0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Что такое рекуперативное торможение асинхронного двигателя

Виды торможения двигателя

Если отсоеденить обмотки ЭД от сети переменного тока и подсоединить их к источнику постоянного тока, то произойдет динамическое торможение. Т.к при протекании через статорную обмотку постоянного тока, появляется неподвижное магнитное поле. При вращении в нем, в роторной обмотке наводиться ЭДС, под действием которой начнет течь ток, взаимодействующий с неподвижным статорным полем и при этом появится тормозной момент, который будет направлен в противоположную сторону направления вращения ротора. В итоге двигатель начнет постепенное торможение, причем скорость его остановки зависит от силы постоянного тока, протекающего по статору и от запасенной кинетической энергии привода.

В двигателе с фазным ротором, величину тормозного момента, а следовательно, скорость торможения, можно изменять, изменяя величину добавочных сопротивлений в цепи ротора.

Генераторное торможение асинхронного электродвигателя используется в основном в роли небольшого подтормаживания перед основным торможением ЭД, либо при спуске какого-либо груза, например в лифтах.

Чтобы произошло рекуперативная остановка ЭД, требуется чтобы частота вращения ротора была выше синхронной частоты вращения. В этом случае двигатель начнет отдавать накопленную энергию в сеть, то есть станет генератором. При этом электромагнитный момент ЭД будет отрицательным, и окажет существенный тормозной эффект.

Осуществить генераторное торможение можно несколькими методами. Допустим, в двухскоростных и более ЭД, при переключении с большей на меньшую скорость. При этом ротор будет вращатся по инерции с частотой более высокой, чем новая синхронная частота. Генерируется тормозной момент, который снизит скорость до новой номинальной.

Допустим, в начальный момент времени ЭД работал на характеристике 1 в точке A, после снижения скорости он перешел на вторую характеристику в точку B, а затем под действием тормозного момента достигнет точки С, но с гораздо более меньшей частотой оборотов.

Рекуперативное торможение можно выполнить, если снизить частоту питания двигателя. Это вполне возможно, если ЭД питается от преобразователя частоты на тиристорах. При снижении частоты напряжения, уменьшается и синхронная частота вращения ротора. А т.к он вращается по инерции, то она опять окажется выше, появится тормозной момент, который и далее уменьшит частоту вращения ротора вплоть до полной остановки.

Торможение методом противовключения используется в случае необходимости для быстрой остановки двигателя. Оно может быть выполнено несколькими способами. В первом варианте, в работающем ЭД, меняют две фазы местами, при этом направление вращения магнитного поля статорной обмотки изменяется в противоположную сторону. Возникнет большой тормозной момент, и бдвигательыстро останавится. Но для того чтобы снизить большие токи в момент увеличения тормозного момента, требуется ввести в обмотку ротора или статора добавочный резистор.

Во втором методе ЭД используют как тормоз для груза. Т.е, если груз спускается, то двигатель должен работать на подъем. Для этого в роторную цепь двигателя добовляется большое сопротивление. Поэтому его пусковой момент окажется ниже чем момент нагрузки, и ЭД работает при небольшой скорости, обеспечивая плавный спуск. По своей прямой сути, торможение противовключением происходит по схеме реверса двигателя.

Если питание ЭД отсоединить, то его магнитное поле начнет затухать только через некоторый промежуток времени. Если в этот момент успеть подсоединить к статорной обмотке ЭД конденсаторную батарею, то энергия магнитного поля перейдет сначала в заряд емкостей, а только затем возвратится в статорную обмотку. При этом появится тормозной момент, который остановит ЭД. Такое торможение еще могут называть конденсаторным.

Величина тормозного момента зависить от емкости конденсаторов, чем она выше, тем больше момент торможения. Емкости могут быть включены постоянно, а могут отсоединяться во время работы ЭД с помощью контактора.

