Рекуперация электродвигателя что это
Эта таинственная рекуперация
Двигатель постоянного тока, стоящий в моноколесе, может работать как генератор, заряжая батареи на торможении. Однако возможность еще не означает, что рекуперация непременно есть. Из того, что у людей заряжались колеса при, например, спуске с горы, можно сделать вывод, что рекуперация в моноколесах все-таки используется, но ее точный вклад в торможение оставался неизвестным. Но недавно пользователи форума Электротранспорт.ру сделали полноценный ваттметр с логгером и посмотрели, что происходит с током и напряжением при езде. По результатам измерений рекуперация есть точно, но куда-то пропал еще один тип торможения.
Немного физики
Электродвигатели постоянного тока, которые стоят на моноколесах, имеют три варианта торможения.
Рекуперативное торможение. В этом случае двигатель превращается в генератор и переводит кинетическую энергию в электрический ток, который уходит в сеть (электровозы и метро) или в аккумуляторы (электрокары). Рекуперативное торможение возможно, когда скорость вращения превышает скорость идеального холостого хода.
Реостатное торможение. Здесь двигатель также работает, как генератор, но получаемая энергия уходит в нагрев тормозных резисторов. Довольно распространено на железной дороге.
Тормозные резисторы
Реверсивное торможение, оно же торможение противотоком или противовключением. В этом случае двигатель не превращается в генератор, но начинает тянуть в противоположную движению сторону. Например, если электромотор тянет вверх груз, и на этот груз запрыгивает хулиган, перевешивая возможности мотора, то груз начнет опускаться, а двигатель окажется в режиме реверсивного торможения. В таком режиме протекающий через обмотки ток гораздо выше, чем при нормальной работе, и это может создать определенные проблемы.
Специфика моноколеса
У многих моноколес нет передней и задней части, и контроллер не разгоняется и не тормозит, а все время решает задачу обратного маятника, пытаясь подъехать под ездока, который может пользоваться этим для эффектных трюков.
Например, здесь райдер очень резко тормозит и начинает разгоняться вправо.
Также, известно, что в конструкции моноколеса нет тормозных резисторов, и реостатное торможение в принципе невозможно. Теоретически, логично предположить, что в процессе торможения сначала на высокой скорости будет задействоваться рекуперативное торможение, которое на каком-то этапе перейдет в торможение противовключением, которое, если мы не прекратим давить на педаль в ту же сторону, перейдет уже в двигательный режим, и мы поедем в противоположную сторону. Но реальные измерения оказались очень любопытными.
Исследования на железе
Пользователь форума Drift3r собрал из Raspberry Pi и «nRF24L01+» ваттметр с логгером, который устанавливался в разрыв кабеля от аккумуляторных батарей.
В собранном виде на колесе другого пользователя Ripido
Ваттметр учитывал направление тока, там, где батареи заряжались, ток и мощность уходили в минус.
График в полном размере
Если посмотреть на красные линии, то получается, что в глубоком устоявшемся торможении не видны следы торможения противотоком — пока скорость падает, ток идет в батареи.
Интересно, что показатели встроенного логгера, если не учитывать ток по модулю, отличаются от данных ваттметра только на участках довольно резких маневров.
График в полном размере, Awhe, Vwhe — встроенный логгер колеса, Alog, Vlog — логи ваттметра
Гипотезы и возможные эксперименты
Также, попробуем провести следующий мысленный эксперимент. Ситуация первая — мы катимся с горки со скоростью 20 км/ч. В этом случае, очевидно, работает рекуперация. Ситуация вторая — мы стоим на горке (моноколесо стоять не может, так что мы легко касаемся пальцами столба и за счет этого не заваливаемся набок). В этом случае мы, очевидно, работаем в тяговом режиме, потому что надо прикладывать усилие, чтобы не покатиться вниз. Ситуация третья — мы спускаемся со скоростью 1 миллиметр в секунду с крутой горки, придерживаясь за столб. В этом случае колесо, очевидно, работает в режиме противовключения, потому что итоговый баланс энергии отрицательный — она расходуется на то, чтобы не скатиться под горку быстрее, чем мы движемся. И где-то между ситуациями 1 и 3 у нас будет переходный момент, когда итоговый энергетический баланс будет околонулевым — скатываться быстрее будет выгодно энергетически, а движение медленнее будет требовать энергетических затрат.
