Odzysk energii elektrycznej i jej wykorzystanie

Tradycyjny sposób na pozbycie się nadmiaru energii uwolnionego w przetworniki częstotliwości podczas hamowania sterowanych przez nich silników asynchronicznych zostało rozproszone w postaci ciepła na rezystorach. Rezystory hamujące były stosowane wszędzie tam, gdzie występowała duża bezwładność ładunku, na przykład w wirówkach, w pojazdach elektrycznych, na stojakach ładunkowych itp.

Takie rozwiązanie było konieczne w celu ograniczenia maksymalnego napięcia na zaciskach przetwornic w trybie hamowania. W przeciwnym razie przetwornice częstotliwości zawiodłyby, ponieważ niemożliwe byłoby kontrolowanie parametrów przyspieszenia i hamowania.

Rezystory hamujące nie obciążały sprzętu ekonomicznie, ale zawsze powodowały pewne niedogodności. Rezystory są wymiarowe, są bardzo gorące, potrzebują ochrony przed wilgocią i kurzem. A wszystko to wiąże się tylko z faktem, że konieczne jest rozproszenie zmarnowanej energii, na którą przedsiębiorstwo płaci pieniądze, a pieniądze nie są małe, zwłaszcza jeśli mówimy o produkcji na dużą skalę.

W lecie dodatkowe ogrzewanie otaczającego powietrza jest szczególnie niepożądane, ponieważ sprzęt technologiczny jest już ogrzewany ciepłym powietrzem, a następnie są również rezystory podgrzewane do 100 stopni i więcej. Potrzebujesz dodatkowej wentylacji - znów kosztuje.

Ale jest inny sposób. Po co marnować energię na próżno? Możesz przywrócić go z powrotem do sieci, oszczędzając energię. Potem przychodzą na ratunek systemy odzyskiwania energii.

Oczywiście dzisiejsze przetwornice częstotliwości znacznie zmniejszają zużycie energii elektrycznej przez urządzenia, ze względu na optymalizację metody zasilania silników różnych urządzeń technologicznych, a to oszczędza zasoby. Ale zastosowanie odzysku dodatkowo zwiększa oszczędności. Rezystory nie mogą rozpraszać energii podczas hamowania, ale mogą zostać zwrócone do sieci z uwzględnieniem aktualnych parametrów sieci.

Dziś wiodący producenci maszyn i urządzeń przemysłowych wdrażają już takie systemy w pojazdach elektrycznych: do trolejbusów, pociągów elektrycznych, schodów ruchomych, tramwajów i wreszcie - do samochodów elektrycznych.

Jak działa system odzyskiwania? Źródło prądu przemiennego zasilające silnik lub inną instalację musi być w stanie odzyskać energię. W tym celu zamiast konwencjonalnego prostownika stosuje się przetwornik modulowany szerokością impulsu. Taki konwerter jest w stanie kierować przepływy mocy zarówno ze źródła do odbiorcy, jak i od odbiorcy do źródła. W ten sposób możesz doprowadzić współczynnik mocy do jedności.

Typowa kaskada IGBT przetwornicy częstotliwości pracującej w trybie odzyskiwania początkowo jest przedstawiona jako prostownik prądu sinusoidalnego, ale podczas hamowania generuje sygnał modulowany szerokością impulsu, w którym kierunek prądu, gdy napięcie na zaciskach jest powyżej pewnego poziomu, nie jest kierowany z sieci, i do sieci z obwodu odbiorcy.

Różnica napięcia między siecią zasilającą a obwodem obciążenia jest przykładana do cewki odzysku. Indukcyjność blokuje harmoniczne o wysokiej częstotliwości i uzyskuje się prawie czysty prąd sinusoidalny, nie ma potrzeby synchronizacji sprzętu, wystarczy przyłożyć do sieci trzy impulsy testowe z modulatora PWM, aby określić częstotliwość i fazę napięcia w danym momencie.

Przykładem są przetwornice częstotliwości z systemem odzyskiwania z Control Techniques, które są stosowane w szczególności w fabrykach Lamborghini i Nissan do zasilania dynamicznych stanowisk testowych, a także na schodach ruchomych i różnych rozwiązaniach metalurgicznych.

