在工業(yè)自動(dòng)化機(jī)械中，再生制動(dòng)是一種利用電機(jī)（及其驅(qū)動(dòng)器）的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)和能量以及專用子組件來(lái)減慢、停止和重新驅(qū)動(dòng)電機(jī)軸的技術(shù)。再生制動(dòng)技術(shù)為摩擦離合器和制動(dòng)器提供了高度可控和效率較高（且不說(shuō)結(jié)構(gòu)緊湊）的替代品。簡(jiǎn)而言之，與再生制動(dòng)有關(guān)的電路會(huì)將電機(jī)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子和任何附加負(fù)載的動(dòng)態(tài)機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。接著電能被回饋到電力線路中，用于其他用途或耗散。 電機(jī)能量回收最初在 1900 年代初期應(yīng)用于汽車，之后在 1930 年代應(yīng)用于鐵路，隨著第一款混動(dòng)客車（該車使用制動(dòng)能量為車載電池充電）的問(wèn)世而首次使用再生一詞。如今，再生制動(dòng)行業(yè)應(yīng)用（和設(shè)計(jì)變型）隨處可見(jiàn)。 1.動(dòng)態(tài)制動(dòng)（有時(shí)稱為再生電阻器制動(dòng)）是一種再生能量利用形式，但與所謂的真正再生制動(dòng)不同。在這種形式中，系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)器（因其定義功能也稱為逆變器）通過(guò)廢熱形式來(lái)耗散電機(jī)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)動(dòng)能，從而使電機(jī)完全制動(dòng)，僅此而已。例如，自動(dòng)化機(jī)械上的運(yùn)動(dòng)軸可能會(huì)在其電機(jī)運(yùn)行時(shí)突然關(guān)閉。通常系統(tǒng)摩擦力低到足以讓轉(zhuǎn)子慣性滑行，很明顯這就是失控。慣性滑行會(huì)一直持續(xù)至動(dòng)能耗盡，這可能需要相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間，同時(shí)還會(huì)帶來(lái)機(jī)器損壞或人員受傷的風(fēng)險(xiǎn)。動(dòng)態(tài)制動(dòng)通過(guò)將轉(zhuǎn)子動(dòng)能轉(zhuǎn)換為電能，讓電機(jī)更快地停止，從而解決了這一問(wèn)題。這一轉(zhuǎn)換過(guò)程由調(diào)壓式電阻器執(zhí)行，通過(guò)該電阻器將能量以熱量的形式散發(fā)出去。 許多電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，尤其是數(shù)字伺服放大器，都具有內(nèi)置電阻器，用于此類散熱式能量耗散。但是，如果電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸的再生能量超過(guò)了驅(qū)動(dòng)電阻器的組合額定值，則可能需要外接再生電阻器組。這在負(fù)載電機(jī)慣量比較大的軸上相當(dāng)?shù)湫汀? 當(dāng)再生制動(dòng)系統(tǒng)采用外部附加的制動(dòng)電阻器時(shí)，該電阻器通常連接在電機(jī)驅(qū)動(dòng)的端子之間；然后，系統(tǒng)調(diào)整軟件可以檢測(cè)并分析附加電阻器及其散熱能力。常見(jiàn)的電阻器形式是在鋁外殼中填充高導(dǎo)熱率材料，以便快速散熱?？焖偕釋?duì)于連續(xù)制動(dòng)應(yīng)用尤為重要。 2.再生制動(dòng)與動(dòng)態(tài)制動(dòng)的不同之處在于，前者將機(jī)械產(chǎn)生的電能反饋到主電源或共用直流母線，以保留再生能量用于： 再次用于制動(dòng) 被制動(dòng)軸的再驅(qū)動(dòng) 為系統(tǒng)上的其他軸供電 工業(yè)自動(dòng)化中的再生制動(dòng)系統(tǒng)有時(shí)被稱為線路再生單元，這些系統(tǒng)大多數(shù)采用絕緣柵雙極晶體管 (IGBT)，允許電機(jī)與電源之間的雙向動(dòng)力流動(dòng)——這是使用二極管的傳統(tǒng)逆變器橋無(wú)法做到的。請(qǐng)注意，這種 IGBT 的使用與當(dāng)今一些基于牽引驅(qū)動(dòng)器的電動(dòng)車輛應(yīng)用形成了對(duì)比。