Serwisy partnerskie:
Close icon
Serwisy partnerskie

Silniki prądu stałego cz.9 - rola sterownika przy pracy w funkcji prądnicy oraz przy hamowaniu

Zgodnie z zapowiedzią w tym odcinku mamy omówić rolę sterownika przy pracy w funkcji prądnicy oraz przy hamowaniu.
Article Image

Prądnica i hamowanie (silnik prądu stałego)

Zacznijmy od bodaj najprostszego przykładu silnika bez żadnego regulatora, dołączonego wprost do akumulatora, gdzie nie ma żadnego sprzęgła i gdzie silnik jest stale połączony z kołami. Załóżmy, że w jakimś prymitywnym wózku golfowym silnik elektryczny jest dołączany wprost do akumulatora, bez żadnego regulatora.

Jak wyglądałaby sytuacja, gdyby silnik i akumulator były idealne, bez żadnych rezystancji szeregowych?

Nie ma wątpliwości, że podczas wjazdu pod górkę napięcie akumulatora powoduje pracę silnika. Załóżmy na początek dla ułatwienia analizy, że w silniku i w wózku nie ma strat tarcia (rysunek 1a).

W takiej sytuacji podczas wjazdu pod górkę cała energia elektryczna pobierana z akumulatora będzie zamieniana na energię mechaniczną, a ta zostanie zużyta na zwiększanie energii potencjalnej pojazdu. Wózek na szczycie pagórka będzie miał większą energię potencjalną, niż miał u jego podnóża. Cała energia elektryczna pobrana z akumulatora zwiększy energię potencjalną wózka, bez żadnych strat.

Nas teraz interesuje to, że przy idealnym silniku (o zerowej rezystancji strat RS) obroty silnika byłyby jednakowe, niezależne od stromości podjazdu, a tylko wartość prądu byłaby proporcjonalna do nachylenia (stromości) pagórka. Byłyby jednakowe, bo zasada pracy (idealnego) silnika polega na tym, że jest on jednocześnie prądnicą i obroty rosną na tyle, żeby napięcie prądnicy dorównało napięciu akumulatora, co wytworzy stan równowagi.

Podkreślmy, że podczas wjazdu pod górkę obroty idealnego silnika byłyby wyznaczone przez napięcie zasilania, a „wbudowana prądnica” cały czas wytwarzałaby napięcie dokładnie równe napięciu zasilania.

Rys.1 Jadący wózek - różne przypadki

Proste i jasne! A podczas zjazdu?

Każdy narciarz doświadcza faktu, że podczas zjazdu energia potencjalna zamienia się w kinetyczną – przy małych oporach ślizgu narciarz coraz bardziej przyspiesza. Owszem, narciarz podczas zjazdu przyspiesza, ale nasz idealny wózek z idealnym silnikiem – NIE! Otóż także przy zjeździe z dowolnie stromego pagórka prędkość silnika i wózka zawsze byłaby jednakowa. A co z energią potencjalną?

Podczas zjazdu naszego idealnego wózka w miarę obniżania traci on energię potencjalną i chciałby przyspieszać, a to zwiększyłoby napięcie wytwarzane przez prądnicę. A zwiększenie napięcia prądnicy oznacza odwrócenie kierunku prądu i ładowanie akumulatora. Zakładamy, że akumulator też jest idealny, czyli że ma zerową rezystancję wewnętrzną, więc podczas ładowania jego napięcie nie wzrasta, niezależnie od wartości prądu ładującego.

I właśnie ustalone napięcie akumulatora spowoduje, że wózek będzie zjeżdżał z taką samą prędkością, jak wjeżdżał. Z prędkością wyznaczoną przez napięcie akumulatora. Wprawdzie zjeżdżający wózek chciałby się rozpędzić, podobnie jak narciarz, ale nie pozwala na to akumulator.