Практическое применение
У всех этих рассуждений есть очень простые следствия:
Есть забавная история о том, как на трассе заряжали электромобиль Tesla — его взяли на буксир, и водитель Tesla давил на педаль тормоза, чтобы рекуперация заряжала батареи. С моноколесами то же самое — если у вас почти сел аккумулятор, пусть вас возьмет на буксир соратник на велосипеде, самокате, роликах или моноколесе (пожалуйста, берегите себя и не пробуйте цепляться за машины или общественный транспорт!).
У моноколес есть защита от перезаряда батарей. То есть, если вы оказались на вершине горы с полной батареей, попытка спуститься будет сопряжена с тревожными сигналами моноколеса о перезаряде аккумуляторов — обычно они начинают пищать и задирать педали (вместо горизонтального положения их передняя часть будет выше задней). Но это легко исправить — проехав метров сто вверх, желательно побыстрее, вы сможете спуститься на километр-два. Лайфхак повторять до окончания спуска.
Заключение
В публикации использованы фотографии пользователей Ripido и Drift3r, темы, где обсуждалась рекуперация тут и тут. Также использованы стоп-кадры из рекламного ролика с участием недавнего победителя конкурса моноколесных талантов Дамьена Гоме. Дамьен — профессиональный акробат, поэтому ролик, на мой взгляд, красив сам по себе и наглядно показывает возможности любого хорошего моноколеса.
Рекуперация электрической энергии и ее использование
Традиционным способом избавления от лишней энергии, выделяемой в преобразователях частоты во время торможения управляемых ими асинхронных двигателей, было рассеивание оной в форме тепла на резисторах. Тормозные резисторы применялись везде, где имела место высокая инерция нагрузки, например в центрифугах, на электротранспорте, на нагрузочных стендах и т. п.
Такое решение было необходимостью, чтобы ограничить максимальное напряжение на зажимах преобразователей в режиме торможения. Иначе бы частотные преобразователи выходили из строя, ведь было бы невозможно контролировать параметры разгона и торможения.
Тормозные резисторы не обременяли экономически оборудование, но некоторые неудобства за собой неизменно влекли. Резисторы габаритны, сильно разогреваются, нужна защита от влаги и пыли. И все это связано лишь с тем, что нужно рассеять впустую энергию, за которую предприятие платит деньги, и деньги не малые, если тем более речь о крупном производстве.
Летом особенно нежелателен дополнительный нагрев окружающего воздуха, ведь технологическое оборудование и так нагрето теплым воздухом, а тут еще и резисторы, прогретые до 100 градусов и выше. Нужна дополнительная вентиляция — снова расходы.
Но есть и другой путь. Зачем рассеивать энергию впустую? Можно вернуть ее в сеть обратно, и так сэкономить энергозатраты. Тут то и приходят на помощь системы рекуперации электроэнергии.
Безусловно, частотные преобразователи сегодняшнего дня сильно сокращают потребление электричества оборудованием, благодаря оптимизации способа питания двигателей различного технологического оборудования, и это экономит ресурсы. Но применение рекуперации еще более наращивает экономию. Энергия может не рассеиваться на резисторах при торможении, а возвращаться в сеть с учетом текущих параметров сети.
На сегодняшний день ведущие производители промышленных механизмов и оборудования уже внедряют такие системы на электротранспорте: для троллейбусов, электропоездов, эскалаторов, трамваев, наконец — для электрокаров.