如需了解關(guān)于此類驅(qū)動(dòng)器所用寬帶隙半導(dǎo)體（如碳化硅 (SiC)）的更多信息，請(qǐng)閱讀有關(guān)該主題的 digikey.com 文章。在某些情況下，基于 SiC 的器件可以將直流電轉(zhuǎn)換為三相交流電以驅(qū)動(dòng)電機(jī)（然后將再生制動(dòng)能量反饋回直流電為電池充電），其效率和功率密度比 IGBT 和其他 MOSFET 更高。 由于再生制動(dòng)將電機(jī)轉(zhuǎn)子的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，因此，當(dāng)指令扭矩和旋轉(zhuǎn)方向相反時(shí)，它能有效地使電機(jī)作為發(fā)電機(jī)在運(yùn)動(dòng)-控制速度-扭矩平面的第二象限和第四象限工作。這發(fā)生在以下時(shí)刻： 軸指令反轉(zhuǎn)，轉(zhuǎn)子短暫地繼續(xù)朝相反方向轉(zhuǎn)動(dòng) 轉(zhuǎn)子速度超過(guò)電機(jī)的指令同步速度輸出 將再生制動(dòng)集成到自動(dòng)化設(shè)計(jì)中時(shí)需要注意以下事項(xiàng)：再生制動(dòng)可以讓負(fù)載減速，但不能停止和保持負(fù)載。當(dāng)軸接近完全停止時(shí)，幾乎沒(méi)有剩余的能量來(lái)激勵(lì)充當(dāng)發(fā)電機(jī)的電機(jī)。因此，在沒(méi)有額外的制動(dòng)或電子裝置的情況下，接下來(lái)只能通過(guò)慣性滑行來(lái)減速，直至完全停止。此外，在觸發(fā)過(guò)壓故障之前，能回饋到標(biāo)準(zhǔn)直流母線電容器的能量也是有限的。因此，規(guī)格合適的再生驅(qū)動(dòng)器會(huì)將足夠能量返回到交流電源，或利用專門設(shè)計(jì)的通用母線。由于后者只將交流電轉(zhuǎn)換為直流電一次，之后能量就會(huì)被驅(qū)動(dòng)器再利用，因此效率特別高。 可以針對(duì)再生制動(dòng)量身定做的 VFD 的另一部分包括整流器。稱為有源前端整流器的變體可將系統(tǒng)電流上的諧波降至最低。讓我們了解一下 Delta Electronics 的 AFE2000 系列有源前端，它通過(guò)將多余的能量轉(zhuǎn)換成可重復(fù)使用的電力返回到主電源，從而擯棄了傳統(tǒng)的制動(dòng)電阻器。AFE200 前端針對(duì)廣泛的應(yīng)用而設(shè)計(jì)，可以最大限度地提高能效。這種驅(qū)動(dòng)器和其他具有再生功能的驅(qū)動(dòng)器還能解決系統(tǒng)電流上的一系列諧波失真（特別是在低功率時(shí)），從而避免附近的電子器件（如用于控制反饋的電子器件）受到電磁干擾。 3.直流注入也可用于實(shí)現(xiàn)電機(jī)制動(dòng)（在某些情況下，簡(jiǎn)稱為直流制動(dòng)），該技術(shù)包括將直流電流加到一兩個(gè)交流電機(jī)繞組上的驅(qū)動(dòng)電子裝置上。無(wú)論確切發(fā)生怎樣的變化，當(dāng)繼電器或其他控制開關(guān)關(guān)閉電機(jī)旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)時(shí)，大多數(shù)直流注入系統(tǒng)都會(huì)被觸發(fā)進(jìn)入動(dòng)作狀態(tài)。然后，另一個(gè)繼電器或電子制動(dòng)控制裝置（在 VFD 的驅(qū)動(dòng)器內(nèi)）會(huì)觸發(fā)系統(tǒng)直流母線向電機(jī)繞組提供直流電。更大的電流會(huì)產(chǎn)生更大的制動(dòng)力……雖然這些組件會(huì)控制施加的電壓，并讓進(jìn)入繞組的電流保持低于電機(jī)的最大額定值。 直流注入導(dǎo)致定子產(chǎn)生非旋轉(zhuǎn)電磁場(chǎng)，進(jìn)而使轉(zhuǎn)子（和任何連接的負(fù)載）停轉(zhuǎn)并保持原位。 直流注入制動(dòng)的主要限制因素是電機(jī)及其相關(guān)電子元件能在不受熱損傷的情況下消散多少制動(dòng)產(chǎn)生的熱量。這會(huì)限制可施加的制動(dòng)電流的大小和時(shí)長(zhǎng)。因此，直流注入制動(dòng)很少用于保持負(fù)載或用作故障安全制動(dòng)系統(tǒng)就不足為奇了。為了防止某些直流注入系統(tǒng)發(fā)生過(guò)熱，零速傳感器可以在確認(rèn)轉(zhuǎn)子停止轉(zhuǎn)動(dòng)后立即切斷電源。 在再生制動(dòng)、直流注入制動(dòng)和動(dòng)態(tài)制動(dòng)之間進(jìn)行選擇（及三者的組合） 大多數(shù)設(shè)計(jì)人員能夠在一項(xiàng)或多項(xiàng)常規(guī)操作中利用再生電能的效率。