقایسه آن با شرایطی که بخواهید از سقوط آزاد گاری جلوگیری شود فکر کنید).

1) محاسبه گشتاور خارجی خالص در چرخ دنده محرک.

گشتاور خارجی خالص = (نیروی اصطکاک – نیروی جاذبه) * شعاع چرخ دنده = (2300-50) lbs * 2 inch = 4500 inch – lbs = 375 ft – lbs.

گشتاور منعکس شده در شفت موتور= 375 (فوت- پوند) / 14.4 (ضریب دنده) / 0.9 (بهره وری) = 28.9 فوت- پوند

2) اینرسی کل سیستم =    WK²s = 63.9 + 1.374 / (14.4 * 14.4) = (1.374 + 0.308) = 1.682 lb-FT²

3) با توجه به اینکه این نیرو، هم در طی شتاب افزایشی و هم شتاب کاهشی تحت اثر قرار می گیرد،

هر دوی این حالات حرکتی باید برای الزامات احیاء سازی (Regenerative)، ارزیابی شده و با هم ترکیب شوند.
الف)

=[(1.682 lb-ft² * 1650 RPM)/(308 * 0.5 sec)] – 28.9 ft-lb = – 10.8 ft-lb

چون مقدار بدست آمده منفی است، احیاء سازی (Regenerative) در طی افزایش سرعت رخ می دهد.

ب)  گشتاور خارجی خالص

توجه داشته باشید که گشتاور افزایشی و کاهشی در جهات مخالف هم کار می کنند.

به طوری که گشتاور خارجی بر میزان گشتاور کاهشی می افزاید و در خلاف جهت گشتاور افزایشی حرکت می کند.

=[(1.682 lb-ft² * 1650 RPM)/(308 * 0.5 sec)] + 28.9 ft-lb = 46.9 ft-lb

5) میزان قدرت اسب بخار احیاء سازی (Regenerative) یا ترمز در سرعت حداکثر برابر است با:

این تقریبا رتبه ای مشابه با رتبه اسب بخار درایو یا موتور است.

6) برای تکمیل مشخصات در یک واحد ترمز،

حداکثر رتبه احیاء سازی =

رتبه جریان > = 14.47 * 1.2 = 17.5 آمپر

رتبه توان پیوسته =

توجه داشته باشید که این حالت افراطی، هر بار در سیکل 9 ام اتفاق می افتد.

یعنی پس از آنکه هر بار، مقدار 200 پوند بطور مرتب و تدریجی به وزن اضافه شد.

بازاریابی درایوهای اتکای استاندارد برای ارزیابی برنامه های کاربردی شما بمنظور پیشنهاد راه حلی مناسب برای ترمز احیا کننده (Regenerative) ارائه شده است.

 3- توجه داشته باشید که گشتاور افزایشی و کاهشی در جهات مخالف هم کار می کنند، به طوری که گشتاور خارجی بر میزان گشتاور کاهشی می افزاید و در خلاف جهت  گشتاور افزایشی حرکت می کند.