W tym artykule podzielę się moim doświadczeniem w związku z hamowaniem silników w różnych aplikacjach i metodach.

Jeśli nie znajdziesz tutaj tego czego szukasz, to zapraszam do kontaktu. Chętnie pomogę w doborze i dostarczeniu rozwiązania.

Miłego czytania,
Dawid Wróblewski

Każdy silnik elektryczny może pracować w dwóch trybach:

1. Tryb silnikowy – podajemy napięcie na zaciski siłowe, energia elektryczna zamieniana jest na energię mechaniczną obracanego wału.

2. Tryb generatorowy – gdybyśmy zaczęli kręcić wałem silnika, na jego zaciskach wytwarzałoby się napięcie proporcjonalne do prędkości obrotu wału. Innymi słowy mówiąc – nasz silnik zamienia się w generator/prądnice.

Od strony naszego przemiennika częstotliwości widzimy dwa tryby pracy silnika jako:

  1. Silnikowy, gdy nim przyspieszamy i utrzymujemy na zadanej prędkości.
  2. Regeneratywny, gdy nim hamujemy. Tak, podczas hamowania nasz silnik jest prądnicą!

Najpierw przykład

Przeanalizujemy teraz aplikację wentylatora z dużymi łopatkami (średnica łopatek 1 metr). Takie wentylatory zazwyczaj mają bardzo dużą bezwładność (bardzo trudno je zatrzymać w krótkim czasie). Złożyliśmy układ i zaprogramowaliśmy nasz przemiennik.

Włączamy przycisk START. Wentylator rozpędza się do prędkości znamionowej. Wszystko jest w należytym porządku. Nagle jednak mamy potrzebę gwałtownie wyhamować. Naciskamy zatem przycisk STOP i po chwili naszym oczom pojawia się komunikat „OVT”. Oznacza on dosłownie: Over Voltage, co ma świadczyć o zbyt wysokim napięciu na kondensatorze szyny prądu stałego przemiennika (szyny DC).

Każdy przemiennik częstotliwości składa się zasadniczo z bloków (dosłownie każdy, jaki możecie nabyć na rynku w standardowym wykonaniu – pomijam wersje regeneratywne, AFE, matrix, ze sterowalnym mostkiem prostowniczym, itp.):

  • prostownika ( 6-pulsowy,diodowy),
  • szyny prądu stałego (bank kondensatorów DC),
  • falownika (moduły mocy z tranzystorami IGBT),
  • układu sterowania oraz interfejsu użytkownika (CPU, komunikacja, I/O).

Wygląda to mniej, więcej tak, jak na poniższym obrazku:

Jeśli potrzebujesz szkolenia z podstaw techniki napędowej, to chętnie je zorganizuję indywidualnie dla Twojego zespołu. Zobacz też, czy nie zbliża się jakieś szkolenie stacjonarne, które sam organizuję na tej stronie

Co się dzieje podczas hamowania?

Podczas hamowania, silnik jest wspomnianym już generatorem i generuje prąd, który wraca po kablach silnikowych do przemiennika częstotliwości. Przechodzi przez tranzystory IGBT, ładuje bank kondensatorów i… tyle!

Diody prostownika są dla prądu zaporowe, zatem ostatnie miejsce, gdzie energia z silnika znajduje swoje ujście, jest bank kondensatorów układu prądu stałego przemiennika częstotliwości. Gdy energii tej wraca zbyt wiele, lub jeszcze gorzej, wraca jej dużo i bardzo gwałtownie, wtedy nasz bank kondensatorów DC ulega bardzo szybkiemu naładowaniu (skończona pojemność), a układ zabezpieczeń przemiennika sygnalizuje (uwaga!) na wyświetlaczu komunikat błędu : „OVT”.

Patrz obrazek poniżej:

Ile tej energii może być?

Dokładnie tyle, by w pełni naładować kondensator solidnej pojemności do wartości napięcia:

  • Przy zasilaniu 1x230VAC : 420 VDC
  • Przy zasilaniu 3x400VAC: 820 VDC

Tak, na marginesie – w większości przemienników jest parametr do podglądu w czasie rzeczywistym wartości wysokości napięcia szyny DC ( w LGLS nazywa się DCL).

Co się dzieje z naszym wentylatorem, w sytuacji, gdy przemiennik sygnalizuje błąd „OVT”?