Как же работает система рекуперации? Источник переменного тока, питающий двигатель или другую установку, должен суметь принять энергию назад. Для этого вместо обычного выпрямителя применяется преобразователь с широтно-импульсной модуляцией. Такой преобразователь в состоянии направлять потоки мощности как от источника к потребителю, так и от потребителя к источнику. Данный путь позволяет довести коэффициент мощности до единицы.
Типичный IGBT-каскад частотного преобразователя, работающий в режиме рекуперации, сначала представляется как выпрямитель синусоидального тока, однако при торможении он генерирует сигнал с широтно-импульсной модуляцией, при котором направление тока, при напряжении на зажимах выше определенного уровня, оказывается направленным не от сети, а к сети из цепи потребителя.
Разница напряжений питающей сети и цепи нагрузки прикладывается к рекуперационному индуктору. Индуктивность блокирует высокочастотные гармоники, и получается почти чистый синусоидальный ток, здесь не требуется синхронизирующего оборудования, достаточно подать три тестирующих импульса от ШИМ-модулятора в сеть, чтобы определить частоту и фазу напряжения в текущий момент.
Примером могут служить частотные преобразователи с системой рекуперации фирмы Control Techniques, которые служат в частности на заводах Lamborghini и Nissan для питания стендов динамических испытаний, а также на эскалаторах и в различных металлургических решениях.
Суть везде одна и та же — создается двунаправленный поток энергии как к потребителю из сети, от источника, так и из потребителя к сеть. При проектировании рекуперационных систем учитывают рад факторов: диапазон сетевого напряжения, номинал оборудования и коэффициент мощности, максимальная мощность с учетом перегрузки, уровень потерь.
Схема, приведенная на рисунке, демонстрирует одномоторное решение, где привод двигателя и привод рекуператора представлены каждый в одном экземпляре, их номиналы равны. Но порой случаются перегрузки двигателя, и тогда требуется более мощный привод рекуперации, дабы покрыть нижний предел по напряжению и потери в двигателе.
По такому же принципу обеспечивается работа нескольких двигателей с несколькими моторными приводами, при этом ставится один мощный привод рекуперации, способный пропустить через себя суммарную мощность для всех двигателей системы с учетом возможности одновременного торможения всех двигателей.
Для ограничения пускового тока в системах с несколькими двигателями, когда шины постоянного тока объединены, применяют тиристорные модули, подключаемые при помощи контакторов к заряжаемым постоянным током конденсаторам преобразователя. После заряда конденсаторов тиристорный модуль отключается. Очевидно, системы рекуперации конфигурируются по разному, и проектируются индивидуально.
Говоря о рекуперации, нельзя не вспомнить о системах рекуперативного торможения, применяемых в современных гибридных двигателях автомобилей, где основой служит путь электрической рекуперации кинетической энергии.
Всегда, когда автомобиль движется, проявляется кинетическая энергия. Но при торможении в традиционном виде, избыток энергии просто теряется в форме тепла, тормозные колодки трутся о тормозные диски, расходуя кинетическую энергию впустую, нагревая фрикционный материал и металл, отдавая тепло в конечном итоге окружающему воздуху. Это очень расточительный подход.
Система рекуперативного торможения не расходует кинетическую энергию просто на трение, чтобы затормозить. Вместо этого используется включенный в трансмиссию электродвигатель, который начинает при торможении работать как генератор, преобразовывая момент на валу в электроэнергию, заряжающую аккумуляторную батарею, а тормозящий момент ротора, возникающий в генераторном режиме, как раз и дает автомобилю желанное торможение. Запасенная в аккумуляторе таким образом энергия через некоторое время вновь служит для движения автомобиля, то есть используется повторно.
Рекуперативное торможение позволяет по максимуму использовать доступный ресурс каждого заряда аккумулятора, и топливо сильно экономится. Поскольку при торможении 70% кинетической энергии приходится на переднюю ось, то и систему рекуперации монтируют именно на передней оси, чтобы более эффективно сохранять энергию.
