Hamowanie

Uwagi ogólne:

Spośród najrozmaitszych okoliczności w jakich zachodzi potrzeba hamowania wyodrębnić należy dwa typowe przypadki, w których chodzi o

• zatrzymanie maszyny będącej w ruchu

• utrzymanie stałej prędkości lub jej ograniczenie przy tendencji maszyny do rozbiegania się.

Do hamowania oprócz hamulców mechanicznych powszechnie stosuje się hamulce elektryczne, są to maszyny elektryczne w których do celów hamowania wykorzystuje się moment elektryczny. Ta sama maszyna elektryczna spełnia zwykle rolę na przemian rolę silnika oraz hamulca.

Jedną z zalet hamulców elektrycznych jest możliwość ciągłej regulacji momentu hamującego w szerokim zakresie wartości. Po za tym niektóre metody hamowania za pomocą hamulców elektrycznych pozwalają na odzyskiwanie energii, co ma doniosłe znaczenie ekonomiczne przy powtarzającym się często procesie hamowania. Przy odzyskiwaniu energii hamulec jest zarazem prądnicą.

Hamowanie ze zwrotem energii do sieci (prądnicowe)

Maszyna elektryczna pracująca przy prędkościach nad synchronicznych (n>n₁,s<0) może być wykorzystana do celów hamowania. Hamowanie nie jest możliwe przy prędkościach mniejszych niż prędkość synchroniczna. Własność ta ogranicza zakres stosowania tego sposobu hamowania. Ogólny pogląd na warunki występujące przy tego rodzaju sposobie hamowania daje charakterystyka mechaniczna maszyny .

Na rysunku przedstawiono przebiegi kilku charakterystyk ( dla tego samego napięcia zasilania przy różnych opornościach R_r , włączonych w obwód uzwojenia wirnika pierścieniowego. Dodatnie i ujemne wartości momentu M_em oraz prędkości obrotowej n na wykresie a) należy interpretować w oparciu o przyjęte na rysunku b) strzałki kierunkowości M oraz n w następujący sposób :

• przy dodatniej wartości momentu działa on w kierunku zaznaczonej strzałki,

• przy dodatniej wartości prędkości obrotowej wirnik wiruje w zaznaczonym kierunku,

• przy ujemnej wartości momentu lub prędkości obrotowej ich kierunek jest prawdziwy co do zaznaczonego.

Korzystając z tej umowy stwierdzamy, że przy pracy odpowiadającej punktowi A maszyna wiruje w prawo z prędkością nadsynchroniczną, a moment M_em (ujemny) działa w lewo co świadczy o pracy hamulcowej maszyny. Stan ten występuje np. przy opuszczaniu ciężaru. Przy pracy odpowiadającej punktowi B maszyna wiruje w lewo a moment (dodatni) działa w prawo. Przeciwne kierunki M_em oraz n świadczą o hamowaniu (s>1).

Rys. Praca maszyny asynchronicznej pierścieniowej przy U₁=const ,f₁=const i różnych opornościach R_r w obwodzie wirnika : a) charakterystyki mechaniczne; b) szkic sytuacyjny ze strzałkami kierunkowości.

Hamowanie prądem sieci

Badając róże możliwości pracy maszyny asynchronicznej można stwierdzić, że przy napędzaniu wirnika w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania pola (n<0,s>1) powstaje moment hamujący. Dla przyjętego sposobu strzałkowania układamy równania.

ponieważ oporność zastępcza
przy poślizgach s>1 jest ujemna, dlatego napięcie U'₂ jest przesunięte w fazie względem prądu I'₂ o 180°.

W celu zachowania właściwych proporcji miedzy wskazami napięć U'₂,U'_Rr przydatna jest następująca ocena wartości oporności. Przy 1<s<+∞ jest
a zatem
element zastępczy o ujemnej oporności
jest więc źródłem energii elektrycznej, włączonym w obwód wirnika. Moc tego elementu odpowiada mocy mechanicznej P_m , która przy pracy hamulcowej jest doprowadzana do maszyny. (rysunek)

