Hamowanie silników elektrycznych

Rozruch, praca, hamowanie, to najważniejsze etapy pracy silnika. Jesteś technikiem UR – utrzymania ruchu a może elektrykiem i chcesz poszerzyć swoją wiedzę? Czym jest, na czym polega oraz jak „to zrobić”, a także czym charakteryzują się poszczególne sposoby hamowania?

Tego dowiesz się po przeczytaniu tego artykułu.

Na początek, zalecam zapoznać się z pojęciami, które będą często padały w poniższym artykule:

• Moment obrotowy
• Poślizg
• Prędkość obrotowa

Zacznijmy od tego, czym jest samo hamowanie elektryczne

Hamowanie elektryczne silnika elektrycznego polega na wymuszeniu takiego stanu pracy, podczas którego moment elektromagnetyczny silnika jest skierowany przeciwnie do kierunku prędkości kątowej wirnika. W przemyśle wiele aplikacji wymaga hamowania ze względu na proces technologiczny. Jest wiele rodzajów silników tak jak wiele sposobów hamowania. Nie mówimy tu tylko o całkowitym zatrzymaniu silnika, a także o zmniejszeniu prędkości obrotowej. Hamować możemy silnik dowolnej mocy od 0,5kW do kilku MW.

Jakie korzyści daje hamowanie silnika:

• wyeliminowanie przerw czasowych spowodowanych przez wolny wybieg silnika,
• skrócenie drogi wybiegu silnika,
• częściowy zwrot energii do sieci (hamowanie prądnicowe),
• zwiększenie bezpieczeństwa obsługi maszyny,
• zatrzymanie maszyny w konkretnym położeniu.

Kiedy nie musimy hamować silnika?

Najczęściej silniki małej mocy (odkurzacz, pompa głębinowa, wentylator) nie są wyposażone w hamulec, ponieważ ich aplikacja tego nie wymaga i są one zatrzymywane w sposób naturalny- poprzez tarcie i opory ruchu. Silniki takie również można hamować wszystkimi sposobami, pytanie tylko po co? Silnik można hamować poprzez wolny wybieg, kiedy napęd nie stwarza zagrożenia dla personelu obsługującego go.

Nowoczesne urządzenia jak falowniki i przemienniki częstotliwości często mają wbudowaną fabrycznie opcję hamowania wyzwalanego przyciskiem. Co to oznacza?

Programując falownik, wybieramy przycisk/przełącznik, który będzie odpowiadał za hamowanie. W parametrach falownika możemy wybrać sposób, w który silnik ma zostać zahamowany trzymany w przypadku przemiennika częstotliwości LS/LG Serii IG5A są 3 opcje:

• prądem stałym,
• hamowanie poprzez nastawione parametry w napędzie,
• wolny wybieg.

Możemy również ustawiać parametry hamowania takie jak w tabeli wziętej z DTR przemiennika, ustawiamy w falowniku, a ten sam robi już resztę. 

Ogromną zaletą takich urządzeń jest precyzyjna nastawa i kontrola wszystkich parametrów, a metoda ta w przypadku silników małej mocy jest najbardziej efektywna.

Główną wadą jest spadek sprawność hamowania wraz ze wzrostem mocy silnika.

Niektóre urządzenia Softstart mają wbudowaną opcję hamowania, na przykład:

Mamy możliwość regulacji parametrów rozruchu i hamowania w jednym urządzeniu.

Możliwość zastosowania zarówno ręcznego układu sterowania do hamowania, jak i układ automatyki do realizacji danej aplikacji jest dużym ułatwieniem. Dostępnych rozwiązań jest wiele, niektóre z nich pokazane są w dalszej części artykułu.

Możemy w tym celu wykorzystać przycisk bezpieczeństwa wyłączający układ sterowania i załączający układ hamowania na określony czas, jak i sterownik PLC lub układ
stycznikowo-przekaźnikowy.

Duży wybór styczników i sterowników PLC znajdziecie na TIM.