В принципе можно обойтись и совсем без емкостей, просто замкнув обмотку статора по схеме “звезда” с помощью тумблеров SA, предварительно отсоединив ее от сети с помощью контактора K. Тогда торможение будет происходить заметно быстрее, за счет остаточного магнетизма. Такое торможение еще называется магнитным.

Рекуперативное торможение

Рекуперати́вное торможе́ние (от лат. recuperatio «обратное получение; возвращение») — вид электрического торможения, при котором электроэнергия, вырабатываемая тяговыми электродвигателями, работающими в генераторном режиме, возвращается в электрическую сеть.

Рекуперативное торможение широко применяется на электровозах, электропоездах, современных трамваях и троллейбусах, где при торможении электродвигатели начинают работать как электрогенераторы, а вырабатываемая электроэнергия передаётся через контактную сеть либо другим электровозам, либо в общую энергосистему через тяговые подстанции.

Аналогичный принцип используется на электромобилях, гибридных автомобилях, где вырабатываемая при торможении электроэнергия используется для подзарядки аккумуляторов. Некоторые контроллеры двигателей электровелосипедов реализуют рекуперативное торможение.

Проводились также эксперименты по организации рекуперативного торможения других принципов на автомобилях; для хранения энергии использовались маховики, пневматические аккумуляторы, гидроаккумуляторы и другие устройства. [1]

Содержание

  • 1 Использование в автомобилестроении
    • 1.1 Использование на легковых и грузовых автомобилях
    • 1.2 Использование в автоспорте
  • 2 Использование на железных дорогах
  • 3 Использование в метрополитенах
  • 4 Использование на городском общественном транспорте
  • 5 Примечания
  • 6 См. также
  • 7 Ссылки

Использование в автомобилестроении [ править | править код ]

Использование на легковых и грузовых автомобилях [ править | править код ]

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,3,X,Y, Audi e-tron

Читать еще:  Характеристики двигателя кия церато

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 [ править | править код ]

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 [2] : 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 Toyota TS050 Hybrid, Porsche 919 Hybrid [en] .

Использование на железных дорогах [ править | править код ]

Рекуперативным торможением на железнодорожном транспорте (в частности, на электровозах и электропоездах, оборудованных системой рекуперативного торможения) называется процесс преобразования кинетической энергии движения поезда в электрическую энергию тяговыми электродвигателями (ТЭД), работающими в режиме генераторов. Выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть (в отличие от реостатного торможения, при котором выработанная электрическая энергия гасится на тормозных резисторах, то есть преобразовывается в тепло и рассеивается системой охлаждения). Рекуперативное торможение используется для подтормаживания состава в случаях, когда поезд идет по относительно некрутому уклону вниз, и использование воздушного тормоза нерационально. То есть, рекуперативное торможение используется для поддержания заданной скорости при движении поезда по спуску. Данный вид торможения дает ощутимую экономию энергии, так как выработанная электрическая энергия передается в контактную сеть и может быть использована другими локомотивами на данном участке контактной сети.

Рекуперативное торможение имеет следующие проблемы, которые требуют особого учета при разработке схемы электровоза для их решения:

а) тормозной момент пропорционален не скорости, а разности между скоростью и «скоростью нейтрали», зависящей от настройки системы управления электровоза и напряжения контактной сети. Так, при скорости ниже нейтрали ТЭДы будут тянуть, а не тормозить. Таким образом, при скорости вблизи нейтрали даже небольшие (в процентах) скачки напряжения сети сильно меняют упомянутую разность, а с ней и момент, и приводят к рывкам. Правильное проектирование схемы электровоза снижает этот фактор.

б) при параллельном включении якорей рекуперирующих ТЭД схема может получиться неустойчивой при боксовании и склонной к «сваливанию» в режим, когда один ТЭД работает в моторном режиме, питаясь от второго ТЭДа, работающего как генератор, что подавляет торможение. Решение: включение обмоток возбуждения крест-накрест от «чужого» ТЭД (см. схемы ВЛ8 и ВЛ10).

