Silniki elektryczne – popularne maszyny elektryczne stosowane są w większości sprzętach zasilanych energią elektryczną. Znajdziemy je w domu, w przemyśle, a od kilku ostatnich lat silniki elektryczne zyskują popularność również w motoryzacji jako główne źródło napędu pojazdów. Budowa silnika elektrycznego jest na tyle prosta, że jego rozpędzenie nie stwarza nam żadnych trudności. Czy podobnie jest z zatrzymaniem silnika?

Elektrotechnika jak i jej dział „maszyny elektryczne” to bardzo wiekowe dziedziny nauki. Z tego powodu opracowanych metod wyhamowywania silnika elektrycznego mamy już kilka. Rodzaj metody hamowania jak i skuteczność jest wymuszona głównie przez wymagania samej maszyny, w której dany silnik wykonuje pracę.

Musimy wiedzieć, że hamulce w silnikach elektrycznych są obecne chociażby dzięki przepisom bezpieczeństwa i higieny pracy. Ciężko wyobrazić sobie piłę do cięcia do drewna czy kosiarkę do koszenia trawy czyli w obu przypadkach urządzenia, gdzie elementem wirującym jest ostre narzędzie do cięcia bez przyspieszonego-wymuszonego hamowania.

Innym powodem stosowania hamulców w maszynach jest sam proces produkcyjny, gdzie maszyny często muszą stawać lub nawet odwracać kierunek wirowania. Gdyby silniki te w swoich procesach pozbawione były hamulców to po prostu proces produkcji wydłużyłby się kilkukrotnie, bowiem im większy ładunek na wale tym dłużej będzie on się zatrzymywać.

Hamowanie tradycyjne – czyli brak hamulca

Jedną z najpopularniejszych metod hamowania silnika jest nic innego jak… pozbawienie go zasilania. I choć brzmi to dość śmiesznie to brak hamulca i pozbawienie go zasilania prowadzi do bez kosztowego zatrzymania maszyny.

Mechaniczny hamulec silnika

Gdy jednak przychodzi nam hamować to jednym z najprostszych hamulców jest mechaniczny hamulec oparty jedynie na sprężynie i fizyce. Tego typu rozwiązanie jest rozwiązaniem bardzo budżetowym nie gwarantujący całkowite unieruchomienie wału. Tego typu rozwiązanie ochoczo wykorzystywane jest przez producentów sprzętów ogrodniczych czyli we wspomnianych kosiarkach. Na wale oprócz wirnika jest dodatkowo sprężyna oraz metalowa pokrywa, która na wskutek obrotu wirnika zaczyna być prawami fizyki wypychana do środka wirnika (analogicznie jak wyłącznik odśrodkowy wykorzystywany w jednofazowych silnikach do załączania dodatkowej pojemności podczas rozruchu silnika). Gdy silnik staje (przez pozbawienie zasilania) siły odśrodkowe maleją i gdy będą mniejsze od siły sprężyny to pokrywa zostaje znów dopchnięta do kapy silnika gdzie czekają już gotowe do całkowitego wyhamowania silnika okładziny podobne do tych w klockach hamulców samochodowych.

Tego typu rozwiązanie jest bardzo tanie i niestety nie pozbawione minusów. Charakterystyką tego rozwiązania jest przyspieszenie zatrzymania wirnika, ale po zatrzymaniu nie blokuje całkowicie silnika tylko utrudnia jego obrót. Stąd możemy nadal po wyłączeniu zasilania obracać nożem kosiarki.

