Рекуперативное торможение

Рекуперация энергии в подвеске

Лидер в производстве автомобильных трансмиссий, компания с мировым именем ZF, совместно с американским производителем Levant Power запустили новый проект по созданию инновационной подвески, которая должна стать новинкой в автомобильном мире. Эта модель подвески будет оснащена способностью рекуперации энергии. В будущем разработчики планируют сделать такую подвеску доступной для монтажа на всех выпускаемых автомобилях.

Система рекуперации энергии в подвеске будет состоять из маленького электрического двигателя, блока управления и четырех электрогидравлических насосов, которые будут устанавливаться около амортизаторов на каждом колесе автомобиля. Именно такой набор элементов будет отвечать за уровень давления масла в амортизаторе, подстраивая их под работу автомобиля в конкретных дорожных условиях.

Рекуперация энергии будет происходить от движений штока. Его принцип работы будет заключаться в преобразовании кинетической энергия в электрическую, которая в свою очередь будет поступать в общую электрическую сеть транспортного средства.

К сожалению, когда именно подобное устройство появиться в свободном доступе пока не известно. По расчетам конструкторов работа займет несколько лет, после чего начнется подготовка автопроизводителей по внедрению этого элемента в конструкцию автомобиля.

Рекуперация на сегодняшний день активно используется в гоночных авто. Но при этом растет количество обычных автомобилей, которые также оснащены этой системой. Это позволит более экономично расходовать топливо, используя энергию торможения и особые режимы движения.

Более детально разобраться в принципе работы рекуперативной системы поможет следующее видео:

• Как уменьшить расход бензина
• Что такое цетановое число дизельного топлива, как его повысить
• Срок хранения бензина АИ 92 и 95 в баке автомобиля, бочках, канистре
• Физико-химические свойства бензина

О принципе рекуперации

Термин рекуперация происходит от латинского слова, означающего обмен, передачу чего-либо. В контексте вентиляции под этим понятием подразумевается передача тепла от вытяжного воздуха приточному без смешивания двух потоков. Первоначально интерес к устройствам рекуперации диктовался преимущественно тенденциями новаторства и перспективами экологической безопасности. Позже стало понятно, что это по-настоящему действенный способ оптимизировать энергетическую эффективность здания.

   Принцип работы рекуператора воздуха

Принцип возвратного теплообмена имеет количественное выражение. Эффективность теплопередачи тепла растёт вместе с повышением разницы температур. Также ввиду отсутствия смешивания потоков очевидно, что полноценная работа устройства возможна только при достаточно высоком отношении площади теплового контакта к массе проходящего через рекуператор воздуха.

По сути и принципу действия каждый рекуператор — это экономайзер, собирающий отходы низкопотенциальной энергии и направляющий их для совершения полезной работы. Для рекуперации тепла не свойственен высокий КПД, однако в хорошо утеплённых зданиях утечки тепла через вентиляцию относятся к основным потерям, поэтому их сокращение — важнейшая задача для обеспечения как можно более низкого теплового баланса.

Почему ИБП несовместимы с рекуперацией?

Частотный преобразователь пропускает вырабатываемую электроэнергию и выдает ее на вход. Система управления электроснабжением при этом должна изначально предполагать возможность возврата энергии в сеть для полезного использования. Такая система тщательно рассчитывается и стоит дороже, но она позволяет снизить энергозатраты и избежать аварий. Если несколько защищенных ИБП установок работает одновременно, вырабатываемую одной из них энергию могут потреблять соседние. Если же с управлением и расчетом нагрузки имеются проблемы или в системе работает только одна установка, рекуперация будет воздействовать на ИБП. Построенные по классической схеме устройства на такое просто не рассчитаны: энергия проходит через инвертор, который начинает играть роль своеобразного бустера, что приводит к росту напряжения на шине постоянного тока. Практически ни один современный ИБП не способен полностью справиться с этой проблемой, после срабатывания защиты он перейдет в режим байпаса.

