Рекуперация торможения

Рекуперативное торможение — 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.

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

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

Впрочем, у «Формулы» 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 демонстрируют 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 будет продолжено.

Для того чтобы накопленную мощность можно было возвращать в источник переменного тока, в качестве входного выпрямителя привода рекуперации используются преобразователи с ШИМ источником напряжения. Теперь поток мощности переменного тока может течь в любую сторону, током можно управлять и получить почти единичный коэффициент мощности. В случае работы преобразователя частоты в режиме рекуперации, каскад IGBT транзисторов (используемый в моторном приводе в качестве выходного каскада) работает как синусоидальный выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянное напряжение для питания системы. При интенсивном торможении двигателя и, как следствие, превышении напряжения на звене постоянного тока преобразователя частоты выше определенного уровня, каскад IGBT транзисторов ПЧ генерирует ШИМ - сигнал в сторону сети. Разница напряжений между фазным напряжением ШИМ и сетевым напряжением питания прикладывается к индуктивностям (индуктору рекуперации). Это напряжение содержит много высокочастотных гармоник, которые блокируются индуктивностью и на выходе ПЧ получается синусоидальный ток с малой примесью высших гармоник. Для синхронизации привода рекуперации с сетью не требуется дополнительного оборудования. Определение частоты и угла вектора сетевого напряжения происходит за счет подачи ШИМ - модулятором трех специальных тестирующих импульсов в питающую сеть.

Одним из проверенных и эффективных решений по рекуперации энергии является применение частотных преобразователей Unidrive SP фирмы Control Techniques. Примеры их использования можно увидеть на стендах динамических испытаний автомобилей многих автомобильных заводов (Nissan, Ford, Lamborghini и др.), в металлургии, на эскалаторах, кранах, и т.д. Конфигурация такой системы может иметь несколько видов, но суть ее сводится к одному - организовать двунаправленный поток энергии в источник переменного электропитания и из него. При определении мощностей/номиналов компонентов системы рекуперации нужно учитывать следующие факторы:

1. Изменение уровня сетевого напряжения

2. Номинальные ток двигателя, напряжение, коэффициент мощности

3. Максимальную мощность нагрузки и условия перегрузки

4. Потери в приводах и других компонентах

На рис.6 представлена общая схема система рекуперации при использовании нескольких моторных приводов и одного привода рекуперации. В таких многоприводных конфигурациях привод рекуперации выбирается таким образом, чтобы выдать суммарную мощность всех моторных приводов, учитывая потери, включая собственные. В этом случае, конечно, нужно учитывать характер нагрузки для каждого моторного привода индивидуально, ведь возможен вариант одновременного торможения всех двигателей системы.

При включении системы с несколькими приводами, объединенными по шине постоянного тока, необходимо ограничивать пусковой ток, поскольку электролитические конденсаторы в звене постоянного тока преобразователей частоты имеют малое сопротивление. Для этого применяется тиристорный выпрямительный модуль SPMC, который подключается контактором для заряда конденсаторов объединенной шины постоянного тока преобразователей. После обеспечения плавного заряда шины до номинального напряжения, выпрямительный модуль SPMC отключается.

Стоит поподробнее остановиться на принципе работы гибридного автомобиля. В качестве примера предлагаем автомобиль японского концерна Lexus RX 400h, представленный на рис.7.

Lexus RX 400h — среднеразмерный гибридный кроссовер, выпускаемый компанией Toyota Motor Corporation с 2005 года. Тип трансмиссии — вариатор, тип привода — автоматически подключаемый полный.

Lexus RX 400h стал вторым в мире массово производимым гибридным кроссовером после Ford Escape Hybrid. Впервые он был продемонстрирован в январе 2004 года на Североамериканском Североамериканском международном автошоу. В ноябре 2008 года был проведён полный редизайн гибридного кроссовера и, второе поколение RX 450h было продемонстрировано на мотор-шоу в Лос-Анджелесе.

На RX устанавливали V-образный 6 цилиндровый бензиновый двигатель объемом 3,4 литра, мощностью в 211 лошадиных сил (155 кВт). Помимо основного мотора на него так же устанавливали два электромотора с суммарной мощностью 272 л.с.(200 кВт). Каждый из электромоторов приводил в движение одну из осей автомобиля (переднюю или заднюю).

Характеристики переднего электромотора:

Макс. мощность - 123 кВт при 4500 об/мин

Макс. крутящий момент - 333 Нм при 0-1500 об/мин

Макс. напряжение - 650 В

Характеристики заднего электоромтора:

Макс. мощность - 50 кВт при 4610-5120 об/мин

Макс. крутящий момент - 130 Нм при 0-610 об/мин

Макс. напряжение 650 В

Теперь разберемся, когда именно какой из двигателей начинает работать. При обычном движении (ускорение почти равно нулю) автомобиль для движения использует передний электромотор вкупе с бензиновым двигателем. При ускорении так же подключается и задний электромотор, что сказывается на заряде никель-металлгидридной батареи. Если при разгоне вы не сильно давите на педаль газа, то бензиновый мотор остается выключенным. Автомобиль приводится в движение только за счет электромоторов. Самое же интересное начинается при замедлении. Бензиновый мотор отключается, а электромоторы начинают работать как генераторы. Если вы завели бензиновый двигатель, стоите на месте, то вся вырабатываемая им энергия идет на подзарядку батарей.

Полный принцип разрядки/зарядки батарей мы можем увидеть на рис.8

Система рекуперации кинетической энергии вкупе с VDIM (система интегрированного управления динамикой автомобиля), E-FOUR (интеллектуальная система полного привода), E-CVT (трансмиссия с бесступенчатым изменением передаточного отношения с электронным управлением), а так же мощнейшим компьютером и отменно продуманной системой управления двигателями дают поразительный результат. Расход топлива данного автомобиля на 60% ниже, чем у бензинового варианта (Lexus RX 300).