Esencja jest wszędzie taka sama - dwukierunkowy przepływ energii jest tworzony zarówno do odbiorcy z sieci, ze źródła, jak i od odbiorcy do sieci. Projektując systemy odzyskiwania, bierze się pod uwagę szereg czynników: zakres napięcia sieciowego, moc znamionową urządzenia i współczynnik mocy, moc maksymalną uwzględniającą przeciążenie, poziom strat.

Schemat pokazany na rysunku pokazuje rozwiązanie jednosilnikowe, w którym napęd silnika i napęd wymiennika ciepła są w jednym egzemplarzu, a ich wartości są równe. Ale czasami występują przeciążenia silnika, a następnie wymagany jest mocniejszy napęd odzyskiwania, aby pokryć dolną granicę napięcia i straty silnika.

Ta sama zasada zapewnia działanie kilku silników z kilkoma napędami silnikowymi, przy jednoczesnym umieszczeniu jednego potężnego napędu odzyskiwania, który może przejść przez całkowitą moc dla wszystkich silników układu, biorąc pod uwagę możliwość równoczesnego hamowania wszystkich silników.

Aby ograniczyć prąd rozruchowy w systemach z kilkoma silnikami, gdy szyny prądu stałego są połączone, stosuje się moduły tyrystorowe, połączone stycznikami z kondensatorami prądu stałego konwertera. Po naładowaniu kondensatorów moduł tyrystorowy jest wyłączany. Oczywiście systemy odzyskiwania są skonfigurowane inaczej i są projektowane indywidualnie.

Mówiąc o odzyskiwaniu, nie można nie wspomnieć o regeneracyjnych układach hamulcowych stosowanych w nowoczesnych hybrydowych silnikach samochodowych, których podstawą jest ścieżka elektrycznego odzyskiwania energii kinetycznej.

Za każdym razem, gdy samochód się porusza, manifestuje się energia kinetyczna. Ale podczas hamowania w tradycyjny sposób nadmiar energii jest po prostu tracony w postaci ciepła, klocki hamulcowe ocierają się o tarcze hamulcowe, marnując energię kinetyczną na próżno, ogrzewając materiał cierny i metal, ostatecznie tracąc ciepło do otaczającego powietrza. To bardzo marnotrawne podejście.

Regeneracyjny układ hamulcowy nie zużywa energii kinetycznej po prostu przez tarcie w celu zahamowania. Zamiast tego stosowany jest silnik elektryczny zawarty w skrzyni biegów, który zaczyna działać jako generator podczas hamowania, przekształcając moment obrotowy na wale w energię elektryczną ładującą akumulator, a moment hamowania wirnika powstający w trybie generatora zapewnia pożądane hamowanie samochodu. Energia zgromadzona w ten sposób w akumulatorze po pewnym czasie ponownie służy do poruszania samochodem, czyli jest ponownie wykorzystywana.

Hamowanie regeneracyjne pozwala zmaksymalizować wykorzystanie dostępnego zasobu każdego ładowania akumulatora, a paliwo jest znacznie zaoszczędzone. Ponieważ podczas hamowania 70% energii kinetycznej spada na przednią oś, system odzyskiwania jest również montowany na przedniej osi, aby bardziej efektywnie oszczędzać energię.

Największą skuteczność hamowania odzyskowego osiąga się przy dużych prędkościach, a przy niskich prędkościach zmniejsza się wydajność układu. Z tego powodu, obok hamowania odzyskowego, w taki czy inny sposób, obecny jest układ hamulcowy cierny. Wspólną pracę obu systemów zapewnia sterownik elektroniczny.

Sterownik realizuje szereg funkcji: kontroluje prędkość obrotową kół, utrzymuje właściwy moment hamowania, rozdziela siłę hamowania między hamulcem powrotnym i ciernym oraz utrzymuje moment obrotowy, który jest akceptowalny dla optymalnego naładowania akumulatora.

Oczywiście w takich pojazdach nie ma bezpośredniego połączenia mechanicznego między pedałem hamulca a okładzinami ciernymi. Jednostka elektroniczna zapewnia prawidłowe współdziałanie układu ABS, układu stabilności kursu walutowego, układu rozdziału siły hamowania i układu wspomagania nagłego hamowania.