Frânarea regenerativă (din latină recuperatio „bun de retur; retur”) este un tip de frânare electrică , în care electricitatea generată de motoarele de tracțiune care funcționează în regim de generator este utilizată pentru a reîncărca bateriile de tracțiune sau este returnată în rețeaua electrică.
Frânarea regenerativă este utilizată pe scară largă la locomotivele electrice , trenurile electrice , tramvaiele și troleibuzele moderne , unde, la frânare , motoarele electrice încep să funcționeze ca generatoare electrice , iar energia electrică generată este transmisă printr-o rețea de contact fie către alte locomotive electrice, fie către rețeaua generală. sistem de alimentare prin substații de tracțiune .
Un principiu similar este utilizat la vehiculele electrice , vehiculele hibride , unde electricitatea generată în timpul frânării este folosită pentru reîncărcarea bateriilor . Unele controlere de motoare pentru biciclete electrice implementează frânarea regenerativă.
Au fost efectuate și experimente privind organizarea frânării regenerative a altor principii pe mașini; Pentru stocarea energiei au fost folosite volante , acumulatori pneumatici , acumulatori hidraulici si alte dispozitive . [unu]
Odată cu dezvoltarea pieței vehiculelor hibride și electrice, sistemul de recuperare este adesea folosit pentru a crește autonomia de rulare a unei mașini cu o încărcare electrică. Cele mai comune mașini din aceste clase sunt Toyota Prius, Chevrolet Volt, Honda Insight, Tesla Model S,3,X,Y, Audi e-tron
Există unele cazuri de utilizare a sistemului de recuperare într-o mașină cu motor convențional pe benzină pentru a reduce consumul de combustibil. Un astfel de sistem a fost dezvoltat pe o mașină Ferrari pentru a asigura funcționarea sistemelor multimedia interne și de climatizare ale mașinii dintr-o baterie separată încărcată cu energie recuperabilă.
Sistemul de recuperare a energiei de frânare pentru vehiculele electrice și bicicletele electrice a fost criticat. Distanța de oprire a unei mașini este foarte mică în comparație cu carosabilul și variază de la câțiva metri la câteva zeci de metri (șoferul frânează de obicei relativ brusc chiar la semafor sau la destinație sau, în general, se îndreaptă spre destinație). Într-un timp atât de scurt, bateriile nu au timp să fie încărcate semnificativ cu curent regenerativ, nici măcar în ciclul urban cu frânări frecvente. Economiile de energie datorate recuperării sunt în cel mai bun caz fracțiuni de procent și, prin urmare, sistemul de frânare regenerativă al unui vehicul electric este ineficient și nu justifică complexitatea designului. În plus, frânarea regenerativă nu scutește necesitatea unui sistem convențional de frânare cu saboți, deoarece la turații scăzute ale motorului în modul generator, contra-EMF este mic și insuficient pentru a opri complet mașina. De asemenea, frânarea regenerativă nu rezolvă problema frânei de parcare (cu excepția menținerii dinamice artificiale a rotorului pe loc, care consumă energie semnificativă). În vehiculele electrice moderne, este posibilă reglarea pedalei de „gaz” - atunci când este eliberată, vehiculul electric fie continuă să se deplaseze prin inerție, fie trece în modul de frânare regenerativă.
Cu toate acestea, recuperarea este eficientă pentru transportul electric cu secțiunile sale frecvente de accelerare și decelerare, unde distanța de frânare este mare și proporțională cu distanța dintre stații (metrou, trenuri electrice suburbane).
În sezonul 2009 în Formula 1 , unele mașini au folosit Sistemul de recuperare a energiei cinetice (KERS). Era de așteptat ca acest lucru să stimuleze dezvoltarea în domeniul mașinilor hibride și îmbunătățirile ulterioare ale acestui sistem.
Cu toate acestea, în Formula 1, cu motorul său puternic, accelerația la viteze mici este limitată de aderența anvelopei, nu de cuplu. La viteze mari, utilizarea KERS nu este atât de eficientă. Deci, conform rezultatelor sezonului 2009, mașinile echipate cu acest sistem nu au demonstrat superioritate față de rivalii de pe majoritatea pistelor. Cu toate acestea, acest lucru se poate datora nu atât ineficienței sistemului, cât și dificultății de a-l folosi sub limitele stricte de greutate ale mașinii care erau în vigoare în 2009 în Formula 1. După ce echipele au convenit să nu folosească KERS în 2010 pentru a reduce costurile, utilizarea sistemului de recuperare a fost continuată în sezonul 2011.