Летний режим работы рекуператора

Большинство систем вентиляции с рекуператором имеют также и летний режим. Многие полагают, что летом следует переходить на прямую вентиляцию помещений. Такой подход не совсем верен. Особенно это касается стран с резко континентальным климатом, таких, как Россия, где ночью температура может опускаться значительно ниже комфортной для человека и требуется включение обогревателей, а днём стоит изнуряющая жара и внешний воздух даже горячей, чем в помещениях с включенными на полную мощность кондиционерами.

В современных рекуператорах система анализирует температуру в приточном и вытяжном канале и включает соответствующий режим. К примеру, если из помещения идёт воздух с температурой ниже, чем поступает снаружи, то система использует его для охлаждения поступающего потока.

А если предстоит знойный день после прохладной ночи, то система, используя эти несколько ночных часов способна включить режим предварительного охлаждения помещения. После анализа температуры входящего и исходящего потока рекуператор включает нагнетание холодного воздуха, не включая теплообменник. Для автоматической работы в этом режиме требуется только активировать соответствующую функцию рекуператора с пульта дистанционного управления.

Электрооборудование трамваев и троллейбусов

• Общие сведения и технические характеристики электрических машин постоянного тока
• Характеристики тяговых двигателей
• Конструкция электродвигателей
• Вспомогательные электрические машины на напряжение 550 В
• Вспомогательные электрические машины на напряжение 24 и 12 В
• Генераторы собственных нужд
• Обслуживание электрических машин
• Характеристики токоприемников
• Конструкция токоприемников и их обслуживание
• Пускотормозные реостаты
• Регулировочные реостаты и индуктивные шунты
• Контактные соединения, контактные материалы
• Способы гашения электрической дуги
• Расчет обмоток электромагнита
• Электромагнитные контакторы
• Устройство и компоновка контакторных панелей
• Групповые аппараты
• Контроллеры косвенного управления подвижным составом
• Групповые реостатные контроллеры
• Ускоритель вагона Т-3
• Реверсивные переключатели
• Отключатели тяговых двигателей
• Реле автоматического пуска и торможения
• Реле управления
• Аппараты токовой защиты
• Аппараты защиты по напряжению
• Аппараты защиты от атмосферных перенапряжений
• Защита радиоприема от помех, вызываемых электрическим оборудованием подвижного состава
• Характеристика систем управления
• Регулирование напряжения на тяговых двигателях при реостатном пуске
• Регулирование возбуждения тяговых двигателей при пуске
• Электрическое торможение
• Тормозные характеристики и схемы реостатного торможения
• Электрическая схема троллейбуса 9Тр
• Электрическая схема троллейбуса ЗиУ-9
• Электрическая схема вагона РВЗ-6М-2
• Электрическая схема вагона КТМ-5М-3
• Электрическая схема вагона Т-3
• Импульсное управление на электрическом подвижном составе
• Импульсное регулирование напряжения на тяговых двигателях при пуске
• Импульсное регулирование напряжения на тяговых двигателях при торможении
• Тиристорно-импульсное регулирование возбуждения тяговых двигателей
• Сглаживающие устройства в системах с тиристорно-импульсным управлением
• Схемы тиристорных прерывателей
• Защита силовых полупроводниковых приборов в тиристорных регуляторах
• Принципы построения схем управления тиристорных регуляторов
• Конструкция электрооборудования
• Электрические схемы вагона РВЗ-7 с тиристорно-импульсным управлением
• Электрическая схема электронного блока управления вагона РВЗ-7
• Электрические цепи напряжением 550 В
• Аккумуляторные батареи
• Реле-регуляторы
• Схемы вспомогательных цепей напряжением 24 и 12 В троллейбусов и трамваев
• Список литературы

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 , .

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%.

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,3,X,Y

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 Toyota TS050 Hybrid, .

Основные области применения таких преобразователей:

• Бумагоделательные машины
• Линии металлообработки
• Конвейеры
• Эскалаторы (к примеру, в больших торговых центрах или же метро, один эскалатор работает на подъем другой на спуск при этом второй работает в генераторном режиме (торможение), всю эту энергию торможения можно рекуперировать в сеть (использовать для питания первого двигателя))
• Разматыватели
• Электрошпиндели
• Канатные дороги
• Подъемные краны и подъёмники, лифты
• Центрифуги
• Оборудование для порезки стекла, картона и метала
• Горнодобывающая промышленность
• Возобновляемые источники энергии (ветряные электростанции, гидроэлектростанции, солнечные электростанции)

Иными словами можно сказать, что такой источник бесплатной электроэнергии приобретает особое экономическое значение в период постоянного роста стоимости электроэнергии и значительно сокращает сроки окупаемости преобразователя частоты.