Mianowicie w idealnym przypadku już znikome zwiększenie prędkości powodowałoby duży wzrost prądu ładowania: cały aktualny ubytek energii potencjalnej wózka byłby zamieniany w prądnicy na energię elektryczną przekazywaną do akumulatora. Prędkość ruchu będzie zawsze taka sama i nietrudno się domyślić, że wartość prądu ładowania będzie zależeć od stromości górki. Zjazd z łagodnej górki oznacza ładowanie mniejszym prądem (rysunek 1b). Zjazd ze stromej górki to szybka utrata energii potencjalnej wózka i ładowanie akumulatora odpowiednio większym prądem (rysunek 1c).

W idealnym przypadku bez rezystancji strat i tarcia, w każdym przypadku przy zjeździe odzyskalibyśmy całą energię pobraną podczas wjazdu. Ale to nie jest główny wątek artykułu. Dla naszych rozważań istotne jest pytanie: czy widać tutaj, że podczas zjazdu silnik dołączony do akumulatora jest hamowany?

I to właśnie jest bardzo ważny szczegół naszych rozważań! Możemy to ująć prosto: gdy silnik pełni funkcję prądnicy, wtedy jest hamowany tym silniej, im większy prąd płynie z prądnicy na zewnątrz. W sumie jednak nie chodzi o prąd, tylko o moc i energię:

(idealny) silnik pracujący w roli prądnicy jest hamowany tym silniej, im więcej energii mechanicznej zamienia się w nim na elektryczną. Ogólnie biorąc, siła hamowania odpowiada mocy elektrycznej wytwarzanej w prądnicy i „wysyłanej z niej na zewnątrz”, w naszym przypadku do akumulatora. To chyba jest jasne.

Ponieważ interesuje nas hamowanie, więc kontynuujmy nasz eksperyment myślowy. Przeanalizujmy przypadek, gdy akumulator jest idealny, ale silnik jest rzeczywisty, czyli ma niezerową rezystancję szeregową RS.

Gdy płynie przezeń prąd, na rezystancji tej występuje spadek napięcia, wprost proporcjonalny do wartości prądu. Dlatego podczas wjazdu pod górkę napięcie wytwarzane przez „prądnicę” będzie niższe od napięcia akumulatora UAKU o spadek napięcia I*RS. Sytuację ilustruje w uproszczeniu rysunek 2a.

Czym bardziej stromy będzie pagórek, tym większy będzie pobór prądu, większy spadek napięcia na RS i mniejsze napięcie na silniku-prądnicy – rysunek 2b. Napięcie wytwarzane przez prądnicę jest teraz mniejsze od napięcia akumulatora o spadek napięcia na RS. Do wytworzenia tego mniejszego napięcia prądnicy wystarczą mniejsza prędkość obrotowa, dlatego wózek będzie wjeżdżał wolniej niż przy zerowej rezystancji RS.

Rys.2 Wózek - wjazd pod górkę i zjazd

Gdy później ten wózek zacznie zjeżdżać z pagórka, też nastąpi ładowanie akumulatora. Ale podczas ładowania także wystąpi spadek napięcia (o przeciwnej biegunowości) na rezystancji silnika RS według rysunku 2c.

Aby akumulator był ładowany, napięcie wytwarzane przez prądnicę musi być wyższe od napięcia akumulatora. A to oznacza, że przy zjeździe wózek będzie miał prędkość większą niż podczas wjazdu. Zjazd z bardziej stromej górki (rysunek 2d) spowoduje zwiększenie prądu ładowania, a to spowoduje większy spadek napięcia na RS. Ponieważ napięcie (idealnego) akumulatora jest niezmienne, prądnica wytworzy jeszcze większe napięcie.

Czym większa rezystancja RS, tym większa będzie różnica między prędkością zjeżdżania i podjeżdżania. Ale to nie jest dla nas istotne. Ważne jest to, że także i tu podczas zjazdu mamy do czynienia z hamowaniem za pomocą silnika, a siła hamowania jest proporcjonalna do energii, którą prądnica „oddaje na zewnątrz”. Tym razem podczas zjazdu energia potencjalna będzie zamieniana przez silnik-prądnicę na energię elektryczną i ...

