Udostępnij Udostępnij Udostępnij Udostępnij Print

Hamowanie silników indukcyjnych - porównanie metod

-- środa, 11 styczeń 2017

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.

Tekst pochodzi z nr 6/2016 magazynu "Inżynieria i Utrzymanie Ruchu". Jeśli Cię zainteresował, ZAREJESTRUJ SIĘ w naszym serwisie, a uzyskasz dostęp do darmowej prenumeraty w formie drukowanej i/lub elektronicznej.

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.


Podobne artykuły

Przeczytaj także

Pięć podstawowych pytań odnośnie paneli sterowniczych
Współczesne panele sterownicze nie powinny być traktowane tylko jak kolejny komponent systemowy wpływający na wydajność pracy. więcej »
Can technology deliver sustainability?
Over time, technological progress results in products that use less energy, are more compact and use up fewer raw materials. Does this add up to enough resource savings to make life on Earth more... więcej »
Budownictwo mieszkaniowe i chemia budowlana na plusie
Najnowsze dane GUS wskazują, że 2016 był dobrym rokiem dla budownictwa mieszkaniowego – w ciągu 12 miesięcy oddano do użytkowania o 10,2% więcej mieszkań niż w 2015 roku. Dobra passa wpłynęła również... więcej »
TAURON tworzy nowy model współpracy z naukowcami
Wykreowanie nowego modelu współpracy pomiędzy nauką a przemysłem, odpowiadającego potrzebom działalności Grupy TAURON i zapewnienie optymalnego wykorzystania potencjału innowacyjności tkwiącego w... więcej »
Nowe Europejskie Centrum Dystrybucyjne NSK zwiększy powierzchnię magazynową o 72%
Firma NSK rozpoczęła budowę nowego Europejskiego Centrum Dystrybucyjnego (EDC) zaledwie 4 km od funkcjonującego obecnie magazynu w mieście Tilburg (Holandia). Nowe centrum dystrybucyjne o powierzchni... więcej »
Awaryjne źródło sprężonego powietrza
Układy korzystające ze sprężonego powietrza to rozwiązanie uniwersalne i stosunkowo niedrogie w porównaniu do urządzeń elektromechanicznych. Często też pracownicy branży przemysłowej stają przed... więcej »
 
Aktualne wydanie

Zobacz także

  •   Wydarzenia  
  •   Katalog  

Wydarzenia

Warsztaty Druku 3D
2017-01-19 - 2017-03-16
Miejsce: Poznań
INDUSTRYmeeting Targi Technologii Przemysłowych
2017-02-28 - 2017-03-02
Miejsce: Sosnowiec
ExpoCUTTING Targi Technologii Cięcia
2017-02-28 - 2017-03-02
Miejsce: Sosnowiec
KOMPOZYTmeeting Salon Technologii i Materiałów Kompozytowych
2017-02-28 - 2017-03-02
Miejsce: Sosnowiec
Targi AUTOMATICON ® 2017
2017-03-14 - 2017-03-17
Miejsce: Warszawa

Katalog

RGB ELEKTRONIKA
RGB ELEKTRONIKA
Jana długosza 2-6
51-162 Wrocław
tel. 71 325 15 05

Volkswagen Poznań Sp. z o.o.
Volkswagen Poznań Sp. z o.o.
Warszawska
61-060 Poznań
tel. +48 61 871 4037

Reliability Solutions
Reliability Solutions
Lublańska 34
31-476 Kraków
tel. +48 (12) 394-11-21

MEWA TEXTIL-SERVICE SP. Z O.O.
MEWA TEXTIL-SERVICE SP. Z O.O.
Andersa 15
41-200 Sosnowiec
tel. 32 363 82 60

STILL Polska Sp. z o.o.
STILL Polska Sp. z o.o.
Skladowa 11
62-023 Żerniki, Gadki
tel. 61 66 86 100

zobacz wszystkie




SONDA

Czy inwestycje na rzecz energooszczędności się opłacają?

Oddanych głosów: 16

50% 50 %
tak 8 głos(ów)

31.3% 31.3 %
nie 5 głos(ów)

18.8% 18.8 %
nie potrafię wyliczyć 3 głos(ów)


Aplikacje dla Inżynierów - Inżynieria & Utrzymanie Ruchu
Wydania specjalne

O wydawnictwie   |   Reklama   |   Mapa strony   |   Kontakt   |   Darmowa prenumerata   |   RSS   |   Partnerzy   |   
Copyright © 2003-2017 Trade Media International
zobacz nasze pozostałe strony
Trade Media International Inżynieria & Utrzymanie Ruchu Control Engineering Polska MSI Polska Inteligentny Budynek Design News Polska Almanach Produkcji w Polsce