Niestety w takiej sytuacji, przemiennik otwiera klucze tranzystorowe i wygląda to tak, jakbyśmy odpięli kable silnikowe (zasilające silnik). Wentylator hamuje wolnym wybiegiem, zatrzyma się po długim czasie (osobiście byłem świadkiem kilkudziesięciominutowego hamowania wolnym wybiegiem pewnego wentylatora).

Co zaradzić w takim razie? W jaki sposób możemy wspomóc hamowanie? co zrobić, by hamować szybko, kontrolowanie lub często?

Mamy do wyboru kilka opcji:

  1. Wydłużać czas hamowania DEC. Stoimy przy przemienniku i wydłużamy czas DEC tak długo, aż nastąpi zatrzymanie bez błędu „OVT„.
  2. Użyć zewnętrznego rezystora hamowania, lub zewnętrznego modułu i rezystora hamowania (przeważnie do mocy 22KW przemienniki mają wbudowany moduł hamowania).

O co chodzi z tym rezystorem? Co to ten moduł hamowania?

Spójrzcie na obrazek poniżej:

Ów moduł hamowania (znany także jako tranzystor hamowania lub chopper), to nic innego jak tranzystor odpowiedniej mocy, który działa jako klucz otwórz-zamknij.

Pamiętacie poziomy wywołania błędu OVT?

Było to 420VDC dla zasilania 230 VAC oraz 820VDC dla zasilania 400 VAC. Gdy limit napięcia zostanie osiągnięty – tranzystor rozładowuje kondensator na naszym rezystorze hamowania.

Moduły hamowania są często wbudowane w przemiennik – należy tylko pod odpowiednie zaciski siłowe podpiąć zewnętrzny rezystor hamowania.

Jak dobrać rezystor hamowania?

Najłatwiej wyczytać w instrukcji obsługi przemiennika. Producenci podają tabele wartości oporności oraz mocy takiego rezystora. Zwróćcie uwagę na fakt jednakże, że rezystory z tabeli producenta dobrane są na hamowanie z momentem 100-150% oraz pracę ED=5%.

Gdy chcemy hamować mocniej, szybciej i częściej musimy już sami dokonać odpowiednich obliczeń i niejednokrotnie trzeba użyć znacznie większych rezystorów, niż te wyczytane z tabeli. Kwestia obliczeń, to materiał na dedykowany artykuł – jeżeli chcecie, dajcie znać w komentarzach na moim fanpage.

No dobra, mamy zatem moduł hamowania i podpięty rezystor hamowania (termik z rezystora również). Jakie mamy teraz możliwości?

Z doświadczenia mogę powiedzieć, jeżeli wentylator hamował wolnym wybiegiem kilka minut, z rezystorem hamującym ten czas skróci się do kilkunastu sekund (powiedzmy około 20 sekund).

Co się dzieje z energią, która wraca z silnika?

Nagrzewa nam rezystor, który robi nam za grzałkę. Pamiętajcie, że rezystory mogą się nagrzać nawet do tysiąca stopni Celsjusza i należy je odpowiednio osłaniać, wygradzać (często na dachu szafy sterowniczej w perforowanej blasze ochronnej).

Rezystor hamowania

Niestety cała ta energia ulatuje nam w postaci ciepła, nic pożytecznego z nią zrobić nie możemy. Za to wentylator hamuje tak, jak tego chcemy.

Kolejne metody to:

3. Użyć modułu zwrotnego energii elektrycznej z powrotem do sieci.

Jest to rozwiązanie eleganckie, lecz drogie i opłacalne w aplikacjach, gdzie oddajemy tej energii bardzo dużo: windy, suwnice, wirówki. Zamiast rezystora, podłączamy drugi falownik przeciw sobie, który generuje 50Hz. W takim module zwrotu znajduje się też szereg filtrów, w tym filtr, który synchronizuje się z częstotliwością sieci (pamiętamy, że wedle normy częstotliwość sieci może się wahać w granicach +/-5%).

Energia, która płynie od naszego silnika, wraca do sieci i zasila inne maszyny, płynie tam, gdzie znajdzie najbliższe ujście. Więcej o modułach zwrotu energii i wykonaniu AFE (Active Front End) przemiennika napiszę w osobnym, dedykowanym artykule.

4. Hamowanie strumieniem, w wielu źródłach opisywane jako: „Power Braking”.

Metoda ta pozwala na hamowanie silnikiem, zwiększając w nim strumień. Inaczej mówiąc, robimy z silnika rezystor hamowania :). Jest to dosyć niebezpieczna metoda, z tego powodu, iż takie hamowanie wyzwala ogromne ilości ciepła w silniku i możemy ją traktować jako metodę awaryjną, ostateczną. Uwierzcie – bardzo łatwo jest spalić, uszkodzić silnik elektryczny w ten sposób.