Din 2012, sistemului KERS sunt impuse următoarele restricții [2] : puterea transmisă nu este mai mare de 60 kW (aproximativ 80 CP), capacitatea de stocare nu este mai mare de 400 kJ. Asta înseamnă că 80 CP. nu pot fi folosite mai mult de 6,67 s pe tură la unul sau mai multe ori. Astfel, timpul de tură poate fi redus cu 0,1-0,4 s.
Reglementările tehnice de Formula 1 aprobate de FIA pentru 2014 prevăd o tranziție la motoare turbo mai eficiente, cu un sistem integrat de recuperare (ERS). Utilizarea unui sistem dublu de recuperare (cinetic și termic) în sezoanele 2014-2015 a devenit mult mai relevantă datorită introducerii unor restricții stricte de reglementare privind consumul de combustibil - nu mai mult de 100 kg pentru întreaga cursă (în anii anteriori 150 kg ) și un consum instantaneu de cel mult 100 kg pe oră. S-a putut observa în mod repetat cum, în timpul cursei, când sistemul de recuperare a eșuat, mașina a început să piardă rapid teren.
Frânarea regenerativă este folosită și în cursele de anduranță. Un astfel de sistem este echipat cu prototipuri sportive din clasa LMP1 ale echipelor din fabrică Audi R18 și Toyota TS050 Hybrid , Porsche 919 Hybrid .
Frânarea regenerativă în transportul feroviar (în special la locomotivele electrice și la trenurile electrice echipate cu un sistem de frânare regenerativă) este procesul de transformare a energiei cinetice a unui tren în energie electrică prin motoarele de tracțiune ( TED ) care funcționează în modul generator . Energia electrică generată este transferată în rețeaua de contact (spre deosebire de frânarea reostatică , în care energia electrică generată este stinsă de rezistențele de frânare , adică este transformată în căldură și disipată de sistemul de răcire). Frânarea regenerativă este utilizată pentru a încetini trenul în cazurile în care trenul coboară o pantă relativ ușoară, iar utilizarea unei frâne cu aer este irațională. Adică, frânarea regenerativă este utilizată pentru a menține o anumită viteză atunci când trenul se deplasează în vale. Acest tip de frânare asigură economii tangibile de energie, deoarece energia electrică generată este transferată în rețeaua de contact și poate fi utilizată de alte locomotive din această secțiune a rețelei de contact.
Frânarea regenerativă are următoarele probleme care necesită o atenție specială la proiectarea unui circuit de locomotivă electrică pentru a le rezolva:
a) cuplul de frânare nu este proporțional cu viteza, ci cu diferența dintre turație și „viteza neutră”, care depinde de setarea sistemului de comandă al locomotivei electrice și de tensiunea rețelei de contact. Deci, la o viteză sub neutră, TED-urile vor trage, nu vor încetini. Astfel, la o viteză apropiată de neutru, chiar și mici (în procente) supratensiuni ale rețelei schimbă foarte mult diferența menționată și, odată cu aceasta, cuplul și duc la smucituri. Proiectarea corectă a circuitului locomotivei electrice reduce acest factor.
b) când armăturile TED-urilor regenerative sunt conectate în paralel, circuitul se poate dovedi instabil la boxă și predispus să se „blocheze” în modul atunci când un TED funcționează în modul motor, alimentat de al doilea TED care funcționează ca un generator, care suprimă frânarea. Soluție: pornirea înfășurărilor de excitație în cruce de la un TED „străin” (vezi diagramele VL8 și VL10).
c) sunt necesare măsuri de protecţie împotriva scurtcircuitului reţelei de contact sau asupra locomotivei electrice în sine. Pentru aceasta, se folosesc contactoare de mare viteză , a căror funcționare determină un proces tranzitoriu în circuit, care remagnetizează înfășurările de excitație ale TED și elimină astfel magnetizarea reziduală a statorului (excitarea generației de la care poate fi destul de suficientă pentru supraîncălzire sau incendiu în cazul unui scurtcircuit în rețea).
Anterior, locomotivele electrice DC erau echipate cu frânare regenerativă datorită simplității metodei de comutare a TED-urilor la modul generator (în URSS, circuitul a apărut pe generația Surami de locomotive electrice, de exemplu, VL22 și a fost utilizat cu modificări minore ). până la VL11 inclusiv, a rezolvat toate cele trei probleme descrise mai sus). La locomotivele electrice de curent alternativ, există o problemă care constă în transformarea curentului electric continuu generat în curent alternativ și sincronizarea acestuia cu frecvența curentului de tracțiune, această problemă fiind rezolvată cu ajutorul convertoarelor tiristorice [3] . Locomotivele electrice cu curent alternativ, create înainte de utilizarea invertoarelor cu tiristoare ( VL60 , ChS4 și ChS4T, precum și toate generațiile de VL80 , cu excepția VL80R) nu aveau posibilitatea de frânare regenerativă.
Frânarea regenerativă este rar utilizată în traficul de pasageri, cel puțin la locomotivele electrice „clasice” pre-tiristor, precum VL10 și VL11, din cauza apariției unor smucituri vizibile la comutarea mânerului de frână a locomotivei de la o etapă la alta, precum și în timpul supratensiunii catenare. Majoritatea locomotivelor de călători din acea vreme nu aveau deloc această capacitate.
În plus, frânarea regenerativă, precum frânarea reostatică, comprimă trenul și generează șoc de compresie de la cuple .
Cu toate acestea, frânarea regenerativă este utilizată pe scară largă pe materialul rulant cu mai multe unități de curent continuu (MVPS) ( ER2R , ER2T și trenurile electrice mai târziu). Spre deosebire de funcționarea trenului, în MVPS greutatea trenului este de obicei constantă (nu este aproape niciodată reformată), iar raportul tracțiune -greutate este mult mai mare . Acest lucru simplifică foarte mult crearea unei mașini de control al frânării regenerative. Este folosit și în locomotivele de marfă, de exemplu, pe 2ES6 .
Frânarea regenerativă în curent continuu necesită reechiparea substațiilor de tracțiune. Cel puțin, disiparea energiei este posibilă pe rezistențele staționare în cazul unei schimbări a direcției curentului în alimentatoarele stației (în același timp, rămâne posibilă utilizarea energiei de recuperare pentru tracțiunea unui alt tren pe aceeași secțiune, ceea ce este important cu un profil greu de cale). Ca maxim, este necesară instalarea invertoarelor.
Frânarea regenerativă a locomotivelor de cale ferată poate fi utilizată și pentru frânarea de urgență în cazul unei defecțiuni a frânei pneumatice. În special, există informații despre utilizarea repetată a frânării regenerative de către mașiniști pe secțiunea abruptă a Yeral-Simskaya (regiunea Chelyabinsk) [4] . Trebuie remarcat faptul că frânarea de urgență obișnuită a locomotivelor se efectuează prin purjare de aer ( supapa de oprire a vagoanelor de pasageri), iar în absența aerului în sistem, frânele sunt blocate [5] .
În metrouri , unde trenurile fac opriri frecvente, utilizarea frânării regenerative este foarte avantajoasă. Prin urmare, chiar și cele mai vechi vagoane de metrou aveau echipamente de frânare regenerativă (cu excepția vagoanelor de metrou produse în URSS). Cel mai mare efect se realizează prin coordonarea momentelor de frânare ale unui tren care sosește într-o stație cu plecarea altuia din aceeași gară sau dintr-o stație adiacentă. O astfel de schemă de trafic este prevăzută în orarul trenului.
În transportul electric urban modern, sistemele de control care asigură recuperarea sunt aproape întotdeauna utilizate.
Mașinile de tramvai ale modelelor UKVZ 71-619A și altele, mașinile PTMZ 71-134A și altele, mașinile Uraltransmash 71-405 și altele, precum și MTTA și MTTA-2 au posibilitatea de frânare regenerativă. Este folosit ca bază. După ce vagoanele încetinesc la o viteză de 1-2 km/h, frâna electrodinamică (reostatică) devine ineficientă și frâna de parcare este activată.