Freio Regenerativo em Eixos Acionados por Motor

Em máquinas de automação industrial, a frenagem regenerativa é uma técnica que emprega as estruturas existentes e a energia dos motores elétricos (e seus acionamentos), juntamente com subcomponentes dedicados a retardar, parar e re-acionar eixos. As técnicas de frenagem regenerativa proporcionam alternativas altamente controláveis e eficientes em termos energéticos (para não mencionar compactas) às embreagens de fricção e freios. Em resumo, o circuito envolvido na frenagem regenerativa converte a energia mecânica dinâmica do rotor giratório do motor e quaisquer cargas acopladas em energia elétrica. Este último é então alimentado de volta à linha de energia para outro uso ou dissipação.

Utilizada pela primeira vez em aplicações automotivas no início dos anos 1900 e em aplicações ferroviárias nos anos 1930, a recuperação da energia do motor foi primeiramente denominada regeneração com os primeiros veículos híbridos de passageiros - nos quais a energia de frenagem é carregada a bordo das baterias. As aplicações industriais de frenagem regenerativa (e variações de projeto) de hoje abundam.

Figura 1: Acionamentos multifuncionais VFD-EL operam motores AC com controle de corrente de alta precisão. Um barramento dc comum simplifica a instalação lado a lado e a maioria dos modelos de acionamentos VFD-EL podem ser conectados em gangues paralelas para compartilhar a energia de frenagem regenerativa. Isso, por sua vez, evita a sobretensão e estabiliza a tensão do barramento dc. (Fonte de imagem: Delta IA)

1. A frenagem dinâmica (às vezes chamada de frenagem por resistência regenerativa) é uma forma de uso de energia regenerativa - embora diferente do que é chamado de frenagem regenerativa verdadeira. Aqui o acionamento do sistema (também chamado de inversor para sua função definidora) dissipa a energia rotacional do rotor do motor através do desperdício de calor para frear totalmente o motor - e nada mais. Por exemplo, um eixo de movimento em uma máquina automatizada pode se desligar repentinamente enquanto seu motor elétrico está em funcionamento. Normalmente o atrito do sistema é baixo o suficiente para deixar a costa do rotor, que por definição está fora de controle. A brasagem continua até que a energia cinética seja gasta, o que pode levar bastante tempo - e representa um risco de danos à máquina ou ferimentos no pessoal nesse ínterim. A frenagem dinâmica resolve este problema, levando os motores a paradas mais rápidas através da conversão da energia cinética do rotor em energia elétrica. Esta última é realizada por resistências reguladas por tensão que, por sua vez, derramam a energia como calor.

Muitos acionamentos motorizados - especialmente servoamplificadores digitais - têm resistências incorporadas para tal dissipação de energia do dissipador de calor. Entretanto, se o eixo acionado pelo motor vir a energia regenerativa exceder a classificação combinada das resistências de acionamento, podem ser necessários bancos de resistências regenerativas externos. Isso é bastante típico em eixos que exibem grandes proporções de carga para a inércia motora.

Figura 2: Este servo drive MDDHT5540E inclui um resistor regenerativo integrado para permitir a frenagem regenerativa. A resistência regenerativa descarrega a energia (de parar uma carga disposta verticalmente ou de alta inércia) e devolve essa energia de volta ao acionamento. Os modelos das estruturas A, B, G e H desta série não contêm resistências regenerativas, portanto resistências regenerativas opcionais são recomendadas. A estrutura C para a estrutura F nesta série contém um resistor regenerativo integrado e a adição de um resistor regenerativo externo aumenta a capacidade de regeneração. (Fonte de imagem: Panasonic Industrial Automation Sales)

Quando um sistema de frenagem regenerativa emprega um resistor de frenagem externo adicional, este último geralmente se conecta entre os terminais de acionamento do motor; o software de ajuste do sistema pode então detectar e perfilar o resistor adicional e suas capacidades de dissipação de calor. Um formato de resistência comum é aquele com uma caixa de alumínio preenchida com material de alta condutividade térmica para uma rápida dissipação térmica. O rápido desprendimento de calor é especialmente importante para aplicações de frenagem contínua.

