Рекуперативное торможение — что это такое и как работает?
Друзья, вы наверняка замечали, что в последние годы тема всевозможных возобновляемых и экологически чистых источников энергии муссируется очень активно.
В связи с этим хотелось бы поговорить о системе, которая просто таки творит чудеса — система рекуперативного торможения.
Во первых хочется сказать, эта новомодная система добралась все-таки и до любимых нами легковушек. Теперь уже практический каждый автопроизводитель имеет в своём арсенале по парочке моделей с гибридной силовой установкой, а то и вообще электромобиль.
Рекуперативное торможение — источник энергии
В чём же суть данной технологии? Оказывается, что во время движения наши с Вами автомобили не только поглощают энергию, съедая топливо, но и выделяют её.
Происходит это, как правило, во время торможения, когда масса кинетической энергии улетучивается в виде тепла от тормозных механизмов в а, — как-то раз задумались инженеры.
Результатом их трудов и стала система рекуперативного торможения, то есть такая, которая возвращает часть выделяющейся энергии обратно, в организм автомобиля, где потом используется вновь, а это значит, что мы экономим.
Проще всего такой фокус можно реализовать на гибридных машинах и электромобилях. Почему? Ответ будет дальше.
Кстати, автомобильный транспорт не единственный, где можно встретить рекуперационные системы. Довольно активно и давно они используется на железной дороге у электровозов, а также на городском электротранспорте – трамваях и метро.
Использование системы рекуперации в механизме подвески
Естественно, любой разработчик всегда хочет извлечь максимальную выгоду из всего, поэтому рациональные инженеры пошли ещё дальше: они решили использовать кинетическую энергию подвески, работающей во время обычного движения. Разработкой такой системы занимаются фирмы Levant Power и ZF, так что в будущем, такими приспособлениями могут быть оснащены все серийно производимые автомобили.
Как работает рекуперативная подвеска
В состав системы входит небольшой электрический движок, четыре электрогидравлических насоса и блок управления. Аппаратура монтируется около каждого амортизатора, а при перемещении в них штока, кинетическая энергия будет преобразовываться в электрическую и подаваться на АКБ. Сочетание данной системы с традиционной рекуперацией, должно обеспечить эффективность приблизительно в 2 раза большую.
Заключение
Рекуперативное торможение — одно из самых полезных изобретений! Действительно, зачем пропадать энергии даром, если её можно использовать с пользой. Самую большую выгоду от рекуперации имеют электропоезда — вот там реально глобальные масштабы (с них кстати всё и началось), а самую маленькую — лёгкий индивидуальный электротранспорт: мотоциклы, скутера, велосипеды, самокаты и т. п. Также, большую роль играет местность, по которой будет двигаться транспортное средство. К примеру в городе, глупо ожидать от рекуперации больших успехов, ведь там, автомобили, итак, ползут черепашьим темпом и к интенсивному замедлению водители прибегают не часто. Зато вот на холмистой местности, действительно можно «разгуляться». В любом случае, некоторое количество затраченный энергии, вы таки будете получать обратно — иногда больше, иногда меньше. Поэтому, данная система имеет полное право на существование!
Как сохранить энергию торможения?
С сутью рекуперации мы, кажется, разобрались, теперь остаётся выяснить, как она реализована на практике. Есть несколько способов повернуть энергию, выделяющуюся при торможении, в нужное русло. Мне известны только два:
- электрический;
- механический.
Электрический метод
Электрическое рекуперативное торможение, с технологической точки зрения можно назвать самым доступным, и именно он наиболее точно подходит под определение этой системе.
Система рекуперативного торможения
Электрический метод актуален для автомобилей с гибридными моторами (ДВС + электропривод) или для электромобилей.
Главную роль тут играют электродвигатели, которые благодаря своим свойствам, могут не только крутить колёса, но и крутиться сами под воздействием внешних сил, превращаясь в генераторы.
В момент рекуперативного торможения, электромотор переключается в генераторный режим и создаёт дополнительное останавливающее усилие на осях. В этом случае он уже не потребляет энергию аккумулятора, а наоборот, подзаряжает его, и так повторяется каждый раз, когда вы нажимаете на тормоз.
Таким образом, по подсчётам автопроизводителей, подобная система рекуперации на гибридном авто экономит до 30% запасов топлива.
Необходимо отметить, что в зависимости от скорости машины, электроника сама выбирает как ей лучше оттормаживаться – с помощью электродвигателя или традиционными методами.
//www.youtube.com/watch?v=yfo6U3bUISM
Что такое рекуперация?
«Recuperatio» — именно от этого латинского слова произошла «рекуперация». Его значение — «обратное получение». Говоря более конкретно, это означает возвращение некоторого количества энергии или вещества, для дальнейшего применения в том же процессе. В случае со средствами передвижения, речь идёт о трансформации в процессе торможения кинетической энергии в электрическую.
Движущийся автомобиль — это кинетическая энергия, а при задействовании тормозной системы, ей нужно куда-то деваться. В машинах работа тормозных механизмов основана на трении, от которого при замедлении транспортного средства будет вырабатываться тепло. Что из этого следует? А то, что оно просто уходит в никуда — бесследно растворяется в окружающей среде.
Смекалистые инженеры пошли на хитрость: они решили пускать даровую энергию в рациональное русло и добились того, что некоторая её часть таки будет возвращена. При следующем ускорении машины, аккумулятор будет использовать энергию, сохранённую ранее от рекуперации.
Здесь важно понимать, что регенерация не является каким-то волшебством, увеличивающим пробег средства передвижения на одном заряде. Данная система не сделает ваш автомобиль более эффективным как таковым, она просто делает его менее неэффективным. Если говорить по сути, то идеальной будет такая езда, при которой вы разгонитесь до определённого постоянного скоростного режима и будете удерживать его, не прибегая по ходу движения к торможению.
Дело в том, что для замедления и последующего возвращения к прежнему темпу езды, понадобятся дополнительные энергозатраты поэтому, чтобы рассчитывать на большой запас хода, нужно полностью избегать замедлений. Очевидно, что воплотить подобную затею в жизнь — не реально. На практике, прибегать к замедлению приходится довольно часто, а рекуперация всего лишь делает процесс торможения менее бесполезным.
Главная / Технологии вождения поездов
Электродинамическое торможение
Электрические машины обладают уникальным свойством обратимости, т.е. при некоторых условиях они могут работать как электродвигатель, а при других как генератор электрической энергии. Обладают этим свойством и тяговые двигатели электровозов и тепловозов.
Применение электродинамического торможения (ЭДТ)
Электродинамическое торможение – это режим когда кинетическая энергия поезда преобразуется в электрическую и далее передается другим потребителям при рекуперативном торможении или гасится на тормозных резисторах при реостатном торможении.
Рекуперативное торможение возможно только на электровозах, при этом генерируемая энергия возвращается в контактную сеть, где может быть потреблена другими электровозами следующими в тяговом режиме, а при отсутствии таковых возвращена в электрическую сеть энергосистемы страны. Существуют локомотивы с функцией рекуперативного торможения, как для постоянного тока, так и для переменного. Реостатное торможение применяется в основном на тепловозах, а также на некоторых сериях электровозов (ВЛ-80т, ЧС-4т). При данном виде торможения электрическая энергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, расходуется на специальных тормозных резисторах, где она преобразуется в тепловую энергию.
Необходимость применения электродинамического торможения
Применение электродинамического торможения целесообразно с многих точек зрения. Его применение позволяет повысить безопасность движения поездов – поскольку при применении ЭДТ пневматические тормоза не задействованы, то тормозная система поезда всегда готова к применению. В связи с этим отсутствует опасность следования на запрещающий сигнал светофора с истощённой, незаряженной тормозной магистралью.
Применение электродинамического торможения позволяет повысить скорость движения. Так, при использовании пневматического торможения скорость движения сначала возрастает до максимальной, а затем при торможении ее необходимо существенно снизить, чтобы успеть зарядить тормозную систему до повторного возрастания скорости до максимальной. Таким образом, средняя скорость движения будет существенно ниже допустимой скорости движения по данному участку, особенно на участках с большими уклонами. При электродинамическом торможении можно следовать при скорости максимально приближенной к допустимой длительное время. Также необходимо отметить возможность выхода со спуска на площадку или на подъем с максимально допустимой скоростью. Применяя пневматические тормоза такого добиться более затруднительно. Кроме того применение рекуперативного торможения может существенно уменьшить расход электрической энергии затраченной на проведение поезда по участку. Особенно существенное снижение происходит на участках с горным профилем, на котором существуют «вредные спуски».
Порядок применения рекуперативного торможения
При приемке локомотива необходимо убедиться в исправности электрической схемы рекуперативного торможения. Проверяется работа возбудителей, плавность нарастания тока возбуждения при увеличении позиций. Работу электроблокировочного клапана и клапана замещения . Электроблокировочный клапан препятствует наполнению тормозных цилиндров локомотива от воздухораспределителя при собранной схеме рекуперации. Это необходимо для предупреждения юза колесных пар, поскольку при рекуперативном торможении создается большая тормозная сила и если к ней добавить тормозную силу тормозных колодок, то суммарно они могут стать больше чем сила сцепления колеса с рельсом. Электроблокировочный клапан, как правило, дополняется еще одним пневмоэлектрическим датчиком, контролирующим давление в ТЦ создаваемое краном вспомогательного тормоза. Поскольку исключить действие вспомогательного тормоза локомотива в режиме рекуперативного торможения невозможно, то для предупреждения юза колесных пар давление в ТЦ ограничивается на уровне 1,2-1,5 Атм. При превышении данного значения происходит автоматический разбор схемы рекуперативного торможения. Клапан замещения играет роль защиты для предупреждения от разрыва поезда в случае внезапного отключения схемы рекуперации. Поскольку при рекуперативном торможении вся тормозная сила сосредоточена на локомотиве и наибольшее ее значение приложено между локомотивом и первым вагоном, то демпферные устройства первых вагонов имеют наибольшее сжатие. В случае если происходит внезапное отключение рекуперативного торможения, то сжатые пружины резко разжимаются и при этом локомотив получает значительное ускорение. С учетом его значительной массы данный рывок может привести к обрыву автосцепки. Для исключения данных случаев на электровозах устанавливается клапан замещения – при срыве рекуперации он автоматически, без участия машиниста, производит наполнение тормозных цилиндров до давления 1,5 2 Атм. После разбора схемы рекуперативного торможения, действие данного клапана прекращается.
При следовании по участку необходимо заранее определить места, на которых будет применяться рекуперативное торможение и скорость его применения. Скорость следования в режиме ЭДТ в любом случае должна быть на 5-10 км/час ниже допустимой. Это требование необходимо из условий безопасности движения. Так, при срыве рекуперативного торможения, машинисту необходимо некоторое время для разбора схемы рекуперации и применения автотормозов поезда. Поскольку действие автотормозов происходит с задержкой, то за это время скорость может значительно увеличиться и превысить разрешенную.
При следовании по спуску сбор схемы рекуперации необходимо начинать на 5-10 км/час ниже, чем необходимо для длительного следования. Для этого сначала необходимо сжать головную часть поезда, для чего производят наполнение тормозных цилиндров до давления 0,5-1,0 Атм краном вспомогательного тормоза. Производится запуск мотор-генераторов (возбудителей), селективной рукояткой устанавливается соединение тяговых двигателей соответствующее планируемой скорости движения. Постепенно увеличивая ток возбуждения ТЭД, контролируют появление тормозного тока. После появления тормозного тока необходимо выдержать несколько секунд для более полного сжатия состава, после чего отпустив тормоза локомотива увеличивать тормозную силу увеличением тока рекуперации. Недопускается быстро увеличивать тормозную силу, поскольку это может привести к набеганию хвостовой части поезда и возникновению значительных продольно-динамических реакций. Если скорость ниже необходимой, то силу тока устанавливают несколько меньшей, чем необходимо для установившегося движения. По мере роста скорости ток ТЭД, а следовательно, и тормозная сила, будет возрастать что впоследствии приведет к стабилизации скорости. При дальнейшем движении по спуску необходимо контролировать изменения напряжения контактной сети и при необходимости производить корректировку тормозного тока. При наличии на спуске участков различной крутизны необходимо корректировать тормозной ток для поддержания стабильной скорости. Так при наличии впереди более пологого участка необходимо снижать тормозную силу, а после его проследования и выхода вновь на более крутой спуск ее увеличить. Изменения должны происходить плавно с выдержкой по несколько секунд на каждой позиции. Если пологий участок достаточно длинный, то допускается заблаговременное снижение тормозного тока. Это позволит увеличить скорость перед пологим участком и не допустить значительного замедления на нем.
При необходимости прекращения рекуперативного торможения тормозной ток плавно уменьшается, это позволяет демпферным устройствам головных вагонов «разжаться». После снижения тока якоря до 50-150 А, производят наполнение тормозных цилиндров краном вспомогательного тормоза до давления 0,8-1,0 Атм, после чего производят отключение рекуперативного торможения. После того как действие рекуперативного торможения прекратилось, увеличивают давление в ТЦ до 1,5-2,0 Атм и после выдержки 10-15 сек плавно, ступенями, производят отпуск вспомогательного тормоза. Выключают мотор-генератор, в случае если далее будет необходим тяговый режим, то производят соответствующие переключения, если же планируется вновь применять рекуперативный режим, то переключения можно не производить. Выключение режима ЭДТ лучше производить с таким расчетом, чтобы в конце спуска и переходе на подъем или площадку поезд развил максимально-допустимую скорость. Данный метод позволяет значительную часть подъема проследовать на выбеге или с уменьшенными токами, что позволит уменьшить расход электроэнергии и защитить ТЭД от перегрева.
Достоинства и недостатки видов ЭДТ
Для всех видов ЭДТ недостатком является то, что при следовании по спуску тяговые электродвигатели находятся в работе, в связи с чем их температура не снижается, либо снижается медленно, а при следовании с током выше часового – повышается. Поэтому, если за спуском расположен подъем, то на нем может произойти перегрев ТЭД. Возникновение данной ситуации конечно маловероятно, но, тем не менее, при вождении тяжелых поездов на затяжных подъемах и спусках необходимо учитывать данное обстоятельство. Еще одним недостатком является то, что при ЭДТ под воздействием реакции якоря существенно изменяется местоположение физической нейтрали. В данном случае коммутация в коллекторно-щеточном узле происходит в точке с ненулевым потенциалом, что ведет к увеличению искрения, опасности возникновения кругового огня по коллектору, повышенному износу щеток и коллектора. В современных двигателях устанавливаются компенсационные обмотки, которые несколько уменьшают данный недостаток.
Реостатное торможение
К достоинствам реостатного торможения можно отнести относительно простую схему, тормозные характеристики не зависят от внешних факторов (колебания напряжения контактной сети). На электровозах переменного тока не требуется сложное преобразование постоянного тока в переменный. Применение реостатного торможения возможно практически до полной остановки поезда.
К недостаткам данного вида можно отнести ограниченную мощность, которая определяется мощностью рассеивания тормозных резисторов, а также необходимость применения охлаждающих вентиляторов для них.