Odpowiednio do schematu zastępczego zależności między mocami są

Moc pola wirującego P_Ψ jest dodatnia co oznacza, że jest ona przekazywana ze stojana do wirnika. Moc mechaniczna jest natomiast ujemna, czyli maszyna jest mechanicznie napędzana. Suma mocy P_Ψ + P_m doprowadzonych do wirnika zamienia się (w przypadku wirnika klatkowego lub pierścieniowego) wyłącznie w ciepło. Jeżeli przy s>1 włączyć w obwód uzwojenia wirnika oporność R_r lub jakiś odbiornik, to część mocy (P_Ψ + P_m) dostarczonej do obwodu wirnika zamienia się w ciepło.(∆P_Cu2 straty w wirniku), a pozostała moc P₂ wydawana jest na zewnątrz opornika R_r (odbiornika). Moc wydawaną w obwodzie wirnika P₂ trudno jest wykorzystać do celów praktycznych, ponieważ częstotliwość w tym obwodzie jest zmienna (f₂=f_1S), zależna od poślizgu. Omawiany rodzaj pracy (s>1)wykorzystywany więc jest niemal wyłącznie do celów hamowania a nie do generacji prądu i dlatego nazywany jest na ogół pracą hamulcową, choć w przypadku zasilania odbiorników z obwodu wirnika zasługiwałby równie dobrze na nazwę pracy prądnicowej.

Porównując sposoby hamowania należy wziąć pod uwagę względy ekonomiczne: o ile hamowanie prądnicowe (s<0) nie budzi pod tym względem żadnych zastrzeżeń (zwrot energii do sieci), o tyle hamowanie prądem sieci jest bardzo nieekonomiczne, jako że moc mechaniczna P_m i moc elektryczna P₁ dostarczana do maszyny zamienia się w ciepło. Wyjątkowo rzadko zdarzają się przypadki zapotrzebowania mocy wydawanej przy tym hamowaniu w obwodzie wirnika, ze względu na zmienną częstotliwość w tym obwodzie. Dalszą wadą hamowania prądem sieci jest pobór znacznego prądu przy pracy w obszarze poślizgów większych niż krytyczny. Jedną z istotnych zalet hamowania prądem sieci w porównaniu z hamowaniem prądnicowym jest to, że może się ono odbywać w zakresie od prędkości do zera, przy czym moment hamujący występuje również przy nieruchomym wirniku (co w wielu przypadkach może okazać się bardzo cenną właściwością).

Hamowanie prądem stałym (dynamiczne)

Hamowanie dynamiczne polega na wytworzeniu momentu dynamicznego przy zasilaniu uzwojenia stojana prądem stałym. Powstaje wtedy pole magnetyczne stałe, które w wirującym wirniku indukuje napięcie. Jeżeli obwód uzwojenia wirnika jest zwarty lub w jakikolwiek sposób zamknięty, to płynący w nim prąd wytwarza moment, który zgodnie z regułą Lenza działa w kierunku przeciwnym do kierunku wirowania układu. Wartość tego momentu można regulować przez zmianę prądu w obwodzie stojana lub przez zmianę oporności w obwodzie wirnika. Wartość momentu hamującego zależy także od prędkości obrotowej, przy czym w stanie postoju wirnika jest od równy zero. Maszyna zachowuje się przy takim hamowaniu jak maszyna synchroniczna, której częstotliwość w uzwojeniu wirnika zależy od prędkości obrotowej.

Uzwojenie stojana można zasilać w różny sposób prądem stałym (rysunki./) należy przy tym tak łączyć poszczególne fazy, aby pola przez nie wytworzone dodawały się. Przy niewłaściwym połączeniu, pole wypadkowe może okazać się mniejsze niż pole wytworzone przez jedną fazę. Ponieważ o wartości prądu stałego decyduje oporność czynna uzwojenia, dlatego w celu wytworzenia prądu znamionowego w uzwojeniu stojana, należy go zasilić napięciem stałym o wartości kilku procent napięcia znamionowego danej maszyny asynchronicznej.

Energia hamowania zamienia się w ciepło w maszynie a w przypadku maszyny pierścieniowej z włączonym opornikiem regulacyjnym, także w ciepło w tym oporniku. Moc wydawaną z obwodu wirnika trudno wykorzystać do zasilania innych odbiorów, jak grzejniki. Mimo to ten sposób hamowania uznać należy za korzystniejszy pod względem ekonomicznym niż sposób hamowania prądem sieci, ponieważ moc elektryczna pobierana przez obwód stojana przy hamowaniu dynamicznym stanowi zaledwie kilka procent tej mocy, jaka pobierana jest przez stojan przy hamowaniu prądem sieci.

Hamowanie

Prądnicowe (s<0)

Silnik

Hamowanie

Prądem sieci (s>1)

n₁

2n₁

0

-n₁

A

B

R_r3

R_r2

R_r1

R_r

+M

a)

n

M_m

M_em

R_r3> R_r2> R_r1> R_r

b)

---