Наибольшая эффективность рекуперативного торможения достигается на высоких скоростях движения, а при низких скоростях эффективность системы падает. По этой причине наряду с рекуперационным торможением так или иначе фрикционная тормозная система присутствует. Совместная работа двух систем обеспечивается электронным контроллером.
Контроллер реализует ряд функций: контролирует скорость вращения колес, поддерживает правильный тормозящий момент, распределяет тормозное усилие между рекуперационным и фрикционным тормозом, поддерживает приемлемый для оптимального заряда батареи крутящий момент.
Разумеется, прямой механической связи между педалью тормоза и фрикционными колодками в таких автомобилях нет. Электронный блок обеспечивает правильное взаимодействие ABS, системы курсовой устойчивости, системы распределения тормозных усилий и усилителя экстренного торможения между собой.
Рекуперация электроэнергии
Главная > Теория > Рекуперация
Электродвигатели предназначены для приведения в движение различных механизмов, но после завершения движения механизм необходимо остановить. Для этого можно использовать тоже электрическую машину и метод рекуперации. О том, что такое рекуперация электроэнергии, рассказывается в этой статье.
Рекуперация электроэнергии в электровелосипеде
Что такое рекуперация
Название этого процесса происходит от латинского слова «recuperatio», которое переводится как «обратное получение». Это возврат части израсходованной энергии или материалов для повторного использования.
Этот процесс широко используется в электротранспорте, особенно работающем на аккумуляторах. При движении под уклон и во время торможения системы рекуперации возвращает кинетическую энергию движения обратно в аккумулятор, подзаряжая их. Это позволяет проехать без подзарядки большее расстояние.
Система рекуперации с накопительным конденсатором
Период торможения автомобиля длится достаточно короткое время. Поэтому из-за технологических особенностей устройства современных аккумуляторных батарей (а вернее химических процессов, происходящих при их подзарядке) сохранить большое количество энергии в них довольно трудно. Компания Mazda разработала систему рекуперации с использованием накопительного конденсатора. В процессе торможения специальный генератор с напряжением 12÷25 В за короткий отрезок времени заряжает емкость. Далее накопленная энергия через конвертор (DC/DC) преобразуется в привычные 12 В и поступает либо на различные потребители (кондиционер, CD-плейер и так далее), либо подзаряжает штатную аккумуляторную батарею. По утверждению производителя экономия топлива составляет не менее 10%.
Рекуперативное торможение
Частота вращения: формула
Один из видов торможения – это рекуперативное. При этом скорость вращения электродвигателя больше, чем заданная параметрами сети: напряжением на якоре и обмотке возбуждения в двигателях постоянного тока или частотой питающего напряжения в синхронных или асинхронных двигателях. При этом электродвигатель переходит в режим генератора, а выработанную энергию отдаёт обратно в сеть.
Основным достоинством рекуператора является экономия электроэнергии. Это особенно заметно при движении по городу с постоянно изменяющейся скоростью, пригородном электротранспорте и метрополитене с большим количеством остановок и торможением перед ними.
Кроме достоинств, рекуперация имеет недостатки:
Для компенсации этих недостатков на транспортных средствах устанавливается дополнительная система механических тормозов.
Как работает система рекуперации
Для обеспечения работы эта система должна обеспечивать питание электродвигателя от сети и возврат энергии во время торможения. Проще всего это осуществляется в городском электротранспорте, а также в старых электромобилях, оснащенных свинцовыми аккумуляторами, электродвигателями постоянного тока и контакторами, – при переходе на пониженную передачу при высокой скорости режим возврата энергии включается автоматически.
В современном транспорте вместо контакторов используется ШИМ-контроллер. Это устройство позволяет возвращать энергию как в сеть постоянного, так и переменного тока. При работе оно работает как выпрямитель, а во время торможения определяет частоту и фазу сети, создавая обратный ток.
