Silniki indukcyjne prądu przemiennego są używane w aplikacjach o różnych trybach pracy i przeznaczeniu. W każdym zastosowaniu należy dobrać odpowiedni sposób ich rozruchu i hamowania.
Pomimo prosto zdefiniowanego zadania oraz wielu dostępnym metodom warto poznać elementarne zalety oraz wady podstawowych technik hamowania silników AC. W artykule zostaną przedstawione ogólne podstawy teoretyczne różnych metod stosowanych w układach hamowania silników indukcyjnych oraz techniczne aspekty ich stosowania.
Podział metod hamowania
Hamowanie odnosi się do wielu przypadków zmian wartości prędkości obrotowej. Może obejmować nie tylko zatrzymanie napędu (awaryjne lub celowe), zmniejszenie prędkości obrotowej, ale także zmianę kierunku ruchu obrotowego członu ruchomego.
Wybór metody hamowania silników napędowych zależy od aplikacji oraz trybu pracy silnika elektrycznego. Ogólnie technicznie realizowane sposoby można podzielić na dwie podstawowe metody: hamowanie mechaniczne (hamulce cierne) oraz elektryczne (w różnych odmianach) [1].
Hamowanie swobodne oraz mechaniczne
Hamowanie swobodne [2] polega na odłączeniu źródła zasilania silnika oraz powolnym wyhamowaniu obrotów silnika siłą oporów ruchu (momenty oporowe, tarcie, bezwładność, opory powietrza itp.). Czas zatrzymania jest ściśle zależny od oporów wynikających ze sprawności silnika oraz momentów obciążających układ napędowy. Czas hamowania zależy także od wielkości mas wirujących, dodatkowo może nastąpić zmiana kierunku obrotu napędu. W przypadku układów z przetwornicami częstotliwości ten typ zatrzymania jest nazywany hamowaniem tzw. wybiegiem. W tej odmianie przebieg hamowania polega na odcięciu zasilania silnika (wyłączenie zezwolenia na ruch) oraz swobodnym wyhamowaniu maszyny tylko momentami oporowymi.
Hamowanie mechaniczne [2, 3] stosuje się w aplikacjach, w których wymagana jest pewność hamowania (nawet po zaniku zasilania silnika), samohamowność lub pewne i szybkie zatrzymanie. W przypadku wyboru hamulca należy pamiętać o istotnych parametrach w postaci momentu oraz dostępnej mocy hamowania, wartości czasu opóźnienia załączenia hamulca, dopuszczalnej liczby startów (na godzinę), czasów zadziałania oraz zwolnienia hamulca.
W ofercie rynkowej można znaleźć wiele rozwiązań technicznych hamulców mechanicznych, m.in. tarczowe (do pracy na sucho lub w oleju), wielopłytkowe (do pracy na sucho lub w oleju) oraz proszkowe.
Hamowanie jednofazowe (podsynchroniczne)
Polega na odłączeniu obwodu dowolnej fazy zasilającej silnik napędowy [2, 4], a następnie zwarciu tego odłączonego obwodu fazy zasilania z obwodem dowolnej, pozostałej w zasilaniu silnika fazy, przy jednoczesnym włączeniu oporu (o odpowiednio dobranych parametrach) do obwodu trzeciej z faz zasilających maszynę. Istotną cechą tej metody jest fakt, że wartość momentu hamującego jest proporcjonalna do prędkości obrotowej wirnika – rotora (maksymalna wartość momentu hamującego, przy największej prędkości oraz zerowa przy zatrzymaniu silnika). Zaletą hamowania jednofazowego jest prosta realizacja techniczna osprzętu dla układu hamowania. Z racji tzw. miękkiej charakterystyki metoda ta jest używana w dźwignicach i żurawiach do opuszczania transportowanych ładunków.
Hamowanie przeciwprądowe
Ta metoda [2, 3, 4] należy do najprostszych i najtańszych. Jej zastosowanie jest szczególnie widoczne w układach wymagających utrzymania stałej prędkości opuszczania manipulowanych i transportowanych elementów, a także w razie konieczności stosunkowo szybkiego zatrzymania i zmiany kierunku wirowania silnika elektrycznego.
Podstawowym warunkiem hamowania przeciwprądowego jest zamiana kierunku wirowania pola magnetycznego w silniku, realizowana przez przełączenie obwodów dwóch dowolnych faz zasilających silnik elektryczny. W czasie przełączania pole elektromagnetyczne wirnika oraz stator wirują w tym samym kierunku. W wyniku zamiany faz zasilających stojan – stator, powstaje przeciwnie wirujące (w stosunku do kierunku wirowania rotora) pole magnetyczne.
Zaletą rozwiązania jest szybka zmiana zwrotu momentu wytwarzanego przez silnik. Duże wartości natężeń prądów uzwojeń (zależne od konstrukcji silnika oraz momentów bezwładności hamowanych elementów; w zakresie 26 wartości znamionowego natężenia prądu [2]) oraz fakt, że cała energia hamowania jest akumulowana w ustroju silnika, wywołują ryzyko jego uszkodzenia (silne nagrzewanie uzwojeń). W związku z tym faktem najczęstszym środkiem zapobiegającym uszkodzeniu, ustalanym już na etapie doboru silników, jest przewymiarowanie parametrów silnika (szczególnie parametrów izolacji wirnika).
Pomimo wymienionych wad metoda uważana jest za bardzo skuteczne narzędzie do zatrzymania silników elektrycznych, nawet w przypadku napędów stwarzających zagrożenie dla życia i zdrowia obsługi.