Figura 3: Este resistor de freio com caixa de alumínio BAB116025R0KE da série BA é adequado para aplicações de freio regenerativo de alta potência. É construído com fios enrolados em núcleos cerâmicos e isolamento em mica-placa para altas propriedades dielétricas. Um interruptor de corte térmico incorporado permite o uso do resistor em aplicações de segurança. (Fonte da imagem: Ohmite)

2. A frenagem regenerativa difere da frenagem dinâmica porque alimenta a energia elétrica gerada mecanicamente de volta para a fonte de alimentação principal ou para o barramento dc comum para manter a energia regenerativa:

• Reutilização na frenagem
• Reactuação do eixo travado
• Acionamento de outros eixos no sistema

Às vezes chamadas unidades regenerativas de linha, a maioria dos sistemas de frenagem regenerativa em automação industrial emprega transistores bipolares de porta isolada (IGBTs) para permitir o fluxo bidirecional de energia entre o motor e a fonte de energia, o que é impossível com pontes inversoras tradicionais que usam diodos. Observe que este uso de IGBTs contrasta com algumas das aplicações atuais de veículos elétricos baseados em unidades de tração. Leia mais sobre semicondutores de banda larga como o carboneto de silício (SiC) para tais unidades neste artigo do digikey.com sobre o tema. Em alguns casos, os dispositivos baseados em SiC podem converter a energia DC em energia AC trifásica para acionar o motor (e depois a energia de frenagem regenerativa de volta para DC para carregamento da bateria) com mais eficiência e densidade de energia do que os IGBTs e outros MOSFETs.

Como a frenagem regenerativa transforma a energia mecânica do motor-rotor em energia elétrica, ela efetivamente faz o motor trabalhar como um gerador no quadrante dois e quatro do plano de torque-velocidade de controle de movimento quando o torque e a rotação comandados estão em direções opostas. Este é o momento:

• O comando do eixo inverte-se e o rotor continua a girar brevemente na direção oposta
• A velocidade do rotor excede a saída de velocidade síncrona comandada pelo motor

Há advertências ao integrar a frenagem regenerativa em um projeto automatizado: A frenagem regenerativa pode retardar mas não parar e segurar cargas. Medida que o eixo se aproxima de uma parada completa, resta pouca energia para excitar o gerador (motor atuando como). Assim, sem algum freio adicional ou eletrônica, o resto da desaceleração para parar é feito através da costura. Além disso, há limites para a quantidade de energia que pode ser alimentada de volta aos capacitores dc-bus padrão antes de acionar uma falha de sobretensão. Assim, acionamentos regenerativos bem especificados devolvem uma quantidade suficiente à fonte de energia ac - ou fazem uso de ônibus comuns especialmente projetados. Como estes últimos convertem a energia de ac para dc apenas uma vez antes que a energia seja reutilizada por um acionamento, eles são particularmente eficientes.

Outra parte de um VFD que pode ser especialmente adaptada para a frenagem regenerativa inclui o retificador. As variações chamadas retificadores front-end ativos minimizam as harmônicas na corrente do sistema. Considere o front-end ativo da série AFE2000 da Delta Electronics que elimina as tradicionais resistências de frenagem convertendo o excesso de energia em energia reutilizável para voltar para a rede elétrica. Os front-ends AFE200 são projetados para uma ampla gama de aplicações para maximizar a eficiência energética. Este e outros acionamentos capazes de funções regenerativas também resolvem um amplo espectro de distorções harmônicas na corrente do sistema (especialmente a baixa potência) para, por sua vez, proteger a eletrônica próxima (como as de feedback de controle) da EMI.

3. A injeção de corrente dc para a frenagem do motor elétrico (em certos contextos simplesmente chamada de frenagem dc) inclui eletrônica de acionamento que coloca corrente dc em um ou dois enrolamentos de um motor ac. Não importa a variação exata, a maioria dos sistemas de injeção dc são acionados quando um relé ou outro controle desliga o campo magnético rotativo do motor. Depois, outro controle de relé ou de freio eletrônico (dentro do acionamento para VFDs) aciona o fornecimento de energia dc do ônibus dc do sistema para os enrolamentos do motor. Uma maior corrente induz mais força de frenagem ... embora estes componentes controlem a tensão aplicada e mantenham a corrente nos enrolamentos abaixo dos valores máximos do motor.

O resultado da injeção de dc é um campo eletromagnético não rotativo do estator que pára e mantém o rotor (e quaisquer cargas acopladas) no lugar.

Figura 4: Mostrado aqui é um relé de segurança em stop-motion Omron SR125SMS45 que rastreia quando motores conectados chegam a uma parada completa (detectando EMF de volta através dos terminais do motor) e depois abre as células de trabalho fechadas. O relé funciona com freios de injeção dc e outros controles eletrônicos do motor. (Fonte de imagem: Omron Automation and Safety)

O principal fator limitante da frenagem por injeção de dc é quanto calor induzido pela frenagem um motor e sua eletrônica associada pode dissipar sem sofrer danos térmicos. Isso restringe a magnitude e o tempo que a corrente de frenagem pode ser aplicada. Não é de se admirar que a frenagem por injeção dc seja raramente usada para segurar cargas ou servir como sistemas de frenagem à prova de falhas. Para evitar o superaquecimento em alguns sistemas de injeção de dc, os sensores de velocidade zero podem cortar a energia assim que estiver claro que o rotor parou de girar.