Рекуперативное торможение
Одним из основных достоинств рекуперативного торможения является возврат электрической энергии и снижение ее общего расхода на тягу поездов. Второе – это то, что рекуперативное торможение является более мощным по сравнению с реостатным, в данном случае она ограничена мощностью тяговых двигателей и наличием потребителей. К достоинствам также можно отнести автоматические тормозные характеристики. При правильно выбранном соединении и позиции происходит автоматическое поддержание выбранной скорости (относительно небольшие изменения) при изменениях профиля пути. Так, если по каким-то причинам произошло снижение скорости, то в ответ на это уменьшается ток рекуперации и как следствие – замедляющие усилие. Тем самым скорость прекращает снижаться и стабилизируется на новом уровне. При росте скорости ток рекуперации наоборот возрастает, а вместе с ним и замедляющее усилие, что также приводит к ее стабилизации.
К недостаткам рекуперативного торможения можно отнести более сложную схему работы ТЭД, зависимость тормозных характеристик от напряжения в контактной сети. От нее также зависит и отдаваемая мощность в рекуперативном режиме, и даже сама возможность его применения. Поскольку для возникновения эффекта рекуперации необходимо превышение напряжения вырабатываемого ТЭД над напряжением в контактной сети, то при повышенном напряжении в ней применение рекуперативного торможения становится невозможным. Также к недостаткам можно отнести невозможность применения рекуперативного торможения при малых скоростях движения, поскольку даже последовательно соединенные ТЭД не вырабатывают достаточного напряжения для возникновения рекуперативного эффекта. Необходимо также отметить тот фактор, когда при значительном изменении напряжения контактной сети изменяется ток рекуперации и соответственно тормозная сила электровоза. При возникновении таких ситуаций машинисту необходимо самому корректировать ток рекуперации. В 80-е годы ХХ века производились работы по улучшению работы схемы рекуперативного торможения. Так на электровозах ВЛ-11 впервые была применена система автоматического управления рекуперативным торможением (САУРТ). Данная система производила стабилизацию якорного тока ТЭД независимо от изменения напряжения в контактной сети или скорости движения. Однако в данном виде пропадал эффект автоматических тормозных характеристик. Так, например, при снижении скорости снижалось напряжение, вырабатываемое ТЭД, и как следствие снижение якорного тока. Система САУРТ для поддержания тока якоря на заданном уровне производила повышение тока возбуждения, таким образом, при снижении скорости ток якоря оставался постоянным, а ток возбуждения возрастал, что приводило к усилению замедляющей силы и к еще большему снижению скорости. С данной системой отпала необходимость контролировать ток рекуперации при колебаниях напряжения в контактной сети, но появилась необходимость контролировать скорость движения и при необходимости корректировать ток якоря. Тем не менее, несмотря на имеющиеся недостатки, применение рекуперативного торможения наиболее желательно.
ЭДТ на современных локомотивах
Современные локомотивы оборудуются микропроцессорными системами управления локомотива, которые позволяют в значительной степени улучшить работу электродинамического торможения. В этих системах могут быть реализованы функции автоматического поддержания заданной скорости или тормозного усилия, производится стабилизация замедляющей силы при изменениях напряжения в контактной сети. На новых локомотивах реализованы оба вида торможения. Так, в основном диапазоне скоростей применяется рекуперативное торможение, а на малой скорости происходит автоматический переход на реостатное торможение и диапазон его применения распространяется практически до остановки. Возможно подключение тормозных реостатов и в рекуперативном режиме. Оно производится, когда напряжение в контактной сети приближается к максимально-допустимому и при этом требуется усиление замедляющей силы. В данной ситуации тормозные сопротивления потребляют часть мощности вырабатываемой электровозом, позволяя тем самым сохранить или усилить замедляющий эффект. Кроме того на современных локомотивах отсутствует электромашинный преобразователь необходимый для возбуждения тяговых электродвигателей. Этот громоздкий и металлоемкий агрегат, со сложными схемами возбуждения заменили полупроводниковые преобразователи. Они гораздо эффективнее регулируют ток возбуждения, обладают высоким быстродействием и не требуют большого обслуживания.