Место и способ установки

Рекуператоры бывают напольной и подвесной потолочной установки. Есть и третий вариант — точечные стеновые рекуператоры, которые монтируются в каждом помещении, соседствующим с улицей, и не требуют прокладки дополнительных коммуникаций.

Варианты потолочной установки интересны возможностью спрятать техническое оснащение дома в полости подвесных или натяжных потолков. Такие устройства немного дороже из-за требований к компактности, в то же время для их подключения не требуются дополнительные обводные каналы. Очевидный минус такого типа размещения — повышенная шумность, обусловленная малым удалением работающих двигателей от вентиляционных решёток.

   Способ установки рекуператора в квартире

Напольные (и настенные) рекуператоры ориентированы на установку в технических помещениях. Их производительность не ограничена габаритами, но требуется качественно выполнить систему обвязки. Как правило, устройства этой категории используют по совместительству с системами воздушного отопления и кондиционирования.

Когда рекуперация встречается с ИБП?

Проблема возникает с определенными типами индустриальной нагрузки, чаще всего это какие-то станки или другие устройства с механическим приводом. Ими управляют так называемые частотные преобразователи или сервоприводы, которые по сути тоже являются частотными преобразователями с обратной связью. Когда на двигатель такой установки перестают подавать питание, он может переключиться в режим генератора, начать вырабатывать электроэнергию во время торможения и подавать ее во входную сеть.

Современные промышленные установки с рекуперацией часто защищают с помощью ИБП от сбоев по питанию. Для примера можно рассмотреть станки с ЧПУ, использующиеся для высокоточной обработки дорогостоящих заготовок. Технологический цикл должен завершиться корректно, а если процесс прервется, восстановить его не получится и заготовку придется утилизировать. Стоить она может не один миллион рублей, если говорить о машиностроении, судостроении и авиастроении, а также о военной и космической технике.

Система рекуперации на «гибридах» и электромобилях

На данных автомобилях устанавливают электрические системы возврата энергии. Как это работает? Сначала немного теории. Любой электродвигатель постоянного тока при подаче на него напряжения начинает вращаться и работать как мотор. Если же раскрутить его вал механическим способом, то на клеммах вырабатывается напряжение. То есть, электромотор может выполнять одновременно две функции: в первом случае двигателя, а во втором генератора. Этот принцип и лег в основу электрических систем рекуперации энергии, который с успехом реализуют на электро- и гибридных автомобилях. Ведь и те и другие изначально оборудованы электродвигателями, которые довольно просто перевести в режим генератора. Принцип работы таких систем достаточно прост:

• При наборе скорости (то есть при нажатии на педаль газа) электродвигатель питается от аккумуляторной батареи и передает через трансмиссию вращательный момент на колеса автомобиля.
• В момент торможения встроенная электроника переключает его в режим генератора.
• Усилие, необходимое для его «раскручивания» замедляет вращение трансмиссии и способствует процессу остановки транспортного средства.
• Вырабатываемое мотором/генератором напряжение через специальный контроллер подзаряжает аккумуляторную батарею. То есть, часть энергии удается возвратить для ее последующего использования.

Важно! Естественно, при экстренном торможении рекуперативная система не может резко остановить автомобиль. Вследствие этого полностью отказываться от привычных конвекционных тормозов нельзя

Поэтому в зависимости от степени нажатия на педаль тормоза встроенный компьютер «принимает решение» и подключает в помощь к рекуперативному торможению стандартную тормозную систему автомобиля.

Достоинствами применения электрических систем рекуперации энергии являются:

• для электромобилей – увеличение автономности без очередной подзарядки аккумуляторных батарей;
• для гибридных транспортных средств – снижение расхода топлива.