然而，在自動(dòng)化機(jī)械中對(duì)特定的電機(jī)驅(qū)動(dòng)軸使用再生制動(dòng)最有用。 動(dòng)態(tài)制動(dòng)（基于高性價(jià)比制動(dòng)電阻器）最適合需要偶爾制動(dòng)或反轉(zhuǎn)的輕載自動(dòng)軸。 再生制動(dòng)適合有以下需要的自動(dòng)軸： 頻繁啟停 驅(qū)動(dòng)導(dǎo)致轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速超過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)速的被動(dòng)拖曳型負(fù)載，如電梯和傾斜輸送機(jī)上 連續(xù)工作應(yīng)用（包括需要足夠頻繁操作才稱得上持續(xù)工作的應(yīng)用） 節(jié)省的能源可以彌補(bǔ)再生驅(qū)動(dòng)器額外前期成本的系統(tǒng) 如上所述，直流注入制動(dòng)可以單獨(dú)應(yīng)用。但是，直流注入制動(dòng)與再生或動(dòng)態(tài)制動(dòng)結(jié)合使用的情況通常更為常見(jiàn)。這是因?yàn)楫?dāng)軸接近停止且需要保持原位時(shí)，直流注入制動(dòng)需要在再生制動(dòng)逐漸失效時(shí)發(fā)揮制動(dòng)功能。類似這樣的雙系統(tǒng)制動(dòng)方案利用了多種技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了真正的高性能電子制動(dòng)，且?guī)缀鯖](méi)有過(guò)熱的風(fēng)險(xiǎn)。 再生制動(dòng)應(yīng)用實(shí)例 再生制動(dòng)是一種有用的方法，可以減慢和控制一系列運(yùn)動(dòng)負(fù)載，同時(shí)回收其動(dòng)能用于其他系統(tǒng)用途。人們對(duì)能量效率日益重視，促使設(shè)計(jì)工程師在勢(shì)能回收機(jī)會(huì)最佳的應(yīng)用中采用再生制動(dòng)。其中包括涉及以下方面的設(shè)計(jì)： 升降機(jī)、起重機(jī)和電梯的垂直軸：例如，若在沒(méi)有配重的情況下降低吊裝負(fù)載，需要借助重力和電機(jī)扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)安全和可控的下降。在這種情況下，即使主電源被切斷，制動(dòng)系統(tǒng)也要能正常工作，這很關(guān)鍵。否則，動(dòng)能將無(wú)處釋放，而軸將進(jìn)入自由落體或失控狀態(tài)。在其他情況下，可以使用備用或應(yīng)急發(fā)電機(jī)（具有其自身的設(shè)計(jì)要求）。當(dāng)切換到發(fā)電機(jī)供電時(shí)，大多數(shù)系統(tǒng)會(huì)暫時(shí)禁用驅(qū)動(dòng)器的能量回收功能。 旋轉(zhuǎn)離心機(jī)、試驗(yàn)臺(tái)和風(fēng)扇：在許多此類設(shè)計(jì)中，軸的占空比是恒定的，需要外接前文提到的附加制動(dòng)電阻器。 卷材拉緊和卷材處理：在此領(lǐng)域，交流感應(yīng)電機(jī)（與能夠再生制動(dòng)的 VFD 搭配）很常見(jiàn)。這是因?yàn)檫@種運(yùn)動(dòng)設(shè)計(jì)可以巧妙地處理印刷機(jī)的高速高慣量軸，以及紙張和塑料卷軸處理。 快速加速和反轉(zhuǎn)軸：在高級(jí)輸送機(jī)、鋸機(jī)和重型機(jī)器人上，再生制動(dòng)有助于提高這些運(yùn)動(dòng)的效率。這可以提高基于 VFD 的操作的效力，使轉(zhuǎn)子速度和扭矩符合應(yīng)用需求，并有助于快速停止伺服應(yīng)用中常見(jiàn)的高轉(zhuǎn)速軸。 總結(jié) 了解直流注入制動(dòng)、動(dòng)態(tài)制動(dòng)和再生制動(dòng)之間的差異是關(guān)鍵，這有助于為既定軸指定適當(dāng)?shù)募夹g(shù)，也有助于選擇到能夠接受并通過(guò)這些方法提供速度和扭矩控制的電機(jī)和驅(qū)動(dòng)器。通常，動(dòng)態(tài)制動(dòng)非常適合于需要一些制動(dòng)的中等要求軸；相比之下，再生制動(dòng)可對(duì)非常動(dòng)態(tài)的軸和自動(dòng)化（甚至伺服）機(jī)械上的關(guān)鍵功能進(jìn)行補(bǔ)充。電流注入系統(tǒng)則最常與這些其他方法結(jié)合起來(lái)使用。