Odzysk energii hamowania w napędach elektrycznych

Na rysunku 1 przedstawiono dwa tryby pracy typowego napędu elektrycznego. W pierwszym przypadku (rys. 1a) przetwornica częstotliwości zasila silnik elektryczny. Ten zaś napędza obciążenie do prędkości, która jest wymagana w danym zastosowaniu.

Kiedy silnik pracuje jak generator?

Rys. 1. a) Silnik napędza obciążenie, b) silnik pracuje jako generator

Gdy obciążenie trzeba zatrzymać albo zmniejszyć prędkość jego ruchu, częstotliwość i amplituda napięcia wyjściowego przetwornicy są odpowiednio zmieniane. To zmniejsza prędkość wirowania pola magnetycznego w silniku, a tym samym zmniejsza jego prędkość. Nie oznacza to, że równocześnie od razu obciążenie uzyskuje odpowiednią prędkość lub się zatrzymuje.

Nie jest to możliwe z powodu jego inercji. W związku z tym przez jakiś czas obciążenie porusza się z większą prędkością niż wynosi szybkość wirowania pola magnetycznego w silniku. Poślizg jest wówczas ujemny. W takim wypadku silnik pracuje jak generator.

Napięcie indukowane w uzwojeniach wirnika ma wtedy większą amplitudę niż napięcie zasilania. Część tej energii jest rozpraszana w silniku, a pozostała ładuje kondensator napędu (rys. 1b). Trwa to do momentu załączenia się jego zabezpieczeń przeciwprzepięciowych.

Silnik przestaje wówczas pracować jako generator. Straty mechaniczne, takie jak straty na tarcie, w końcu powodują zatrzymanie się obciążenia.

Przykład odzyskiwania energii - winda

Rys. 2. W windzie silnik na przemian pobiera energią i działa jak generator

Przykładem urządzenia, w którym silnik naprzemiennie pobiera i produkuje energię, jest winda. Urządzenie to działa na zasadzie przekształcania energii elektrycznej w energię potencjalną magazynowaną w podnoszonym obciążeniu.

Jak zostało to przedstawione na rysunku 2a energia jest przez silnik pobierana wówczas, kiedy: 1) siła ciągu napędu windy musi pokonać siłę przyciągania ziemskiego wywieraną na wznoszącą się kabinę, która jest cięższa, niż opuszczana w dół przeciwwaga oraz wtedy, gdy: 2) siła ciągu napędu windy musi pokonać siłę grawitacji, jaka działa na podnoszoną przeciwwagę, która waży więcej niż opuszczana w dół kabina.

Jak z kolei wynika z rysunku 2b, silnik pracuje jak generator wtedy, gdy: 1) kabina jest podnoszona w górę, ponieważ jest lżejsza, niż opuszczana w dół, pod wpływem siły grawitacji, przeciwwaga, oraz wówczas, kiedy: 2) dzięki sile przyciągania ziemskiego kabina, która waży więcej, niż podnoszona przeciwwaga, jest opuszczana w dół.

Rezystory czy zwrot energii do sieci?

Rys. 3. W dodatkowym rezystorze energia hamowania jest tracona na ciepło

Możliwości akumulacji energii hamowania w napędach są ograniczone. W związku z tym trzeba znaleźć jakiś sposób na jej odprowadzanie. W tym zakresie spopularyzowały się przede wszystkim dwa rozwiązania.

W pierwszym wykorzystuje się dodatkowe rezystory. Obwód z tymi elementami jest załączany w momencie rozpoczęcia procesu zatrzymywania maszyny (rysunek 3). Energia hamowania jest w tych opornikach tracona na ciepło.

Metoda ta jest popularna głównie ze względu na łatwość realizacji oraz jej niski koszt. Im więcej energii jest jednak w ten sposób traconej, tym ostatecznie to rozwiązanie jest droższe.

Oprócz tego z przemianą energii hamowania w energię cieplną wiąże się konieczność zastosowania dodatkowego chłodzenia. To również wpływa na koszt całej maszyny.

Alternatywą jest zwracanie energii hamowania do sieci elektroenergetycznej. W tym celu napęd trzeba uzupełnić o dodatkowy układ (rys. 4).

Odzysk energii jest coraz popularniejszy

Rys. 4. Dodatkowy obwód do odzysku i zwrotu energii hamowania do sieci elektroenergetycznej

Podczas normalnej pracy, kiedy przetwornica częstotliwości zasila silnik elektryczny, dodatkowy obwód jest wyłączony z głównego toru przepływu energii. Z jego obecności nie wynikają zatem żadne dodatkowe straty energii.

Podczas hamowania, gdy rozpoczyna się ładowanie kondensatora napędu, dodatkowy układ jest załączany. Absorbuje on wtedy energią hamowania i zwraca ją do sieci. Można ją też wykorzystać do zasilenia innych urządzeń w systemie.

Wybierając między rezystorem a układem odzysku energii hamowania, rozważyć trzeba kwestie techniczne i opłacalność takiej inwestycji. To drugie zależy od częstości hamowania oraz ilości energii, którą trzeba zagospodarować. Aby wdrożenie systemu odzysku energii było opłacalne, jego koszt musi być niższy od wartości energii, którą można dzięki niemu zwrócić do sieci w czasie oczekiwania na zwrot z inwestycji.

Technika zwrotu energii hamowania do sieci energetycznej popularyzuje się wraz ze wzrostem cen energii. Wpływa na to też rosnąca świadomość konieczności ograniczania strat energii w celu ochrony środowiska. Metoda ta jest wdrażana coraz powszechniej m.in. w napędach wind, dźwigów, podnośników, wrzecion oraz maszyn, które stanowią obciążenie o dużej inercji.

Monika Jaworowska