  • część tej energii elektrycznej będzie ładować akumulator (P = I * UAKU),
  • część energii elektrycznej zostanie zamieniona (zmarnowana) na ciepło w rezystancji RS (P = I2 * RS)

A jeżeli tak, to możemy rozważyć jeszcze jeden przypadek. Otóż załóżmy, że podczas zjazdu odłączamy silnik od akumulatora i pozostawiamy niepodłączony według rysunku 3a. Wtedy prąd nie może płynąć, nie ma hamowania, więc wózek podobnie jak narciarz jadący „na krechę” rozpędza się i zjeżdża coraz bardziej (energia potencjalna zamienia się na kinetyczną). Silnik obraca się coraz szybciej, wytwarza coraz większe napięcie, ale hamowania nie ma, bo nie płynie prąd i prądnica nie może „przekazać energii na zewnątrz”.

A jeżeli podczas zjazdu dołączymy silnik-prądnicę do potężnego potencjometru (reostatu), to będziemy mogli zmieniać siłę hamowania. Jeżeli nastawiona rezystancja potencjometru będzie duża (rysunek 3b), to popłynie przez nią niewielki prąd i niewielka będzie moc (P = UP * I) przekazywana z prądnicy „na zewnątrz” . Niewielka będzie też siła hamowania. Gdy ustawimy małą rezystancję potencjometru-reostatu (rysunek 3c), popłynie duży prąd i siła hamowania będzie duża.

Rys.3 Hamowanie wózka

Podkreślmy, że możemy regulować siłę hamowania przez zmianę prądu, pobieranego z silnika-prądnicy.

Największą możliwą siłę hamowania uzyskamy, gdy zewrzemy silnik, według rysunku 3d. Wtedy całe napięcie stałe wytwarzane przez prądnicę wystąpi na rezystancji szeregowej RS i cała moc zostanie wydzielona w postaci ciepła właśnie w rezystancji RS, czyli w sumie głównie w rezystancji uzwojeń silnika (co przy długotrwałym hamowaniu może doprowadzić do przegrzania silnika). To na pewno jest niekorzystne, ale ten szczegół pominiemy.

Nie będziemy też analizować sytuacji według rysunku 4, gdy na czas zjazdu z bardzo stromej górki dołączymy akumulator, ale zmienimy biegunowość napięcia zasilania.

I jeszcze jedno: na wszelki wypadek nie pytaj, jak byłoby z hamowaniem przez zwarcie zacisków idealnego silnika bez rezystancji szeregowej RS. Przyjmij, że na szczęście takich silników nie ma i nie musimy analizować takiego mocno kłopotliwego przypadku...

Rys.4 Hamowanie wózka - odwrotne dołączenie akumulatora

Podsumujmy: hamowanie wynika z prostego (ale nie dla wszystkich oczywistego) faktu, że energia jest przekazywana z silnika-prądnicy na zewnątrz. W przypadkach z rysunków 1b, 1c, 2c, 2d przynajmniej część tej energii jest przekazywana do akumulatora. Wtedy mówimy o hamowaniu regeneracyjnym – odzyskowym. Ale podczas hamowania energia może też być tracona, zamieniana na ciepło w rezystancjach według rysunku 3.

Może się zastanawiasz, dlaczego w cyklu o elektronicznych sterownikach silników tyle uwagi poświęcamy hamowaniu? Otóż w niektórych przypadkach system mechaniczny ma dużą bezwładność, a potrzebna jest duża precyzja sterowania. Sterownik silnika powinien nie tylko zapewniać napęd, ale też hamowanie.

Najlepiej, żeby to był i regulowany napęd, i regulowane hamowanie. W następnym odcinku zaczniemy omawiać szczegóły, a Ty już teraz pomyśl, jak w elektronicznym sterowniku silnika zrealizować regulację hamowania.

Tematyka materiału: silniki prądu stałego, prądnica
AUTOR
Źródło
Elektronika dla Wszystkich maj 2019
Udostępnij
UK Logo