Hamowanie silnikami prądu zmiennego

Na żurawiach i innych urządzeniach dźwigowych wyposażonych w silniki asynchroniczne prądu zmiennego stosuje się następujące rodzaje hamowania elektrycznego:

a)            hamowanie przeciwprądem (przeciw włączeniem),

b)           hamowanie jednofazowe (podsynchroniczne),

c)            hamowanie nad synchroniczne (prądnicowe),

d)           hamowanie dynamiczne (prądem stałym),

e)           hamowanie w układzie dwumaszynowym,

f)            hamowanie elektromechaniczne (zasilanie zwalniaka hamulcowego tzw. „Eldro" lub „Elhy" — z obwodu wirnika).

Hamowanie przeciwprądem, nazywane często przeciwprądowym lub hamowaniem prądem sieci, uzyskuje się w silniku przez skrzyżowanie dwóch dowolnych przewodów fazowych zasilających stojan. Wtedy wirujące pole magnetyczne stojana zmieni swój kierunek i zacznie wirować w kierunku przeciwnym niż obraca się wirnik silnika napędzany np. opadającym ciężarem zawieszonym na haku wciągarki. Ponieważ pole stojana wiruje w kierunku przeciwnym niż sam wirnik, przeto moment silnika jest hamujący. Wartość momentu hamującego, a więc i efektywność hamowania, można regulować opornością włączoną w obwód wirnika, przy czym zwiększenie oporności zmniejsza moment hamujący i na odwrót — zmniejszenie oporności zwiększa moment hamujący. Przed rozpoczęciem hamowania przeciw prądem w obwodzie wirnika musi być już od razu włączony dostatecznie duży opór, a to celem zapobieżenia uderzeniu prądu w silniku, bardzo niebezpiecznemu dla jego uzwojeń.

Poślizg wirnika przy hamowaniu przeciwprądem zmienia się w następujący sposób: gdy silnik obraca się z prędkością bliską synchronicznej, poślizg w przybliżeniu równa się zeru. Przy szybkim przełączeniu go na hamowanie przeciwprądem, w początkowym momencie, poślizg wirnika wyniesie około s = 2. W miarę hamowania silnika prędkość maleje wraz z poślizgiem i gdy wirnik osiągnie poślizg s = 1 — silnik przez chwilę stanie nieruchomo i jeśli go nie wyłączymy — rozpocznie się obracać w przeciwnym kierunku, a poślizg zacznie zmniejszać się, czyli dążyć do zera.

Możliwość zmiany kierunku obrotów silnika po wyhamowaniu stanowi wadę tego rodzaju hamowania. Zaletą zaś jest duża efektywność umożliwiająca wyhamowanie mechanizmu do zera, pod warunkiem właściwego dobrania oporności dodatkowej w obwodzie wirnika. Hamowanie przeciwprądem stosuje się na żurawiach portowych w mechanizmach wciągarek przy opuszczaniu dużych ciężarów oraz w mechanizmach jazdy wózkiem na dźwigach mostowych, gdzie prędkość jazdy dochodzi do 120 m na mi-nutę. Układy napędowe wciągarek mają zazwyczaj jeden stopień hamowania przeciwprądem, na pierwszym położeniu nastawnika lub sterownika w kierunku na opuszczanie.

Hamowanie jednofazowe (podsynchroniczne) stosuje się dosyć często w układach napędowych żurawi portowych i stoczniowych. Przy obrotach wirnika w dowolnym kierunku (np. pod wpływem opadającego ciężaru) i przy odpowiednio dobranych oporach w obwodzie wirnika silnik wykaże moment hamujący, który wzrasta wraz z obrotami wirnika. Gdy obroty spadają — moment hamujący również spada, a gdy silnik stanie — moment hamujący równy jest zeru.

W układach połączeń wciągarek na żurawiach stosuje się najczęściej dwa, czasem trzy stopnie hamujące, które służą do opuszczania ciężarów na średnich obrotach. Ten rodzaj hamowania jest również często stosowany w mechanizmach jazdy i obrotu żurawi.

Hamowanie nad synchroniczne, lub inaczej prądnicowe, jest najczęściej spotykanym rodzajem hamowania elektrycznego. Każdy silnik załączony do sieci elektrycznej, jeśli zostanie napędzany przez opadający ciężar lub przez inny rozpędzony mechanizm i przekroczy prędkość synchroniczną, będzie przeciwdziałać wzrostowi obrotów nad synchronicznych, czyli wytwarzać moment hamujący i to tym większy, im większe jest przekroczenie obrotów synchronicznych. Zjawisko to spowodowane jest tym, że silnik napędzany z prędkością nad synchroniczną staje się prądnicą asynchroniczną przetwarzającą energię mechaniczną opadającego ciężaru, lub innego rozpędzonego mechanizmu, w energię elektryczną, którą oddaje do sieci w postaci mocy czynnej, mimo iż sam pobiera nadal z sieci prąd magnesujący (bierny), potrzebny dla wytworzenia pola wirującego. Z tego powodu hamowanie prądnicowe nazywane jest również odzyskowym (odzysk energii).