Интересно. При динамическом торможении электродвигателей постоянного тока они так же переходят в режим генератора, но вырабатывающаяся энергия не возвращается в сеть, а рассеивается на добавочном сопротивлении.
Применение рекуперации в транспорте
Принцип работы электродвигателя
Этот метод торможения используется много лет. В зависимости от вида транспорта, его применение имеет свои особенности.
В электромобилях и электровелосипедах
При движении по дороге, а тем более, по бездорожью электропривод почти всё время работает в тяговом режиме, а перед остановкой или перекрёстком – «накатом». Остановка производится, используя механические тормоза из-за того, что рекуперация при малых скоростях неэффективна.
Кроме того, КПД аккумуляторов в цикле «заряд-разряд» далёк от 100%. Поэтому, хотя такие системы и устанавливаются на электромобили, большую экономию заряда они не обеспечивают.
Схема рекуперации в автомобиле
На железной дороге
Рекуперация в электровозах осуществляется тяговыми электродвигателями. При этом они включаются в режиме генератора, преобразующего кинетическую энергию поезда в электроэнергию. Эта энергия отдаётся обратно в сеть, в отличие от реостатного торможения, вызывающего нагрев реостатов.
Рекуперация используется также при длительном спуске по склону для поддержания постоянной скорости. Этот метод позволяет экономить электроэнергию, которая отдается обратно в сеть и используется другими поездами.
Раньше этой системой оборудовались только локомотивы, работающие от сети постоянного тока. В аппаратах, работающих от сети переменного тока, есть сложность с синхронизацией частоты отданной энергии с частотой сети. Сейчас эта проблема решается при помощи тиристорных преобразователей.
Режим рекуперации поезда
В метро
В метрополитене во время движения поездов происходит постоянный разгон и торможение вагонов. Поэтому рекуперация энергии даёт большой экономический эффект. Он достигает максимума, если это происходит одновременно в разных поездах на одной станции. Это учитывается при составлении расписания.
В городском общественном транспорте
В городском электротранспорте эта система устанавливается практически во всех моделях. Она используется в качестве основной до скорости 1-2 км/ч, после чего становится неэффективной, и вместо неё включается стояночный тормоз.
В Формуле-1
Начиная с 2009 года, в некоторых машинах устанавливается система рекуперации. В этом году такие устройства ещё не давали ощутимого превосходства.
В 2010 году такие системы не использовались. Их установка с ограничением на мощность и объём рекуперированной энергии возобновилась в 2011 году.
Система старт стоп с рекуперацией
Она реализована на машинах многих семейств – BMW, Audi и другие, успешно ее применяют в конструкции своих авто. Чаще всего ее назначение – экономия топлива, но зачастую при этом она работает совместно с режимом рекуперации энергии. Исследования показали, что до тридцати процентов времени, мотор работает на холостом ходу из-за остановок на светофорах, пробок и других помех движению. Вот в таких условиях применяется режим старт стоп.
Основой его является такой подход – при остановке (в пробке, на светофоре и т.д.) мотор глушится (стоп), а при необходимости начать движение запускается (старт). Все эти действия выполняет электроника, анализируя показания датчиков о режиме работы двигателя и выполняемых водителем действиях. В некоторых случаях этот процесс дополняется рекуперацией, торможение также способствует получению дополнительной зарядки АКБ.
Для того чтобы система, названная по используемому режиму старт стоп, работала успешно, необходимо наличие на машине усиленного стартера или стартер-генератора. В самом простом варианте система, принцип работы которой описан выше, позволяет экономить до восьми процентов топлива, а также снижает содержание вредных веществ в составе выхлопных газов. По оценкам специалистов, в ближайшем будущем не только машины BMW или Audi смогут работать в режиме старт стоп, но подобное станет чуть ли не обязательным для всех производителей.