5. Hamowanie DC, hamowanie prądem stałym.

Metoda polega na „wstrzykiwaniu” do silnika napięcia i prądu DC przez określany czas, z ustaloną wielkością wstrzykiwanego prądu. Metoda ta, jest prosta, lecz przeznaczona bardziej do wyhamowywania niż hamowania dynamicznego. Wstrzykując do silnika prąd DC, zanika w nim zmienne pole magnetyczne i gwałtownie hamuje, jednocześnie bardzo mocno się nagrzewając. Prowadzi to do przegrzań i uszkodzeń.

Hamowanie DC wykorzystuje się nawet w częstych cyklach, lecz dohamowań.

Co mam na myśli przez dohamowanie?

Mianowicie to, że hamowanie DC wspomaga hamowanie normalne w odpowiednim momencie. W praktyce wygląda to tak: zaczynamy hamować wentylatorem i każdemu przemiennikowi dodatkowo wstrzykiwać prąd DC do silnika (dohamowywać), gdy silnik wyhamuje już do, powiedzmy 20Hz. Wtedy dopiero aktywuje się hamowanie DC aż do stopu i często trzymane jest nawet po stopie (w aplikacjach nawijakowych, by uniknąć obrotu w stronę przeciwną taboru).

Zatem metoda jest dobra, lecz by coś dohamować lub trzymać wał w zerowej prędkości po stopie.

6Dawid wroblewski kurs falowniki kursyautomatyki przemiennik silnik hamownia 6 softstart

Więcej o hamowaniu i dohamowywaniu pokazałem w kursie online na stanowisku z hamownią. Przeprowadzaliśmy razem z iAutomatyka.pl doświadczenia i omawialiśmy wnioski. Kurs w formacie wideo dostępny jest na stronie www.KursyAutomatyki.pl

Jako ciekawostkę powiem Wam, że jest coś takiego jak hamowanie DC przed startem. Wstrzykuje się prąd DC do silnika przed startem, by go przeważnie nagrzać (głównie pompy). Więc wszystkie unikatowe funkcje wszelkich producentów, specjalistycznych przemienników HVAC mających funkcje wstępnego nagrzewania pompy, lub odłączania pompy – to właśnie zwykłe hamowanie DC przed startem. Dostępne w znakomitej większości przemienników (nawet tych tanich).

Jak widzimy opcji hamowania dynamicznego mamy wiele. Co w przypadku, gdy nie musimy hamować tym wentylatorem? Czy możemy uznać, że wszystko jest ok?

Wyobraźmy sobie zatem następującą sytuację. Operujemy ze wspomnianym wentylatorem. Naciskamy STOP. Wentylator potrzebuje 5 minut, by wyhamować. Po 2 minutach mamy potrzebę włączyć wentylator (ciągle wiruje). Co wtedy? Naciskamy START i jest duże prawdopodobieństwo, że zrobiliśmy to po raz ostatni.

Przemiennik może ulec uszkodzeniu. Z pomocą przychodzi nam funkcja lotnego startu (opisywana jako „Flying start”, lub „On the fly start”). Po jej aktywacji przemiennik zsynchronizuje się z prędkością wirującego wentylatora, przejmie jego bezwładność w locie i dalej będzie go już kontrolować. Nie martwimy się czasem hamowania, a start w każdej chwili mamy zagwarantowany. (o lotnym starcie również są lekcje w kursie online)

Wygląda na to, że znaleźliśmy remedium na wszelkie nasze bolączki z hamowaniem wentylatora.

Już niebawem pojawi się kolejny artykuł o łączeniu falowników po szynie DC. Zapraszam do obserwowania mojego fanpge, aby być na bieżąco z takimi artykułami i filmami.

Całe to wprowadzenie miało przygotować Was teoretycznie by zrozumieć zasadność oraz celowość takiego łączenia przemienników.

Teraz możemy zająć się nietuzinkową metodą hamowania, jaką jest hamowanie za pomocą łączenia przemienników po wspólnej szynie prądu stałego.

Potrzebujesz pomocy eksperta?

Chętnie pomogę w doborze i dostarczeniu sprzętu.

Zapraszam do kontaktu,

biuro@dwimotion.pl
tel: 695445917