Читать еще:  Mercedes не заводиться двигатель

в) необходимы меры защиты против короткого замыкания контактной сети или на самом электровозе. Для этого используются быстродействующие контакторы, срабатывание которых вызывает в схеме переходный процесс, перемагничивающий обмотки возбуждения ТЭД и ликвидирующий таким образом остаточную намагниченность статора (возбуждения генерации от которой может быть вполне достаточно для перегрева или пожара в случае КЗ в сети).

Ранее рекуперативным торможением оборудовались электровозы постоянного тока ввиду простоты метода переключения ТЭДов в режим генератора (в СССР схема появилась ещё на сурамском поколении электровозов, например, ВЛ22 и с незначительными изменениями применялась до ВЛ11 включительно, в ней решены все три описанные выше проблемы). В электровозах переменного тока существует проблема, которая заключается в преобразовании выработанного постоянного электрического тока в переменный и синхронизация его с частотой тягового тока, эта проблема решается с помощью тиристорных преобразователей [3] . Электровозы переменного тока, созданные до использования тиристорных инверторов (ВЛ60, ЧС4 и ЧС4Т, а также все поколения ВЛ80, кроме ВЛ80Р) не имели возможности рекуперативного торможения.

Рекуперативное торможение редко используется в пассажирском движении, по крайней мере на «классических» до-тиристорных электровозах вроде ВЛ10 и ВЛ11 из-за возникновение ощутимых рывков при переключении тормозной рукоятки локомотива со ступени на ступень, а также при скачках напряжения контактной сети. Большинство пассажирских локомотивов той поры вовсе не имели этой возможности.

Кроме того, рекуперативное торможение, как и реостатное, сжимает состав и создает удар от сжатия сцепных устройств.

Тем не менее рекуперативное торможение широко применяется на моторвагонном подвижном составе (МВПС) постоянного тока (ЭР2Р, ЭР2Т и более поздние электропоезда). В отличие от поездной работы, в МВПС обычно постоянен вес поезда (его почти никогда не переформируют), а также намного выше тяговооружённость. Это сильно упрощает создание автомата управления рекуперативным торможением. Применяется и в грузовых локомотивах, к примеру на 2ЭС6.

Рекуперативное торможение на постоянном токе требует переоборудования тяговых подстанций. Как минимум возможно рассеяние энергии на стационарных резисторах в случае изменения направления тока в фидерах ПС (при этом сохраняется возможность использования энергии рекуперации для тяги другого поезда на этом же участке, что важно при тяжелом профиле пути). Как максимум — необходима установка инверторов.

Рекуперативное торможение на железнодорожных локомотивах может использоваться также для подтормаживания в экстренных аварийных случаях при отказе воздушного тормоза. В частности, имеются сведения о неоднократном применении машинистами рекуперативного торможения на крутом участке Ерал — Симская (Челябинская область) [4] [ неавторитетный источник? ] . Следует отметить, что штатное экстренное торможение на локомотивах производится стравливанием воздуха (стоп-кран в пассажирских вагонах), а при полном отсутствии в системе воздуха тормоза блокируются [5] [ нет в источнике ] .

Использование в метрополитенах [ править | править код ]

В метрополитенах, где поезда совершают частые остановки, использование рекуперативного торможения очень выгодно. Поэтому уже самые ранние метровагоны имели аппаратуру рекуперативного торможения (за исключением метровагонов, производимых в СССР). Наибольший эффект достигается при согласовании моментов торможения прибывающего на станцию поезда с отправлением другого от той же или со смежной станции. Такая схема движения закладывается в расписание движения поездов.

Использование на городском общественном транспорте [ править | править код ]

На современном городском электротранспорте системы управления обеспечивающие рекуперацию используются почти всегда.