Статья в тему: Почему свистит генератор автомобиля
Однако у ряда из них, система рекуперации энергии дополняет описанный подход. Да и не только рекуперация энергии торможения.
Торможение асинхронных двигателей
Снижение скорости асинхронных электродвигателей осуществляется тремя способами:
Рекуперативное торможение асинхронного двигателя
Рекуперация асинхронных двигателей возможна в трёх случаях:
В любом случае при торможении ротор начинает обгонять поле статора, скольжение становится больше 1, и электромашина начинает работать как генератор, отдавая энергию в сеть.
Схема электродвигателя с фазным ротором
Противовключение
Режим противовключения осуществляется переключением двух фаз, питающих электромашину, между собой и включением вращения аппарата в обратную сторону.
Возможен вариант включения при противовключении добавочных сопротивлений в цепь статора или обмоток фазного ротора. Это уменьшает ток и тормозной момент.
Важно! На практике этот способ применяется редко из-за превышения токов в 8-10 раз выше номинальных (за исключением двигателей с фазным ротором). Кроме того, аппарат необходимо вовремя отключить, иначе он начнёт вращаться в обратную сторону.
Динамическое торможение асинхронного двигателя
Этот метод осуществляется подачей в обмотку статора постоянного напряжения. Для обеспечения безаварийной работы электромашины ток торможения не должен превышать 4-5 токов холостого хода. Это достигается включением в цепь статора дополнительного сопротивления или использованием понижающего трансформатора.
Постоянный ток, протекающий в обмотках статора, создаёт магнитное поле. При пересечении его в обмотках ротора наводится ЭДС, и протекает ток. Выделившаяся мощность создаёт тормозной момент, сила которого тем больше, чем выше скорость вращения электромашины.
Фактически асинхронный электродвигатель в режиме динамического торможения превращается в генератор постоянного тока, выходные клеммы которого закорочены (в машине с короткозамкнутым ротором) или включенные на добавочное сопротивление (электромашина с фазным ротором).
Схема динамического торможения асинхронного электродвигателя
Рекуперация в электрических машинах – это вид торможения, позволяющий сэкономить электроэнергию и избежать износа механических тормозов.
Рекуперация в автомобиле
При движении на автомобиле, особенно в условиях города, почти постоянно приходится разгоняться и тормозить. При разгоне мощность мотора тратится на увеличение скорости, а при торможении кинетическая энергия разогнавшегося авто просто теряется. Вот для того, чтобы частично ее использовать, существует система рекуперации энергии, благодаря которой осуществляется зарядка АКБ.
Наиболее простым способом это реализуется на гибридном автомобиле. При обычном режиме движения вспомогательный ДВС вращает генератор. Тяговые моторы получают от него питающее напряжение и крутят колеса. Когда машина тормозит, то генератор отключается, и уже колеса крутят тяговые моторы, а они начинают работать как генератор и вырабатывают электроэнергию, которая сохраняется аккумулятором. Вот таким образом в системе рекуперации, энергия торможения становится электроэнергией.
Подобный подход к использованию торможения возможен не только на гибридном автомобиле. Например, на многих машинах семейства bmw реализуется аналогичный способ, только несколько измененный. На некоторых моделях bmw при разгоне генератор не работает, что позволяет уменьшить нагрузку на двигатель, а также снизить потребление горючего. Когда же водитель начинает процесс торможения, то подключается генератор и начинает подзарядку АКБ. Применение подобным образом рекуперации энергии торможения в автомобиле, для зарядки аккумуляторов, с питанием от них в дальнейшем бортовой электроники, достаточно традиционно. Как уже отмечалось, это позволяет добиться экономии топлива и повысить динамические характеристики, за счет расходования мощности двигателя исключительно на движение. Однако, это не единственный подход, который реализуют изготовители для рационального использования энергии на автомобиле в процессе торможения.