Рекуперативное торможение

Режим — рекуперативное торможение

Режим рекуперативного торможения при работе машины как асинхронного генератора выше синхронной скорости применяется главным образом в короткозамкнутых двигателях с переключением полюсов.
 

Режим рекуперативного торможения двигателя последовательного возбуждения не может быть получен путем уменьшения момента на валу, так как при переходе через нулевое значение момента ток, а следовательно, и поток становятся равными нулю и двигатель идет вразнос.
 

В режиме рекуперативного торможения возможно повышение напряжения на генераторе на 20 % сверх номинального. Исполнение генератора закрытое с принудительной вентиляцией.
 

В режиме рекуперативного торможения необходимо своевременно и регулярно приводить в действие песочницы электровоза для предупреждения юза колесных пар, особенно в кривых, на переездах, при неблагоприятных метеорологических условиях, а также при реализации больших тормозных усилий. Наибольшая опасность юза возникает на последовательном и последовательно-параллельном соединениях.
 

В режиме рекуперативного торможения двигателя в системе Г — Д так же, как и в двигательном режиме, происходит трехкратное преобразование энергии. Но если в двигательном режиме энергия, потребляемая из сети, последовательно проходит через двигатель МГ, генератор Г и двигатель М и передается рабочему органу, то в режиме рекуперации поток энергии имеет обратное направление.
 

В режимах динамического и рекуперативного торможения / и М отрицательны.
 

Переходят на режим рекуперативного торможения при напряжении в контактной сети не выше 3800 В. Если в процессе рекуперативного торможения напряжение в контактной сети повысилось до 3900 В, то следует уменьшить ток возбуждения и при необходимости применить автотормоза.
 

Система обеспечивает режим рекуперативного торможения электродвигателя. Выделяемая энергия рассеивается в звене постоянного напряжения на тормозном резисторе, который подключается через транзистор, входящий в конструкцию инвертора. Резистор имеет внешнее подключение к преобразователю частоты.
 

Механические характеристики режима рекуперативного торможения располагаются во втором квадранте и являются продолжением характеристик двигательного режима. На рис. 8.7, а дан примерный вид механических характеристик режима рекуперативного торможения асинхронного двигателя при тормозном спуске груза.
 

Перед переходом на режим рекуперативного торможения должны быть включены преобразователи, питающие обмотки возбуждения тяговых двигателей. При исправных преобразователях кнопка Возбудители на щитке 83 — 1 включена. От провода К98 через замкнутые контакты кнопок Высокая скорость мотор-вентиляторов и Возбудители напряжение подается на провод К.
 

При этом осуществляется режим рекуперативного торможения с независимым возбуждением при неполном потоке возбуждения двигателя. Можно показать, что при указанном переключении переходу в режим рекуперативного торможения соответствует резкое возрастание модуля жесткости механических характеристик. Это объясняется уменьшением сопротивления цепи якоря ( гв пос 0) и отсутствием зависимости потока от тока якоря.
 

В настоящее время режим рекуперативного торможения в тиристор-ном электроприводе постоянного тока буровой лебедки используется мало. Это объясняется тем, что такой тип электропривода внедрен в основном на морских буровых установках с автономной системой электроснабжения. Соизмеримость мощности электростанции с мощностью электропривода и отсутствие достаточного количества мощных потребителей со стороны переменного тока делает невозможным применение торможения такого типа. Исключение составляет лишь буровая установка БУ-2500ЭП, где используется электропривод с рекуперативным торможением. На морских буровых установках для выполнения операций по торможению при спуске бурильной или обсадной колонн используется режим динамического торможения. В этом случае двигатель лебедки отключается от силового преобразователя и работает как генератор постоянного тока, нагруженный на тормозное сопротивление — так называемые сборки динамического торможения. Регулирование скорости двигателя, а следовательно, и скорости спуска осуществляется за счет управления возбуждением двигателя.
 

Что такое рекуперативная система торможения?