Escolha entre (e combinação) de frenagem regenerativa, frenagem por injeção de dc e frenagem dinâmica

A maioria dos projetistas pode alavancar a eficiência do poder regenerativo durante uma ou mais operações regulares. Entretanto, a frenagem regenerativa em máquinas automatizadas é mais útil em eixos motorizados específicos.

A frenagem dinâmica (baseada em resistências de frenagem econômicas) é mais adequada para eixos automatizados de baixo serviço que necessitem de frenagem ocasional ou reversões.

A frenagem regenerativa é adequada para eixos automatizados que necessitam:

• Paradas e partidas freqüentes
• Acionamento de cargas de revisão que fazem com que a rotação do rotor ultrapasse a velocidade do motor - como em elevadores e transportadores inclinados
• Aplicações de serviço contínuo (incluindo aquelas que requerem operação freqüente o suficiente para se qualificar como serviço constante)
• Sistemas para os quais a economia de energia pode justificar o custo inicial adicional de um acionamento regenerativo

Como explicado acima, a frenagem por injeção de dc pode ser aplicada sozinha. Entretanto, muitas vezes é mais comum que a frenagem por injeção dc seja combinada com a frenagem regenerativa ou dinâmica. Isso porque a frenagem por injeção dc assume a função de frenagem onde a frenagem regenerativa se afasta; quando o eixo se aproxima de sua parada e necessita de retenção. Arranjos de frenagem de sistema duplo como estes alavancam os pontos fortes de múltiplas tecnologias para uma verdadeira frenagem eletrônica de alto desempenho, apresentando pouco risco de superaquecimento.

Exemplos de aplicação de frenagem regenerativa

A frenagem regenerativa é uma abordagem útil para retardar e controlar uma série de cargas em movimento enquanto recuperam sua energia cinética para outro uso do sistema. O maior foco na eficiência energética levou os engenheiros de projeto a empregar a frenagem regenerativa onde as aplicações apresentam as melhores oportunidades de recuperação de energia potencial. Estes incluem projetos envolvendo:

• Eixos verticais para elevadores, guindastes e elevadores: Por exemplo, a descida de cargas elevadas sem contrapeso envolve a força da gravidade e o torque do motor para uma descida segura e controlada. É fundamental nestas situações que o sistema de frenagem funcione bem, mesmo que a força principal seja cortada. Caso contrário, a energia cinética não terá saída - e o eixo entrará em uma condição de queda livre ou de fuga. Em outros casos, um gerador de reserva ou de emergência (com suas próprias exigências de projeto) pode ser usado. Ao mudar para a energia do gerador, a maioria dos sistemas desabilita temporariamente as funções de recuperação de energia de seus acionamentos.
• Centrífugas giratórias, bancadas de teste e ventiladores: Muitos destes projetos são eixos de ciclo constante de produtos que necessitam das resistências externas de frenagem adicionais mencionadas anteriormente.
• Tensionamento e processamento da web: Aqui, motores de indução de ac (emparelhados com VFDs capazes de frenagem regenerativa) são comuns. Isso porque tal movimento projeta habilmente manusear eixos de alta velocidade de alta inércia de prensas de impressão bem como processamento de bobinas de papel e plástico.
• Aceleração e inversão rápida dos eixos: A frenagem regenerativa ajuda a tornar estes movimentos mais eficientes em transportadores avançados, serras e robótica pesada. Isso aumenta a eficácia da operação baseada em VFD combinando a velocidade e o torque do rotor com a demanda da aplicação e ajuda a parar rapidamente os eixos de alta rotação tão comuns em aplicações servo.

Figura 5: Os servoacionamentos da Panasonic combinam tecnologia avançada com uma ampla faixa de potência de 50 W a 5 kW. Os inversores podem suprimir vibrações em freqüências ressonantes e executar controle de pulso, analógico e baseado em rede a velocidades de até 100 Mbit/s. O software FPWIN Pro7 permite uma configuração completa, bem como a configuração da conectividade PLC. Os servoacionamentos aceitam a fixação de resistências de frenagem opcionais. (Fonte de imagem: Panasonic Industrial Automation Sales)

Conclusão

Compreender as diferenças entre a frenagem por injeção dc, a frenagem dinâmica e a frenagem regenerativa é fundamental para especificar a técnica apropriada para um determinado eixo. Também é útil na seleção de motores e acionamentos elétricos capazes de aceitar e fornecer controle de velocidade e torque através destes métodos. A frenagem dinâmica é tipicamente bastante adequada para eixos moderadamente exigentes que necessitam de alguma frenagem; em contraste, a frenagem regenerativa complementa eixos muito dinâmicos e funções críticas em máquinas automatizadas (e até mesmo servo). Os sistemas para injeção atual são mais comumente empregados em conjunto com estes outros métodos.