Silniki dzielimy na: prądu stałego i przemiennego

Silniki prądu przemiennego: Przy trójfazowym zasilaniu silnika możemy zastosować jeden z trzech głównych rodzajów hamowania:

• Hamowanie naturalne (praca hamulcowa), zwana takżę hamowaniem przeciwprądem lub hamowaniem prądem sieci, występujące przy prędkości wirowania przeciwnej do kierunku wirowania pola magnetycznego
• Hamowanie prądnicowe (ze zwrotem energii do sieci), zwane nadsynchronicznym, występuje przy prędkości wirowania większej od prędkości wirowania pola magnetycznego.
• Hamowanie dynamiczne, czyli hamowanie prądem stałym.

Przy doborze odpowiedniego sposobu hamowania należy wziąć pod uwagę zakresy prędkości obrotowych oraz nachylenie charakterystyki mechanicznej silnika i urządzenia hamowanego, od tego zależy ekonomiczność hamowania, ponieważ energia hamowania, jaką pobiera silnik w formie energii mechanicznej, może być oddawana do sieci w postaci energii elektrycznej lub tracona w silniku i włączonych w obwód twornika rezystancjach.

Hamowanie naturalne

Hamowanie przeciwprądem występuje wówczas gdy wirnik obraca się w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola magnetycznego, stan taki ma miejsce, gdy moment obrotowy {link do artykułu czym jest moment obrotowy} silnika M będzie mniejszy od momentu hamującego Mh, który uzyskujemy, włączając dużą rezystancję w obwód wirnika. Stan Mh>M możemy uzyskać, zmieniając kierunek wirowania silnika na przeciwny podczas pracy. Maszyna będzie pracowała z poślizgiem s>1. Jak na schemacie:

Nie zamieszczam tutaj schematu sterowania, ponieważ każda aplikacja jest inna, np. hamowanie może być wyzwalane przez krańcówkę.

Włączając dodatkową rezystancję w obwód wirnika, ograniczamy prąd silnika, tym samym zwiększając moment hamujący, w rezultacie czego eksploatacja jest mniej awaryjna i tym samym oszczędniejsza w obsłudze.

Wartość momentu hamującego, a więc i efektywność hamowania, można regulować opornością włączoną w obwód wirnika, istnieje tu możliwość zastosowania rezystora kaskadowego. Również można zastosować przełącznik krzywkowy do wyboru stopnia hamowania. Przełączniki dostępne są w TIM.

Większa rezystancja – mniejszy moment hamujący.
Mniejsza rezystancja – większy moment hamujący.
Jednak zbyt duże zwiększenie rezystancji powoduje utratę stabilności pracy.

Dobór rezystora

Rezystor należy dobrać, uwzględniając: moc, prędkość hamowania, jaką chcemy uzyskać oraz częstość hamowania – rezystory hamujące są urządzeniami przystosowanymi do pracy dorywczej i należy uwzględnić czas chłodzenia. Ze względu na fakt, iż moc pobierana przez maszynę pracującą w tym zakresie zużywana jest na straty. Większość tych strat wydziela się w rezystorze regulacyjnym w postaci ciepła, co jest poważną wadą tego rodzaju hamowania.

Dlatego najpierw należy włączyć w obwód rezystor hamujący, a dopiero po tym zmienić kierunek wirowania pola magnetycznego. W przypadku gdy nie zastosujemy rezystora, popłynie prąd, który będzie miał wartość:

I= 2 x Ir
Ir- wartość prądu rozruchowego

Dzieje się tak, ponieważ w chwili zmiany kierunku wirowania pola magnetycznego siła przeciwelektromotoryczna wyindukowana w wirniku dodaje się z napięciem zasilającym.
Co jest znacznym obciążeniem dla silnika ze względu na generowanie dużych ilości ciepła i podwyższenie napięcia na uzwojeniach silnika, oraz może negatywnie wpływać na parametry sieci elektroenergetycznej- spadek napięcia, przeciążenie przewodów, a nawet zadziałanie bezpieczników/wyłączników instalacyjnych w szczególności, gdy selektywność zabezpieczeń nie jest odpowiednio dobrana.

Znając wszystkie parametry silnika, możemy ten prąd obliczyć ze wzoru:

Ir = kr x In
Kr- współczynnik rozruchu silnika
In- prąd znamionowy silnika

Współczynnik rozruchu mieści się w przedziale 4÷7 dla silników klatkowych

Warto w tym miejscu wspomnieć o silnikach z tzw. lepszym rozruchem, do których należą silniki dwuklatkowe oraz głębokożłobkowe. Dla typowych silników jednoklatkowych współczynnik ten wynosi ok 6÷7.

Rozwiązanie to stosowane jest w układach sterowania bramami.

Hamowanie prądnicowe

Hamowania prądnicowe (ze zwrotem energii do sieci) jest możliwe jedynie, gdy prędkość obrotowa wirnika jest większa od prędkości wirowania pola magnetycznego. Czyli silnik jest napędzany przez obciążenie. Jest najczęściej spotykanym rodzajem hamowania elektrycznego.

Najlepszym przykładem na ten sposób hamowania będzie wyciągarka.
Wyciągarka ciągnie ciężar do góry, dochodzi do skrajnego położenia, a następnie zmieniany jest kierunek obrotów silnika, tak jak w przypadku hamowania przeciwprądem, z tym że w tym wypadku na początku silnik napędza ciężar, a po rozpędzeniu się do prędkości ponad synchronicznej ciężar zaczyna napędzać silnik, a ten pracuję jako prądnica, stawiając opór i zwracając energię, którą jest napędzany do sieci.

Silnik w zakresie pracy prądnicowej oddaje do sieci tylko moc czynną, natomiast moc bierna nadal jest pobierana!

Hamowanie to jest skuteczne tylko przy wysokich prędkościach obrotowych, to znaczy większych od prędkości synchronicznej, a moment hamujący wzrasta wraz z prędkością obrotową, ponieważ prądnica przeciwstawia się dalszemu rozpędzaniu.

Tutaj również możemy wpiąć rezystancję w obwód wirnika: zwiększenie rezystancji spowoduje przesunięcie charakterystyki silnika bliżej zera. Oznacza to, że moment hamujący silnika jest coraz mniejszy przy tej samej prędkości obrotowej. Na rysunku przedstawiona jest charakterystyka mechaniczna silnika w zależności od liczby par biegunów. W tym przypadku charakterystyka zmieni się pod wpływem zwiększenia rezystancji, tak jak pod wpływem zmiany liczny par biegunów (co jest fizycznie niemożliwe!).

Hamowanie dynamiczne

Hamowanie dynamiczne realizuje się poprzez odłączenie od stojana napięcia zasilającego, a następnie zasilenie uzwojeń prądem stałym, w ten sposób wytwarza się stały strumień magnetyczny. W ten sposób z silnika asynchronicznego robimy prądnicę synchroniczną. Prąd stały „bierzemy” z prostownika, który jest zasilany z transformatora podłączonego do tej samej sieci co silnik.

W wirniku wirującym w stałym polu indukują się napięcia i płyną prądy, które wytwarzają moment skierowany przeciwnie do kierunku wirowania wirnika. Wartość momentu hamującego możemy, regulować zmieniając wartość prądu stałego zasilającego stojan za pomocą prostownika sterowanego, potencjometru lub włączając dodatkową rezystancję w obwód stojana. Przy stosowaniu tego rodzaju hamowania nie można doprowadzić do całkowitego zahamowania urządzenia, ponieważ przy zmniejszeniu się prędkość obrotowej napięcie indukowane w wirniku maleje i moment hamujący się zmniejsza. Energia mechaniczna zamienia się całkowicie na ciepło w wirniku i/lub połączonej z nim szeregowo rezystancji.

Układy zasilania stojana przy hamowaniu dynamicznym (gwiazda/trójkąt)

Napięcie zasilające prądu stałego zwykle wynosi kilka procent napięcia znamionowego silnika. Energia pobierana przez silnik przy hamowaniu jest znacznie mniejsza niż przy hamowaniu przeciwprądem.

Hamowanie normalne uzyskujemy poprzez podłączenie napięcia stałego między dwa uzwojenia, natomiast hamowanie szybkie poprzez podłączenie napięcia między wszystkie uzwojenia.

Przekaźnik czasowy KT należy ustawić na „opóźnione wyłączenie”, a czas wyregulować w zależności od potrzeb.

Jak hamować prądem stałym silnik prądu stałego?

Czy to w ogóle możliwe i jak łatwo rozróżnić silnik PS od indukcyjnego? -Tak, jest to bardzo proste, silnik możemy poznać po tabliczce zaciskowej (oznaczenia uzwojeń) lub znamionowej. Charakterystyczną cechą silników PS jest komutator.

W przypadku silnika prądu stałego odłączamy napięcie zasilające i zwieramy uzwojenia za pomocą rezystora. Tak samo, jak w przypadku maszyn indukcyjnych, siła przeciwelektromotoryczna jest zwrócona w kierunku przeciwnym do napięcia zasilającego tym samym przeciwnym do kierunku wirowania wirnika. Można powiedzieć, że silnik się rozładowuje z energii w ten sposób.

Schemat podłączenia:

Schemat prądowy i sterowania do hamowania dynamicznego silnika prądu stałego

Omówione powyżej sposoby hamowania są podstawowymi rodzajami hamowania elektrycznego.

Poza nimi stosuję się także:

- Hamowanie jednofazowe (podsynchroniczne)
Realizuje się je, odłączając jedną fazę zasilającą silnik, następnie zwierając odłączone uzwojenie z jedną dowolną pozostałą fazą zasilającą, oraz włączenie odpowiednio dobranej rezystancji w obwód 3 fazy zasilającej.
Przy obrotach wirnika w dowolnym kierunku i przy odpowiednio dobranych rezystancjach w obwodzie wirnika silnik wykazuje moment hamujący, który wzrasta wprost proporcjonalnie wraz z obrotami wirnika. Hamowanie stosowane w dźwignicach i żurawiach do opuszczania transportowanych ładunków.

- Hamowanie mechaniczne (hamulec mechaniczny)
Stosuje się gdy, wymagana jest pewność hamowania nawet po zaniku zasilania silnika. Przy doborze hamulca należy uwzględnić takie czynniki jak dostępność mocy hamowania, wartości czasu opóźnienia załączenia hamulca, dopuszczalnej liczby startów, czasu zadziałania hamulca, opóźnienia zwolnienia hamulca.

- Hamowanie swobodne (wolny wybieg silnika)
Polega na odłączeniu silnika od zasilania i samo wyhamowaniu silnika poprzez straty mechaniczne: opór powietrza, tarcie na łożyskach, opór układu napędowego.

- Hamowanie w układzie dwumaszynowym, gdzie dwie sprzęgnięte ze sobą maszyny pracują jedna jako hamulec, a druga jako silnik. Gdy zasilony jest silnik, hamulec jest odłączony od zasilania i na odwrót. Układ taki najczęściej wykonuje się do krótkotrwałego przyhamowania silnika poprzez chwilowe wciśnięcie przycisku.

- Hamowanie elektromechaniczne
Hamowanie elektromechaniczne uzyskuje się poprzez zasilenie zwalniaka elektrohydraulicznego hamulca z uzwojeń wirnika silnika. Zasada działania tego rodzaju hamowania polega na tym, że wykorzystuje się zależność siły podnoszenia jarzma zwalniaka, a więc i siły zwalniania hamulca. Silnik napędza pompę wirnikową, która tłoczy olej w cylindrze zwalniaka, wytwarzając ciśnienie oleju zależne kwadratu prędkości obrotowej pompy, czyli tym samym kwadratu częstotliwości napięcia zasilającego, ponieważ zachodzi tutaj zależność:

Przebieg hamowania przy rozruchu

W chwili rozruchu silnika napędowego, silnik zwalniaka otrzymuje z uzwojenia wirnika napięcie o pełnej częstotliwości 50 Hz, wskutek czego hamulec zostaje zwolniony… W miarę wzrastania obrotów silnika napędowego napięcie i częstotliwość wirnika maleje, wskutek czego obroty silnika pompy w zwalniaku również maleją, co powoduje, że hamulec zostaje pod wpływem sprężyn przyhamowany. Powoduje to zwolnienie obrotów silnika aż do wystąpienia równowagi między prędkością obrotową silnika a siłą zwalniającą hamulec i ustalenia się momentu hamującego na pewnym stałym poziomie. Zwalniaki mogą mieć zastosowanie wszędzie tam, gdzie jest potrzebna praca o ruchu posuwisto-zwrotnym.

To tajemnicze urządzenie wygląda tak:

Hamulec elektromagnetyczny

Zbudowany jest z płozy, w której wbudowane są elektromagnesy, po naciśnięciu hamulca następuje zwolnienie pneumatycznej blokady płozy, następuje dociśnięcie płozy i hamowanie poprzez tarcie.

Występują wersję zasilane prądem stałym DC i prądem przemiennym AC.
Hamulce te charakteryzują się cichą pracą.

Budowa samego elektromagnesu jest skomplikowana, ale sam układ sterowania jest prosty i reaguje w bardzo krótkim czasie na żądanie luzowania i hamowania. Hamulec montowany jest na wale silnika, od strony wentylatora.

Dość ważną i powszechnie stosowaną odmianą silników są silniki komutatorowe prądu przemiennego, które stosowane są w większości elektronarzędzi.
Nie mają dobrych właściwości pod względem hamowania. W tego typu silnikach głównym hamulcem jest hamulec mechaniczny.

Silniki komutatorowe szeregowe można hamować, przesuwając oś szczotek w kierunku pozycji magnesowania, czyli położenia zerowego. Jednak hamowanie to nie jest stabilne, silniki te są rzadko stosowane.

Podsumowanie

Rodzaj hamowania należy dobrać do indywidualnych potrzeb napędu, biorąc pod uwagę wymagania bezpieczeństwa, parametry silnika, a także sam proces technologiczny oraz pewność i niezawodność wybranego rozwiązania. Wolny wybieg silnika można stosować, gdy nie zagraża on obsłudze urządzenia.

Najważniejsze informacje o poszczególnych rodzajach hamowania:

Hamowanie przeciwprądem:

• Metoda ta należy do najprostszych i najtańszych;
• Duże straty energii, grzanie się uzwojeń;
• Stosunkowo szybkie zatrzymanie i zmiana kierunku wirowania;
• Uznawane jest za skuteczny sposób zatrzymywania silników;
• Silnik musi być przystosowany do tego rodzaju hamowania.

Hamowanie dynamiczne:

• Mniejsze obciążenie termiczne – w porównaniu do przeciwwłączenia;
• Nie występuje zmiana kierunku obrotów;
• Możliwość sterowania momentem hamującym poprzez regulację prądu.

Hamowanie prądnicowe:

• Zwrot energii do sieci (do sieci jest zwracana tylko moc czynna, natomiast moc bierna nadal jest pobierana).

Hamowanie elektromechaniczne

• Pewność hamowania – nawet po zaniku zasilania;
• Silnik jest hamowany cały czas z wyjątkiem chwili rozruchu.

Hamulce elektromagnetyczne

• Prosta budowa;
• Możliwość regulacji parametrów takich jak moment hamowania i czas hamowania;
• Prostota sterowania;
• Cicha praca.

Hamowanie poprzez wolny wybieg

• Czas hamowania zależy od sprawności silnika;
• Może być stosowane jedynie, gdy wybieg nie zagraża obsłudze maszyny.

Warto pamiętać także o przekształtnikach częstotliwości i falownikach wiele z nich ma wbudowane opcje hamowania oraz regulację wielu innych parametrów silnika.

Literatura:
Maszyny elektryczne Elżbieta Goźlińska WSiP
Bezel.com.pl
napędy.ppp.pl