Elektromechaniczny hamulec silnika

Bardziej rozbudowaną wersją pierwszej metody omówionej wyżej jest elektromechaniczna jej wersja czyli hamulec z elektromagnesem. W tym przypadku hamulce te przeważnie są traktowane jako dodatkowe urządzenia montowane do silnika. By nie było zbyt prosto – nie można od tak kupić sobie hamulca i zamontować na silniku. Ogranicza nas mechanika silnika, a konkretniej wału motoru. Będzie on po prostu za krótki. Dlatego też, elektromechaniczne hamulce montowane są w silnikach przez samych producentów już na etapie produkcji samego silnika. Jak działa wspomniany hamulec silnika? Hamulce te podobnie jak mechaniczni bracia mają w sobie sprężyny, element cierny który bezpośrednio wytraca prędkość oraz elektromagnes. Elektromagnes umieszczony jest w specjalnej obudowie. Uzwojenie elektromagnesu zalane jest żywicą by ustabilizować uzwojenie przez drganiami. W zależności od typu zastosowanego hamulca możemy je podzielić na grupy z podziałem na sposób zasilania. Najczęściej w elektrotechnice spotyka się hamulce zasilane prądem przemiennym międzyfazowym. Ale nie oznacza to, że w karierze nie spotkamy się z hamulcem na napięcie fazowe lub na prąd stały – czyli zasilanym przez mostek prostownikowy.

Hamowanie prądem stałym

Tego typu hamowanie możemy zaliczyć do hamowania nie mechanicznego. Często też hamowanie prądem stałym nazywane jest hamowaniem dynamicznym. Wytracanie prędkości silnika wykonywane jest czystą fizyką bez wykorzystania mechaniki. Jeśli mówimy o wykorzystaniu czystej fizyki nie możemy wspomnieć, o fakcie, że podobnie jak w przypadku hamulców mechanicznych tak i w przypadku hamowania prądem stałym potrzeba elementu wykonawczego. W tym przypadku jest to moduł o konstrukcji z możliwością montażu na szynie TH w szafie sterowniczej lub bezpośrednio do płyty montażowej.

Urządzenie po wyłączeniu silnika podaje poprzez dwa styki przyłączeniowe silnika prąd stały na uzwojenie powodując tym samym powstanie nieruchomego pola magnetycznego w stojanie. W tym samym czasie dzięki obracającemu się jeszcze wirnikowi indukuje się siła elektromotoryczna proporcjonalna do prędkości obrotowej silnika. W wirniku będącym zamkniętym obwodem następuje przepływ prądu, który wytwarza hamujący moment zmniejszając tym samym prędkość obrotową silnika.

Hamowanie przeciwprądem

Bardzo prosta metoda hamowania nie wymagająca dodatkowych urządzeń poza elementem załączającym przeciwny kierunek wirowania silnika. Zasada tego hamulca nie wymaga konstruowania lub opracowywania skomplikowanych algorytmów czy układów sterowania. Od automatyki sterującej wymaga się jedynie zaraz po wyłączeniu zasilania zasilenie go ponownie ale w przeciwnym kierunku. Brzmi prosto – jest prosto ale niestety to koniec plusów tej metody. Załączanie przeciwprądu niesie za sobą duże obciążenia zarówno dla mechaniki silnika jak i obwodu elektrycznego. Tego typu hamowanie możemy porównać niemal do włożenia patyka w kręcące się koło rowerowe. Układ elektryczny z kolei w momencie podania przeciwprądu pracuje w stanie zwarcia. W uzwojeniu wytwarza się bardzo dużo ciepła, a wszelkie wady uzwojenia jeszcze bardziej są narażone na powiększenie się.

Hamowanie falownikiem

Jeżeli nasze silniki pracują pod kontrolą falowników to w większości przypadków nie musimy stosować dodatkowych elementów hamujących. Inwertery mogą płynnie modulować częstotliwość zasilania silnika, a co za tym idzie płynnie wyhamować silnik. Warto również dodać, że falowniki oprócz tzw. sterowania rampą czyli obniżaniem częstotliwości napięcia nierzadko potrafią również hamować dynamicznie czyli prądem stałym lub posiadają tryb hamowania wolnym wybiegiem czyli po prostu odcinają napięcie.