111 Мир в последние годы просто «заболел» возобновляемыми источниками энергии и вопросами экологии. Мы научились приводить в движение машину не только бензином, но и шоколадом и даже детскими подгузниками. Но ведь правда, почему мы должны производить отходы и загрязнять ими планету, если из мусорного пластика можно произвести пластиковые пакеты, а из отходной древесины — бумагу на кассовые чеки? Вот и автомобилестроители задумались: почему мы должны просто «убивать» энергию (кинетическую) качения автомобиля, когда мы можем её преобразовывать и аккуратно и бережливо складывать в аккумулятор?! Так и появилась рекуперативная система торможения автомобиля.

Рекуперативная тормозная система используется в автомобилях, чтобы окупить часть энергии, которая теряется, когда автомобиль тормозит. Эта технология используется, в основном на гибридных и электрических транспортных средствах, использующих как бензин или дизельное топливо, так и электричество в качестве источников энергии. Энергия, которая производится при торможении, сохраняется в аккумуляторной батарее и используется позднее для питания двигателя, экономя значительное количество исходной зарядки аккумулятора.

Как работает обычная тормозная система?

На обычных транспортных средствах в целях торможения используется сила трения для противодействия импульса движущегося автомобиля. Тормозные колодки трутся о диск или барабан, который подключен к оси, в результате чего кинетическая энергия (энергия движения) преобразуется в тепловую. Затем эта полученная тепловая энергия рассеивается в воздухе, теряя примерно 30 процентов генерируемой мощности автомобиля. Далее для того, чтобы снова набрать эту кинетическую энергию, двигатель вынужден сжигать топливо в целях восстановления прежней скорости (например, после проезда светофора).

Как работает система рекуперативного торможения?

Гибридные и электрические автомобили используют совершенно другой способ торможения, но обычно только на низких скоростях. Гибридные автомобили по-прежнему используют обычные тормозные колодки на высоких скоростях, но электродвигатель помогает такому автомобилю тормозить на низких скоростях. Во время того как водитель нажимает педаль тормоза, электродвигатель крутится в обратном направлении. Крутящий момент, созданный таким противодействием электродвигателя, противодействует импульсу движения автомобиля вперёд и в конечном итоге останавливает машину.

Так выглядит система рекуперативного торможения

Как генерируется электричество в рекуперативной системе?

Регенеративная тормозная система, однако, делает намного больше, чем просто останавливает машину. Дело в том, что электродвигатели и электрогенераторы — это по существу две стороны одной и той же технологии. Оба этих устройства используют магнитные поля и спиральные провода, но в разных конфигурациях. Системы рекуперативного торможения как раз и пользуются этой двойственностью. Всякий раз, когда электродвигатель автомобиля начинает крутиться в обратном направлении, он превращается в электрический генератор. В результате обратного вращения в аккумулятор, из которого изначально питался двигатель, теперь подаётся ток обратно — то есть электродвигатель теперь питает батарею, а не наоборот. А уже аккумулятор знает своё дело — он конвертирует электрическую энергию в химические вещества, чтобы использовать её позже.

Таким образом, мы видим, что такая технология рекуперативного торможения бережно сохраняет энергию, которая, как правило, терялась бы впустую во время обычного бесполезного торможения, и превращает её в полезную энергию. Но, тем не менее, рекуперативная система, конечно же, никогда не сможет стать вечным двигателем. Довольно много энергии всё ещё теряется в результате трения с поверхностью дороги, сопротивления воздуха, трения деталей автомобиля и множества других факторов. Но даже эти существенные факторы не главные в потере КПД рекуперации — главный источник потерь — это необходимость применения обычного торможения на высоких скоростях, так как рекуперативная система торможения без участия обычных колодок пока ещё не способна остановить машину с той же эффективностью.

Знакомство с оборудованием

Незнакомое слово «рекуператор» происходит от латинского «recuperatio», которое означает «возвращение». В нашем случае это часть тепла зимой или прохлады летом. Роторный рекуператор, как и его пластинчатый «коллега», совершает теплообмен: передает тепло от выходящего отработанного воздуха приточному холодному. Или, наоборот, забирает часть тепла от входящего, смешивая его с комфортными прохладными исходящими массами. Результат его рекуперативной зимней «деятельности» — снижение затрат на электроэнергию, тратящуюся на отопление помещений.

Устройство

Все приборы отличаются конструктивно, призваны выполнять свои задачи, которые в большей степени отличаются масштабами. Если сравнивать два популярных вида устройств — роторный и пластинчатый рекуператор, то последний предназначается для небольших помещений. Первый, герой этой статьи, способен справиться с более серьезной задачей — сделать комфортным помещение достаточно большой площади.

Рассматриваемый теплообменник состоит из стального оцинкованного (алюминиевого для небольших моделей) корпуса, ременного привода и ротора. Основа прибора — барабан, вращающийся с помощью двигателя. Этот цилиндр сделан из двух видов алюминиевой фольги: гладкой и гофрированной (60-120 мкм). Они намотаны друг на друга. В состав роторной конструкции входят осевые подшипники, датчик для контроля вращения ротора, а также уплотнительная лента, изолирующая воздушные потоки.

Внутри барабана располагаются каналы — коаксиальные и треугольные. Его устанавливают перпендикулярно движению воздушных масс. Исходящий воздух оставляет тепло в том секторе ротора, через который проходит. Вращаясь, прибор передает тепловую энергию приточным массам, а сам нагретый сектор охлаждается.

Характеристики

КПД роторных рекуператоров — 70-85% (87%). Помимо сохранения тепла устройства выполняют еще одну работу: они передают влагу. Для помещений, где постоянно повышен (или понижен) уровень влажности, такое дополнительное оборудование — наилучший вариант.

Полностью изолировать исходящие и входящие потоки друг от друга невозможно технически. Но такую задачу не ставят, потому что смешивается всего около 5%, либо цифра эта немногим больше. Есть возможность изменять скорость вращения теплообменника: для регулировки продуктивности используют преобразователи частоты.

Роторные конструкции более эффективны, чем их пластинчатые соперники, но из-за сложности конструкции и более высокого КПД стоят они совсем недешево. Однако оборудование, благодаря высокой эффективности, окупается за 1-2 года. Его устанавливают в качестве дополнительного элемента вентиляционной системы в помещениях средней площади: в гаражи, офисы, частные дома, на небольших складах.

Использование в автомобилестроении

Использование на легковых и грузовых автомобилях

С развитием рынка гибридных и электроавтомобилей система рекуперации зачастую используется для увеличения дальности пробега автомобиля на электрическом заряде.
Наиболее распространенными автомобилями этих классов является Toyota Prius, Chevrolet Volt, Honda Insight, Tesla Model S,X,M

Есть отдельные случаи применения системы рекуперации в автомобиле с привычным бензиновым двигателем для сокращения расхода топлива. Такая система разрабатывалась на а/м Ferrari для обеспечения функционирования внутренних мультимедийных и климатических систем автомобиля от отдельной батареи, заряжаемой рекуперируемой энергией.

Система рекуперации энергии при торможении для электромобилей и электровелосипедов подвергается критике. Тормозной путь автомобиля очень мал по сравнению с проезжаемым путём и составляет от нескольких метров до несколько десятков метров (водитель обычно относительно резко тормозит у самого светофора или места назначения, или вообще подъезжает к месту назначения накатом). За такое короткое время аккумуляторы не успевают сколь-нибудь значительно зарядиться рекуперативным током, даже в городском цикле при частых торможениях. Экономия энергии за счёт рекуперации в лучшем случае составляет доли процента, и поэтому система рекуперативного торможения электромобиля неэффективна и не оправдывает усложнения конструкции. К тому же рекуперативное торможение не освобождает от необходимости обычной колодочной тормозной системы, так как на малых оборотах двигателя в режиме генератора его противо-ЭДС мала и недостаточна для полной остановки автомобиля. Также рекуперативное торможение не решает проблему стояночного тормоза (за исключением искусственного динамического удержания ротора на месте, на что расходуется значительная энергия). В современных электромобилях имеется возможность настройки педали «газа» — при её отпускании электромобиль либо продолжает двигаться по инерции накатом, либо переходит в режим рекуперативного торможения.

Однако рекуперация эффективна для электротранспорта с его частыми участками разгона-торможения, где тормозной путь большой и соизмерим с расстоянием между станциями (метро, пригородные электропоезда).

Использование в автоспорте

В сезоне 2009 года в Формуле-1 на некоторых болидах использовалась система рекуперации кинетической энергии (KERS). Рассчитывалось, что это подстегнёт разработки в области гибридных автомобилей и дальнейшие совершенствования данной системы.

Впрочем, у Формулы-1 с её мощным двигателем разгон на малых скоростях ограничивается сцеплением шин, а не крутящим моментом. На высоких же скоростях использование KERS не столь эффективно. Так что по результатам сезона-2009 оснащённые данной системой болиды не демонстрировали превосходства над соперниками на большинстве трасс. Однако это может объясняться не столько неэффективностью системы, сколько трудностью её применения в условиях строгих ограничений на вес машины, действовавших в 2009 году в Формуле-1.
После соглашения команд не использовать KERS в 2010 году для сокращения издержек, в сезоне 2011 года использование системы рекуперации было продолжено.

По состоянию на 2012 год на систему KERS налагаются следующие ограничения: передаваемая мощность не более 60 кВт (около 80 л.с.), ёмкость хранилища не более 400 кДж. Это означает, что 80 л.с. можно использовать не более 6.67 с на круг за один или несколько раз. Таким образом, время круга можно уменьшить на 0.1-0.4 с.

Техническим регламентом Формулы-1, утверждённым FIA на 2014 год, предусмотрен переход на более эффективные турбомоторы со встроенной системой рекуперации (ERS). Применение двойной системы рекуперации (кинетической и тепловой) в сезонах 2014—2015 годов стало гораздо более актуально из-за введения жёстких регламентных ограничений на расход топлива — не более 100 кг на всю гонку (в прошлые годы 150 кг) и мгновенный расход не более 100 кг в час. Неоднократно можно было наблюдать, как во время гонки при выходе из строя системы рекуперации машина начинала быстро терять позиции.

Рекуперативное торможение используется также в гонках на выносливость. Такой системой оснащены спортпрототипы класса LMP1 заводских команд Audi R18 и , .

Тормоза — гарантия безопасности

Разработчики много работают над тормозной системой. Электрокары и байки с мотором имеют уникальную систему торможения. Она гарантирует быструю остановку машины при возникновении экстремальной ситуации.

Что такое рекуперация на электровелосипеде? Практически то же, что и в гибридных или электрических машинах. Это способ торможения при помощи электродвигателя. Суть ее работы — быстрое гашение энергии движения.

До 30% кинетической энергии во время резкой остановки улетучивается. Она попросту растворяется вокруг. Принцип рекуперации состоит в перенаправлении высвобождаемой энергии на питание АКБ.

То есть, значительная часть кинетической энергии преобразуется в электрическую. Затем она возвращается в батарею. Аккумулятор пополняется. Увеличивается пробег.

Данная система повышает эффективность электробайка. Владелец может преодолевать более длинные дистанции, используя одну зарядку батареи. Но нельзя переоценивать этой способности. Возможности мотор-колеса весьма ограничены.

Чтобы существенно пополнить аккумуляторную батарею, колесо должно иметь очень серьезные обороты. Тогда двигатель действительно выработает большой коэффициент напряжения в режиме генератора.

Кроме того, эффективность рекуперации определяется характером езды. Иногда владельцы сознательно выходят на сложные маршруты. Они любят преодолевать препятствия, резкие повороты, внезапные остановки.

Такая стилистика вождения способна по максимуму преобразовывать кинетическую энергию. Однако существенного пополнения батареи бессмысленно ждать. Батарея забирает назад не более 3% заряда. Трасса со сложным рельефом этот показатель увеличит до 5% или чуть больше.

Нельзя рассматривать рекуперацию как способ постоянной подзарядки аккумулятора. Способность подзаряжать аккумулятор — это приятный побочный эффект от разработчиков.

Любой электробайк — это удобное, высокофункциональное ТС. С ним можно обходить многокилометровые пробки, везде успевать и просто отлично проводить время за городом.

Особенности работы оборудования в северных широтах

Как правило, оборудование с рекуперацией имеет ограничения по минимальной температуре уличного воздуха. Связано это с возможностями рекуператора, и данное ограничение составляет от –25 до –30 °C. Если температура будет понижаться, конденсат из вытяжного воздуха будет замерзать на рекуператоре, поэтому при сверхнизких температурах используется электрический преднагреватель или водяной преднагреватель с незамерзающей жидкостью.

Например, в Якутии расчётная температура уличного воздуха составляет –48 °C. Тогда классические системы с рекуперацией работают следующим образом:

1. Уличный воздух с температурой –48 °C нагревается предварительным нагревателем до –25 °C (затрачивается тепловая энергия).

2. С –25 °C воздух нагревается в рекуператоре до –2,5 °C (при КПД = 50 %).

3. С –2,5 °C воздух нагревается основным нагревателем до требуемой температуры (затрачивается тепловая энергия).

При применении же специальной серии оборудования для Крайнего Севера с четырёхступенчатой рекуперацией Turkov CrioVent преднагрев не потребуется, так как четыре ступени, большая площадь рекуперации и возврат влаги позволяют не допускать обмерзания рекуператора.

Оборудование работает следующим образом:

1. Уличный воздух с температурой –48 °C нагревается в рекуператоре до 11,5 °C (КПД = 85 %).

2. С 11,5 °C воздух нагревается основным нагревателем до требуемой температуры (затрачивается тепловая энергия).

Отсутствие преднагрева и высокий КПД оборудования позволяют значительно сократить теплопотребление и упростить конструктив оборудования.

Применение высокоэффективных систем рекуперации в северных широтах наиболее актуально, поскольку из-за низких температур уличного воздуха применение классических систем рекуперации затруднительно, а оборудование без рекуперации требует слишком большого количество тепловой энергии. Оборудование Turkov успешно работает в городах с самыми сложными климатическими условиями, таких как Улан-Уде, Иркутск, Енисейск, Якутск, Анадырь, Мурманск, а также во многих других городах с более мягким, в сравнении с этими городами, климатом.

Рекуператор – тепловые трубы

Такой рекуператор представляет собой замкнутую систему трубопроводов, закачанных хладагентом, который в результате нагревания вытяжным воздухом испаряется, а при контакте с холодным приточным воздухом вновь конденсируется и принимает жидкое агрегатное состояние. Показатель эффективности находится в пределах 50–70 %.

Рекуператор воздуха, применяемый в системе вентиляции, позволяет добиться значительного снижения нагрузки на отопительную систему. Однако даже применение рекуператора требует обычно использования дополнительных секций в системе вентиляции. Для подогрева приточного воздуха применяются электрические нагревательные элементы или жидкостные калориферы, а для охлаждения приточного воздуха до заданной температуры — центральные кондиционеры или чиллеры.

Применение классических типов рекуператоров в системах вентиляции даёт возможность вторично использовать от 45 % тепла вытяжного воздуха.

Однако развитие систем рекуперации не стоит на месте, и способы и эффективность утилизации тепла вытяжного воздуха для сохранения его внутри обслуживаемых помещений постоянно совершенствуются. Результатом такого развития является, например, система с термодинамической рекуперацией тепла (тепловой насос вида «воздух-воздух» используется совместно с пластинчатым или роторным рекуператором), которая использует контур теплового преобразователя с прямым расширением, размещаемый в виде фреоновых теплообменников в вытяжном и приточном канале приточно-вытяжной установки после классического пластинчатого (или роторного) рекуператора. Такая система, после теплообмена непосредственно в рекуператоре, позволяет получить с вытяжного воздуха ещё какое-то количество тепла для передачи приточному, доводя общий показатель эффективности до 95–100 %. Таким образом, удаётся добиться максимально комфортной, то есть заданной температуры приточного воздуха почти без расхода энергоресурсов.

Ещё одно неоспоримое преимущество термодинамической или активной рекуперации состоит в том, что исключается потребность в дополнительных секциях нагрева и охлаждения.

В настоящее время уже разработаны и производятся установки, сочетающие в себе устройства приточной и вытяжной вентиляции, рекуператор воздуха и тепловой насос вида «воздух–воздух» для активной рекуперации. Данные приточно-вытяжные рекуперативные установки являются отличным универсальным решением для организации системы вентиляции в современных зданиях и сооружениях.

Весь модельный ряд приточно-вытяжных установок (ПВУ) с рекуперацией тепла по своим характеристикам оптимально подходит для реализации проектов приточно-вытяжных вентиляционных систем любых зданий и помещений бытового, служебного или промышленного назначения за счёт использования технологии «активной» рекуперации тепла (встроенная секция охлаждения или нагрева тепловым насосом вида «воздухвоздух»). Значительный эффект энергосбережения демонстрируют промышленные версии рассматриваемых установок.

При этом чем больше производственные мощности или выше требования к воздухообмену, тем значительнее экономия. Достаточно сказать, что по нормам воздухообмена в ряде промышленных производств (металлургия, химическое производство, кузнечные цеха) и в аспирационных системах требуется пятиили даже десятикратный обмен воздуха ежечасно. Проекты промышленной вентиляции с использованием данных ПВУ достаточно быстро окупаются.

В бытовых приточно-вытяжных установках используются ЕС-кулеры, которые, имея увеличенное давление воздуха и перекачиваемый объём, потребляют до четверти меньше электрической энергии по сравнению с идентичными асинхронными электродвигателями.

Промышленная линейка установок для регулирования производительности комплектуется частотными преобразователями.

Также опционально модели можно дооснастить инверторами и дополнительными теплообменниками, идеально приспособив установку к требованиям конкретного проекта.

Система рекуперации кинетической энергии MGU-K

Система рекуперации кинетической энергии торможения MGU-K. Представляет собой подобие ранее применяемой системы KERS, электронного типа. Электродвигатель-генератор является центральным местом в системе. Одной из его функций является накопление энергии в аккумуляторную батарею при торможении болида F1. Другой и основной функцией, является включение в режим электродвигателя. Именно он выдает дополнительные 160 лошадиных сил, разрешенных правилами FIA на 2014 год. Добавку мощности в 160 лс можно использовать в течении 33.3 сек на каждом круге гонки, что составляет 4 мегаджоуля энергии и это в 10 раз выше, ранее применяемых систем KERS. 160 лс максимально возможная разрешенная дополнительная мощность, но возможны варианты использования меньшей мощности, но более длительное время. Например 80 лс в течении 66.6 секунд. Разрешены и другие комбинации начиная с 1 лошадиной силы, главное не переступить барьер в 4 МДж. Система MGU-K связана с трансмиссией, аккумулятором и электронным блоком управления, который регулирует все потоки энергий, в том числе и энергию поступающую от системы MGU-H. По правилам, ограничивающим свободы конструкторов болидов ф1, мотор-генератор MGU-K не может иметь обороты больше чем 50.000 об/мин

Заключение и полезное видео

Сравнение работы естественной вентиляции и принудительной системы с рекуперацией:

Принцип функционирования централизованного рекуператора, расчет КПД:

Устройство и порядок работы децентрализованного теплообменника на примере стенового клапана Prana:

Через вентсистему из помещения уходит порядка 25-35% тепла. Для сокращения потерь и эффективной теплоутилизации используются рекуператоры. Климатическое оборудование позволяет задействовать энергию отработанных масс для нагрева поступающего воздуха.

Есть, что дополнить, или возникли вопросы по работе разных вентиляционных рекуператоров? Оставляйте, пожалуйста, комментарии к публикации, делитесь опытом эксплуатации таких установок. Форма для связи находится в нижнем блоке.