У трамвайных вагонов моделей УКВЗ 71-619А и далее, вагонов ПТМЗ 71-134А и далее, вагонов Уралтрансмаш 71-405 и далее, а также МТТА и МТТА-2 имеется возможность рекуперативного торможения. Оно используется как основное. После замедления вагонов до скорости 1-2 км/ч электродинамический (реостатный) тормоз становится неэффективным и подключается стояночный.

Торможение асинхронного двигателя: рекуперативное (генераторное) и при самовозбуждении. Тормозные характеристики.

Генераторное торможение асинхронного двигателя

Асинхронные двигатели используются с такими производственными механизмами, под действием которых их скорость вращения не может стать больше ω, другими словами, двигатель не может перейти в генераторный режим под действием производственного механизма . Генераторный режим возникает в асинхронных двигателях, скорость которых регулируется изменением числа пар полюсов. В момент переключения с одного числа пар полюсов на другое в цепи статора двигателя происходит бросок тока, и он переходит в генераторный режим работы.

Характеристика асинхронного двигателя при рекуперативном (генераторном) торможении.

Торможение асинхронного двигателя при самовозбуждении

Торможение при самовозбуждении основано на том, что после отключения асинхронного двигателя от сети в воздушном зазоре магнитное поле будет затухать не мгновенно, а в течение какого-то промежутка времени. За счет энергии этого затухающего поля и использования специальных схем создается тормозной момент.

Одним из таких способов возбуждения является конденсаторное торможение. В момент отключения КМ1 конденсаторы C разражаются на обмотку статора.

Схема включения асинхронного двигателя при конденсаторном торможении.

Характеристика асинхронного двигателя при конденсаторном торможении, C1

Схема включения асинхронного двигателя при магнитном торможении.

В этом случае за счет остаточного магнитного поля по обмотке статора протекает ток короткого замыкания, который создает тормозной момент.

Особенностью торможения с самовозбуждением является то, что это очень быстрое торможение при значительных тормозных моментах.

Читать еще:  Холостые обороты двигателя 3zz

Возможности торможения асинхронного двигателя с короткозамкнутым ротором существенно расширились за счет использования тиристорных регуляторов напряжения, которые позволяют осуществлять плавный пуск и быстрое торможение.

Для остановки двигателя используется комбинированное торможение: динамическое с магнитным. Динамическое торможение осуществляется с помощью встречно включенных тиристоров VS1-VS4, а магнитное с помощью тиристора VS5.

Схема включения асинхронного двигателя при комбинированном торможении с помощью тиристорных регуляторов напряжения.

Устройства плавного пуска и торможения состоят из двух пар тиристоров VS1-VS2, VS3-VS4, включенных встречно-параллельно. Они служат при пуске для отключения и подключения двигателя к источнику питания, за счет односторонней проводимости тиристоров в цепь статора поступает выпрямленный ток и происходит динамическое торможение. Дополнительный тиристор VS5 замыкает накоротко две фазы статора, когда интенсивность динамического торможения снижается и с его помощью создается короткое замыкание между двумя фазами.

Рекуперативное торможение в электромобилях: что это и как работает

Сам по себе термин «рекуперация» известен достаточно давно и подразумевает возможность частичного возврата использованной энергии (тепла, воды, газов) с целью ее повторного применения. В этом смысле рекуперативное торможение также подразумевает процесс возврата части затраченной энергии.

Что это такое рекуперативное торможение

При выборе электромобиля одним из важнейших его параметров является дальность пробега на одной зарядке. Производители электрокаров проводят активные исследования и внедряют все новые разработки, которые позволяют увеличить дальность пробега электрокара на одной зарядке. Рекуперативное торможение, как одна из возможностей частичного восстановления заряда батареи, является важным нюансом при выборе электрокара.

В нескольких словах рекуперативное торможение электромобилях можно описать как процесс получения энергии в ходе торможения авто, т.е. фактически это подзарядка аккумулятора электрокара прямо по ходу движения.