Przy hamowaniu prądnicowym mamy więc do czynienia z przetwarzaniem energii mechanicznej na elektryczną, oddawaną do sieci, przez co w silniku pracującym jako prądnica asynchroniczna zostaje wywołany moment hamujący, i to tym większy, im większe jest przekroczenie prędkości synchronicznej silnika. Jeśli w obwodzie wirnika nie ma żadnej oporności dodatkowej, to charakterystyka momentu hamującego jest zupełnie podobna do naturalnej charakterystyki silnika, z tą różnicą, że przebiega w kierunkach ujemnych osi współrzędnych.

Włączając oporność dodatkową w obwód wirnika możemy charakterystykę zmieniać, przy czym zwiększenie oporności powoduje, że staje się ona coraz bardziej miękka (ustępliwa), wskutek tego moment hamujący silnika jest coraz mniejszy przy tej samej prędkości obrotowej.

W układach napędowych żurawi portowych i stoczniowych stosowane są najczęściej dwa, rzadziej trzy stopnie hamowania prądnicowego dla opuszczania ciężarów na szybkich obrotach.

Hamowanie dynamiczne (prądem stałym) polega na tym, że przed rozpoczęciem hamowania uzwojenie stojana odłącza się od sieci prądu zmiennego i przyłącza się do źródła prądu stałego. Prąd stały, przepływając przez uzwojenie stojana, wytwarza stałe pole magnetyczne. W uzwojeniu wirnika przy jego obracaniu się powstaje zmienna siła elektromotoryczna SEM, pod wpływem której, przy zamkniętym obwodzie wirnika, popłynie prąd zmienny, czyli silnik zacznie działać jak prądnica synchroniczna pracująca przy zmiennej częstotliwości. Ponieważ i tu mamy do czynienia z przetwarzaniem energii mechanicznej (np. opadającego ciężaru) w energię elektryczną zamienianą w oporniku na ciepło Joule'a, przeto w silniku wytwarza się moment hamujący.

Dla regulacji intensywności hamowania włącza się w obwodzie wirnika oporność dodatkową.

Prąd stały do zasilania silnika pobiera się najczęściej z prostownika zasilanego z sieci. Zasilania prądem stałym można dokonywać, w zależności od wymaganej intensywności hamowania, bądź w dwóch fazach, bądź też w trzech fazach uzwojeń stojana.

Hamowanie dynamiczne silnikiem asynchronicznym nie jest dotychczas stosowane na żurawiach portowych i stoczniowych.

Hamowanie w układzie dwumaszynowym stosuje się najczęściej w mechanizmach podnoszenia, czyli na wciągarkach dźwigowych. Układy te wymagają stosowania dwu maszyn elektrycznych sprzężonych mechanicznie wspólnym wałem. Jedna z tych maszyn jest silnikiem napędowym, druga zaś służy do hamowania.

Zespoły dwumaszynowe mogą być zasilane i łączone w różny sposób, zależnie od rodzaju układu hamującego. Najprostszym układem dwumaszynowym są dwa silniki asynchroniczne pierścieniowe, sprzężone wspólnym wałem i zasilane z sieci trójfazowej w ten sposób, że silnik napędowy wytwarza moment obrotowy w kierunku na opuszczanie, drugi zaś silnik jako hamujący wytwarza moment obrotowy w kierunku przeciwnym.

Przez dobranie charakterystyk mechanicznych obu silników za pomocą zmiany oporności w obwodzie wirników możemy uzyskać charakterystykę wypadkową, nadającą się do opuszczania ciężarów z hamowaniem elektrycznym. Jeśli silnik hamujący będziemy zasilać prądem stałym, otrzymamy typowe charakterystyki hamowania dynamicznego, które w rezultacie okażą się znacznie lepsze od poprzednich, gdyż będą bardziej sztywne. Poza tym uniknie się zasadniczej wady, jaką wykazuje poprzedni system — możliwości zmiany kierunku ruchu mechanizmu, przy nieodpowiednio dobranej oporności w obwodzie wirnika silnika hamującego.

Na żurawiach stoczniowych układów dwumaszynowych — jak dotychczas — nie spotyka się. W portach natomiast liczna grupa żurawi drobnicowych wyposażona jest w układy dwumaszynowe typu DSBS do napędu mechanizmu wciągarek.