Hamowanie prądem stałym (dynamiczne)
Ten typ hamowania [2] polega na odcięciu zasilania maszyny prądem zmiennym, przy jednoczesnym podaniu napięcia stałego na uzwojenia stojana. Taki zabieg powoduje powstanie stacjonarnego pola magnetycznego oddziałującego na wirnik silnika. Obrót wirnika oraz stacjonarne pole magnetyczne powodują z kolei powstanie ujemnego poślizgu oraz związanego z nim momentu hamującego.
Podstawową zaletą tego rodzaju hamowania jest mniejsze obciążenie termiczne napędu (pobór z sieci tylko energii potrzebnej do wzbudzenia). Po zmniejszeniu prędkości obrotowej do zera nie występuje zmiana kierunku obrotów (z powodu zerowej wartości poślizgu). Dodatkowo metoda działa niezależnie od kierunku ruchu silnika napędowego. Hamowanie dynamiczne może zostać zrealizowane przez prostownik sterowalny lub za pośrednictwem przetwornicy częstotliwości.
Zaawansowane metody hamowania za pomocą funkcji przetwornic częstotliwości
Przetwornice częstotliwości oferują wiele zaawansowanych funkcji sterowania prędkością.
W metodzie DTC (Direct Torque Control) sterowaniu podlegają wartości momentu oraz strumienia magnetycznego silnika. W tym wypadku hamowanie jest wymuszane przez podanie odpowiedniej wartości tzw. rampy hamującej (parametr związany z przyspieszeniem silnika – w tym przypadku ujemnym). Metoda umożliwia sterowanie parametrami silnika oraz szybkie przełączanie pomiędzy momentami hamującymi oraz napędowymi. Wadą jest zależność malejącej sprawności hamowania od wzrastającej mocy napędu (metoda najbardziej efektywna w zakresie silników niskich mocy), wynikająca z wysokich wartości energii cieplnej rozpraszanej w uzwojeniach. Taki stan może prowadzić do powstawania naprężeń cieplnych i skutkujących nimi uszkodzeń cieplnych elementów maszyn elektrycznych. Do zalet można zaliczyć brak dodatkowych urządzeń i wyposażenia oraz pełną kontrolę parametrów silnika w fazie hamowania [3].
W przypadku hamowania asynchronicznych silników prądu przemiennego można zastosować metody z użyciem rezystora hamującego lub ze zwrotem energii do sieci zasilającej.
Przerywacz hamujący, zastosowany w układach przetwornic częstotliwości, jest specyficzną odmianą przełącznika elektrycznego, który łączy magistralę prądu stałego DC [2, 3] przetwornicy częstotliwości z rezystorem hamującym. Jest on uruchamiany automatycznie w przypadku wzrostu napięcia obwodu DC powyżej wartości znamionowych danej przetwornicy częstotliwości. Zastosowanie rezystora hamującego (do rozpraszania energii hamowania silnika) jest rozwiązaniem prostym i niezawodnym, dodatkowo może działać w aplikacjach napędowych zagrożonych utratą zasilania. Z drugiej strony, trzeba mieć świadomość, że energia hamowania jest bezpowrotnie tracona na ciepło wydzielające się na rezystorze hamującym.
Wytyczne do zastosowania rezystora hamującego są stosunkowo proste: hamowanie okazjonalne napędu, małe ilości energii generowanej w fazie hamowania (w odniesieniu do mocy napędowej). W przypadku częstych hamowań, wysokich wymaganych wartości mocy hamowania oraz wysokich mocy chwilowych w fazie hamowania, pracy napędu w środowiskach wybuchowych lub zapylonych, warto rozważyć inną metodę hamowania.
W hamowaniu ze zwrotem energii użyto zalet występujących w kwadrantach pracy generatorowej silników elektrycznych. Zasada działania takich układów polega na zamianie momentu bezwładności napędzanych mas wirujących na energię zwracaną bezpośrednio do sieci zasilającej. Wadą metody są większe koszty przetwornicy częstotliwości [1, 2].
Podsumowanie
Metoda hamowania powinna zostać dobrana w każdej aplikacji w sposób indywidualny. Warto pamiętać o wielu funkcjach przetwornic częstotliwości oraz wymaganiach bezpieczeństwa układów napędowych. Zatrzymanie swobodne należy stosować jedynie w odniesieniu do maszyn niestwarzających bezpośredniego zagrożenia życia i zdrowia ludzi.
Autor: Dr inż. Mariusz Hetmańczyk, EMT-Systems Centrum Szkoleń Inżynierskich. Otrzymał tytuł doktora inżyniera w 2011 r. na Wydziale Mechanicznym Technologicznym Politechniki Śląskiej. Obecnie jest pracownikiem naukowo-dydaktycznym Instytutu Automatyzacji Procesów Technologicznych i Zintegrowanych Systemów Wytwarzania. Naukowe zainteresowania skupione są wokół zagadnień automatyki i robotyki, sterowania, mechatroniki, diagnostyki przemysłowej, predykcji stanów bazujących na metodach grafowych oraz technologii MEMS. Jest autorem ponad 80 publikacji związanych z komputerowym wspomaganiem diagnozy oraz prognozy rozproszonych napędów mechatronicznych.
Literatura
1. H.A. Toliyat, G.B. Kliman, „Handbook of electric motors”, CRC Press, New York 2004.
2. A. Hughes, „Electric Motors and Drives. Fundamentals, Types and Applications”, third edition, Elsevier Linacre House, Oxford 2006.
3. S.A. Nasar, „Theory and Problems of Electric Machines and Electromechanics”, McGraw-Hill, New York 1998.
4. W. Leonhard, „Control of Electrical Drives”, Springer-Verlag, Berlin Heidelberg 2001.