Принцип работы

Что бы понять, как работает система рекуперативного торможения, необходимо вспомнить, что каждое движущееся тело обладает кинетической энергией. При торможении машины с ДВС эта энергия расходуется в ходе контакта тормозных колодок и тормозных дисков, стирая их, т.е. просто «в никуда». В электромобилях применяется более внимательный подход к использованию энергии. Рекуперационный процесс здесь представлен следующим образом:

  1. При начале торможения электрический мотор меняет режим работы: вместо питания от аккумулятора он начинает работать как генератор, вырабатывая энергию. В этот момент в обмотке ротора и статора возникают токи противоположной направленности.
  2. Снижение скорости транспортного средства происходит за счет того, что на валу электромотора появляется тормозной момент.
  3. Имевшаяся до начала торможения кинетическая энергия трансформируется в электрическую и тепловую.
  4. Появляющаяся дополнительная электроэнергия поступает в аккумулятор, тем самым повышая его заряд.

Эффективность рекуперации

Рекуперация электродвигателя с точки зрения физического процесса является достаточно эффективной, поскольку его КПД составляет порядка 70%. Т.е. около 70% затрачиваемой на торможение энергии преобразуется в электроэнергию. Однако эффективность рекуперативного торможения с точки зрения увеличения дальности пробега машины не такая большая, поскольку увеличение пробега составляет всего в пределах 10-20% в зависимости от условий: тип авто и асинхронного двигателя, размер транспортного средства, скорость движения, характеристики батареи, дорожные условия и т.п.

Условия, при которых рекуперативное торможение двигателя постоянного тока наиболее эффективно:

  • загородные трассы, позволяющие развивать хорошую скорость;
  • холмистая местность и крутые спуски;
  • в городских условиях при передвижении в режиме «старт-стоп»;
  • большие размеры и вес авто;

В данном случае верно правило: чем чаще тормозит электрокар, тем его батарея больше заряжается.

Когда не эффективно

Ситуации, когда рекуперативное торможение электродвигателя не эффективно:

  • движение по ровной поверхности с одной скоростью (в таком режиме движения тормоз машины задействуется редко);
  • низкая температура АКБ (при низкой температуре аккумулятора рекуперативная электроэнергия будет вырабатываться в ограниченном объеме);
  • 100% заряд батареи (невозможно зарядить батарею, если она уже заряжена на 100%).

Перспективы

В ситуации, когда пробег электрокара ограничивается зарядом батареи, важен любой источник, помимо зарядной станции, который может вырабатывать дополнительную энергию. Поэтому рекуперативное торможение дпт – хороший и перспективный способ увеличения пробега. А 70% сохраненной энергии – хороший показатель с учетом того, что еще буквально 10-15 лет назад на такие потери вообще не обращали внимание.

Дополнительная информация! Более того, процесс модернизации и оптимизации рекуперации не останавливается. Сейчас ведутся разработки по усовершенствованию рекуперативных систем для того, чтобы повысить их эффективность, а также обеспечить возможность рекуперации не только в режиме торможения. В частности, активно разрабатывается особая подвеска, устройство которой позволяет использовать рекуперацию и при обычном движении. В этом случае эффективность рекуперации возрастет почти в два раза, а увеличение пробега электрокара за счет такой дополнительной подзарядки составит до 40-50%. Однако пока непонятно, когда такая схема будет реализована на серийных машинах.

Отдельные производители шагнули чуть дальше остальных и уже достаточно давно выпускают авто с опцией рекуперации: Nissan Leaf, BMWi3, Hyndai Loniq, Chevrolet Bolt. Другие только планируют это сделать. Тем не менее можно с уверенностью утверждать, что сегодня рекуперация как вид восполнения заряда батареи уже является одним из конкурентных преимуществ электромобиля.

Обратите внимание! Конечно, такой рекуператор не сравнится с зарядной станцией, однако, возможно, именно этот небольшой дополнительный заряд позволит автомобилю доехать до места зарядки и не остановиться где-нибудь на дороге с нулевым уровнем энергии.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector