Рекуперация электроэнергии

Содержание

1 Что такое рекуперация
2 Рекуперативное торможение
3 Как работает система рекуперации
4 Силовой спуск
5 Применение рекуперации в транспорте
6 Торможение асинхронных двигателей
7 Видео

При выполнении энергией какой-либо работы она тратится безвозвратно в полном объёме. Рекуперация, как процесс, позволяет сохранить часть энергии: кинетической или тепловой, и вернуть её обратно в технологическую цепочку.

Рекуперация тепла

Что такое рекуперация

Рекуперация – это намеренное возвращение затрачиваемого материала или любого вида энергии с целью повторного применения. В переводе с латыни recuperatio – «обратное получение», возврат вещества или вида энергии в тот процесс, куда затрачивается расходный материал.

Принцип рекуперации применяют:

при производстве (обработке) сырья;
для сохранения тепла при воздухообмене;
при работе с кинетической энергией.

Такие методы позволяют не только снижать затраты на производство, но и организовывать самостоятельные схемы для работы различных устройств.

Рекуперативное торможение

Обозначение переменного тока

Электрические тяговые двигатели, применяемые для движения городского и железнодорожного электротранспорта, работают с использованием рекуперативного торможения (РТ). В тот момент, когда электродвигатель совершает торможение, он превращается в генератор.

Подобные электродвигатели применяют:

в троллейбусах;
в трамваях;
в электропоездах.

Получаемая в процессе торможения электроэнергия передаётся обратно в общую энергосеть.

Внимание! В аналогичной ситуации электромобили или гибридные автомашины используют такую энергию для зарядки собственного аккумулятора.

Электропоезд с двигателями РТ

Как работает система рекуперации

Полупроводниковый диод

Работу подобной системы можно рассмотреть на примере рекуперации воздуха при вентиляции помещения. При замене воздуха в помещении устройство выполняет передачу части тепла от удаляемого воздуха подаваемому потоку.

Важно! При этом действии смешивания потоков не происходит. Таким способом достигается наибольшая энергоэффективность помещения при невысоком КПД теплообмена.

На повышение передачи тепла в этом случае влияют:

повышение температурной разницы;
отношение площади теплового соприкосновения к массе воздуха, текущего через теплообменник.

Снижение утечки тепла при вентиляции помещения – вот основная задача у системы рекуперации. Большая часть тепла не покидает помещение без толку, подогревает подаваемый извне воздух.

Рекуператор воздуха

Силовой спуск

Эквивалентное сопротивление

Недостатки устройств с рекуперацией, применяемых на транспорте, не позволяют использовать её как основной узел торможения. К основным минусам относятся:

отсутствие стояночного тормоза;
недопустимость полной остановки.

В связи с этим на всех устройствах и транспортных средствах применяют механические тормоза.

Эти же недостатки позволяют использовать рекуперацию для организации силового спуска. Её применяют при движении электротранспорта вниз на уклонах или для снижения скорости подачи груза вниз при опускании краном.

Силовой спуск при опускании грузов

Применение рекуперации в транспорте

При работе электротранспорта происходит рекуперация энергии электрического тока. Для каждого из видов транспорта существуют свои конструктивные нюансы.

В электромобилях и электровелосипедах

Электровелосипед, как и частный электромобиль, хотя и оснащен такой системой обратного возврата электроэнергии на аккумулятор, обладает низким КПД. Электропривод этих средств передвижения потребляет энергию при движении. Поскольку режим торможения очень редок и кратковременен, то доля возвращённого электричества мала. С её помощью лишь увеличивают расстояние пробега на одной зарядке АКБ.

Электрокар BMW i3

На железной дороге

Тяговые двигатели электровозов при рекуперации переходят в режим генерирования электроэнергии, которая снова возвращается в сеть.

Важно! Применение в системе рекуперации ШИМ-контроллера взамен контакторов позволяет вернуть энергию в любую сеть: постоянного или переменного тока. Контроллер работает в двух режимах. При движении он выпрямляет ток, при торможении, определив частоту и фазу сети, – отдаёт электричество.

В метро

При рекуперации электроэнергии в подземке правильно подобранный график движения поездов даёт значительную экономию. Чередование разгона и торможения поезда можно синхронизировать с несколькими составами на разных ветках и возвращать энергию в сеть по максимуму.

Применение рекуперативной энергии в метро

В городском общественном транспорте

Все модели троллейбусов и трамваев снабжены подобной системой торможения и возврата энергии. Существует ограничение по нижней границе скорости торможения. Она составляет 1-2 км/ч. Далее в работу вступают стояночные механические тормоза.

В Формуле-1

В 2014 году регламент Формулы-1 подразумевал переход на турбо моторы с системой (ERS). Это двойная рекуперация, в результате которой используют и кинетическую при торможении, и тепловую энергию выхлопа. При этом используют модули ERS-K и ERS-H. В систему включены два дополнительных генератора: MGU-K и MGU-H. Буквой К и Н маркируют кинетическую и тепловую энергию, соответственно.

Торможение асинхронных двигателей

Что это такое рекуперация применительно к асинхронным машинам? В данном случае это лишь один из видов торможения. Два других это:

динамическое замедление;
торможение противовключением.

Каждый из них имеет свои особенности.

Рекуперативное торможение асинхронного двигателя

Асинхронный двигатель (АД) превращается в генератор тогда, когда скольжение ротора в поле статора увеличивается. Это осуществимо тремя способами:

уменьшение частоты напряжения питания, при котором ротор начинает вращаться со скоростью, опережающей синхронную;
в машинах, имеющих две и более скорости вращения, при переключении обмоток или изменении количества включенных полюсов;
в двигателях с фазным ротором, путём изменения сопротивления, включенного в цепи обмоток ротора.

Величина скольжения во всех случаях превышает единицу, и машина переходит в режим генерации и возвращает энергию.

Схема пуска двигателя с фазным ротором

Противовключение

Такой способ редко применяется из-за недостатков, связанных с тем, что есть необходимость менять местами фазы между собой. Это вызывает изменение направления движения, но величина рабочего тока возрастает в десять раз. К тому же необходимо прекращать дальнейшую подачу напряжения, чтобы после торможения двигатель не вращался в противоположную сторону.

Динамическое торможение асинхронного двигателя

Такое снижение скорости вращения получают при подаче постоянного напряжения на статорную обмотку. Созданное в результате этого магнитное поле статора действует на обмотки ротора. В них появляется ЭДС, и начинает протекать ток. Сила тормозного момента, возникающего при выделившейся при этом мощности, напрямую зависит от скорости вращения электродвигателя. Двигатель превращается в генератор с закороченными выходными клеммами и отдаёт в сеть энергию.

Схема динамического торможения АД

Замена или дополнение механического тормоза на рекуперативное замедление движения позволяет вернуть энергию для её повторного использования. Рекуперация, как одно из направлений экономии сырья и энергии, позволяет повысить экономию и эффективность технологических процессов.