Silnik asynchroniczny pierścieniowy w układzie DSBS znajduje się we wspólnej obudowie z asynchroniczną prądnicą hamującą wyposażoną w wirnik klatkowy. Wzbudzenie prądnicy hamującej (stojan) zasilane jest z prostownika prądem stałym i regulowane opornikiem. Prądnica hamująca pracuje ze zmienną prędkością, a więc ze zmienną częstotliwością prądu indukowanego w uzwojeniu klatkowym wirnika. Układ DSBS daje dość sztywne (płaskie) charakterystyki hamowania, umożliwiające opuszczanie ciężarów znamionowych z prędkością wynoszącą około 14% prędkości znamionowej.

Hamowanie elektromechaniczne uzyskuje się w ten sposób, że silnik zwalniaka elektrohydraulicznego hamulca „Elhy" („Eldro") zasila się z uzwojeń wirnika silnika napędowego. Zasada działania tego rodzaju hamowania polega na tym, że wykorzystuje się zależność siły podnoszenia jarzma zwalniaka „Elhy", a więc i siły zwalniania hamulca, od prędkości obrotowej silnika napędzającego pompę wirnikową typu skrzydełkowego, która tłoczy olej w cylindrze zwalniaka. Pompa skrzydełkowa wytwarza w cylindrze ciśnienie oleju zależne od drugiej potęgi obrotów pompy, czyli od drugiej potęgi częstotliwości napięcia zasilającego silnik pompy. Tym samym siła zwalniająca hamulec będzie zależna od drugiej potęgi częstotliwości zasilania.

Jeżeli silnik zwalniaka załączymy do obwodu wirnika silnika napędowego, gdzie napięcie i częstotliwość zależna jest od prędkości obrotowej, to siła zwalniająca hamulec będzie proporcjonalna do kwadratu poślizgu silnika napędowego. Przebieg hamowania przy rozruchu jest w przybliżeniu następujący: w chwili rozruchu silnika napędowego silnik zwalniaka „Elhy" otrzymuje z uzwojenia wirnika prawie pełne napięcie o pełnej częstotliwości 50 Hz, wskutek czego hamulec zostaje na krótką chwilę od hamowany. W miarę wzrastania obrotów silnika napędowego napięcie i częstotliwość wirnika maleje, wskutek czego obroty silnika pompy w zwalniaku również maleją, co powoduje, że ciśnienie oleju spada i hamulec zostanie pod działaniem sprężyn przyhamowany. To z kolei spowoduje zwolnienie obrotów silnika aż do wystąpienia równowagi między prędkością obrotową silnika a siłą zwalniającą hamulec i ustalenia momentu hamującego na pewnym stałym poziomie. Przez odpowiednią regulację hamulca i dobranie oporności dodatkowej wirnika można uzyskać najkorzystniejszą charakterystykę mechaniczną układu — dość płaską, która umożliwia opuszczanie ciężarów z prędkością równą ok. 30% prędkości znamionowej. W układach napędowych ten rodzaj hamowania jest coraz częściej stosowany, przy czym zazwyczaj po jednym stopniu w obu kierunkach ruchu mechanizmów dźwigowych. Jedynie w mechanizmach wciągarek stosowany bywa czasem tylko w kierunku na opuszczanie. Wadą tego rodzaju hamowania jest większe zużywanie się hamulca mechanicznego (ścieranie się tarczy hamulcowej i wykładziny hamulczej). Jeśli napięcie wirnika silnika napędowego różni się znacznie od napięcia stojana, to przy zasilaniu zwalniaka „Elhy" z uzwojeń wirnika należy stosować transformator wyrównawczy o odpowiedniej przekładni napięć. Układy napędowe, w skład których wchodzi hamowanie elektromechaniczne sterowane bądź to sterownikiem, bądź też przyciskiem.

Silniki komutatorowe szeregowe, stosowane dotychczas na niektórych dźwigach mostowych 15 T do napędu wciągarek chwytakowych, nie mają specjalnych układów hamujących. Ograniczenie prędkości opuszczania pełnego chwytaka do granic bezpiecznych dla pracy dźwigu uzyskuje się do pewnego stopnia w drodze zmniejszenia momentu obrotowego silnika przez przesuwanie szczotek w kierunku pozycji magnesowania, czyli położenia zerowego. Obroty silników komutatorowych szeregowych przy opuszczaniu nie są stabilne. Silniki te wykazują tendencję do nadmiernego wzrostu prędkości obrotowej.

W układach połączeń silników komutatorowych, dla zapobieżenia nadmiernemu wzrostowi prędkości opuszczania, bocznikuje się opornością czynną pierwotne uzwojenie transformatora łączącego uzwojenie stojana z uzwojeniem wirnika. Bocznikowanie to dokonywane jest zazwyczaj w jednej lub w dwu fazach uzwojeń transformatora za pomocą osobnych oporników załączanych stycznikami sterowanymi nastawnikiem, który posiada dwa lub trzy stopnie do opuszczania. Sposób ten nie daje zbyt efektywnych rezultatów i w końcowym wyniku decyduje hamulec mechaniczny działający samoczynnie po przesunięciu dźwigni nastawnika w położenie zerowe.