Hamowanie dynamiczne - Dynamic braking


Lokomotywa spalinowo-elektryczna Norfolk Southern 5348 z dynamicznym hamowaniem. Kratka chłodząca dla rezystorów siatki hamulcowej znajduje się w górnej środkowej części lokomotywy.

Hamowanie dynamiczne to wykorzystanie elektrycznego silnika trakcyjnego jako generatora podczas spowalniania pojazdu, takiego jak lokomotywa elektryczna lub spalinowo-elektryczna . Jest on określany jako „ reostatyczny ”, jeśli generowana moc elektryczna jest rozpraszana jako ciepło w rezystorach sieci hamowania , a „ regeneracyjna ”, jeśli moc jest zwracana do linii zasilającej. Hamowanie dynamiczne zmniejsza zużycie elementów układu hamulcowego opartych na tarciu , a regeneracja obniża zużycie energii netto. Hamowanie dynamiczne mogą być również stosowane na wagonach z wielu jednostek , lekkich pojazdów szynowych , tramwajów elektrycznych , trolejbusów oraz elektrycznych i hybrydowych samochodów elektrycznych .

Zasada działania

Konwersja energii elektrycznej na energię mechaniczną wału obrotowego (silnika elektrycznego) jest odwrotnością konwersji energii mechanicznej wału obrotowego na energię elektryczną (generator elektryczny). Oba są osiągane poprzez interakcje uzwojeń twornika z (względnie) poruszającym się zewnętrznym polem magnetycznym, przy czym twornik jest podłączony do obwodu elektrycznego z zasilaczem (silnikiem) lub receptorem mocy (generator). Ponieważ rola urządzenia do przetwarzania energii elektrycznej/mechanicznej jest określona przez to, który interfejs (mechaniczny lub elektryczny) dostarcza lub odbiera energię, to samo urządzenie może pełnić rolę silnika lub generatora. W hamowaniu dynamicznym silnik trakcyjny zostaje przełączony w rolę generatora poprzez przełączenie z obwodu zasilania na obwód odbiorczy przy jednoczesnym doprowadzeniu prądu elektrycznego do cewek pola wytwarzających pole magnetyczne ( wzbudzenie ).

Wielkość oporu przyłożonego do obracającego się wału (siła hamowania) równa się szybkości wytwarzania energii elektrycznej plus pewna strata wydajności. To z kolei jest proporcjonalne do natężenia pola magnetycznego, kontrolowanego przez prąd w cewkach pola, oraz prędkości, z jaką wirnik i pole magnetyczne obracają się względem siebie, określone przez obroty kół i przełożenie wału napędowego do obrotu koła. Wielkość mocy hamowania jest kontrolowana przez zmianę natężenia pola magnetycznego poprzez natężenie prądu w cewkach pola. Ponieważ szybkość wytwarzania energii elektrycznej i odwrotnie moc hamowania jest proporcjonalna do szybkości, z jaką wał napędowy się obraca, silniejsze pole magnetyczne jest wymagane do utrzymania mocy hamowania w miarę zmniejszania się prędkości i istnieje dolna granica, przy której hamowanie dynamiczne może być skuteczne w zależności od prądu dostępnego do zastosowania do cewek polowych.

Dwie główne metody zarządzania energią elektryczną wytwarzaną podczas hamowania dynamicznego to hamowanie reostatyczne i hamowanie regeneracyjne, jak opisano poniżej.

W przypadku silników z magnesami trwałymi, dynamiczne hamowanie można łatwo osiągnąć przez zwarcie zacisków silnika, co powoduje szybkie, nagłe zatrzymanie silnika. Ta metoda jednak rozprasza całą energię w postaci ciepła w samym silniku, a zatem nie może być używana w innych zastosowaniach niż przerywane aplikacje o niskiej mocy ze względu na ograniczenia chłodzenia. Nie nadaje się do zastosowań trakcyjnych.

Hamowanie reostatyczne

Energia elektryczna wytwarzana przez silniki jest rozpraszana w postaci ciepła przez zespół rezystorów pokładowych , zwany siatką hamulcową . Niezbędne są duże wentylatory chłodzące, aby chronić rezystory przed uszkodzeniem. Współczesne systemy posiadają monitoring termiczny, dzięki czemu w przypadku nadmiernej temperatury banku zostanie on wyłączony, a hamowanie powróci do działania tylko przez tarcie .

Hamowanie regeneracyjne

W układach zelektryfikowanych stosowany jest proces hamowania odzyskowego, w którym prąd wytwarzany podczas hamowania jest oddawany z powrotem do układu zasilania do wykorzystania przez inne pojazdy trakcyjne, zamiast marnować go w postaci ciepła. Normalną praktyką jest włączanie zarówno hamowania regeneracyjnego, jak i reostatycznego w układach zelektryfikowanych. Jeżeli system zasilania nie jest „odbiorczy” , tj. niezdolny do pochłaniania prądu, system domyślnie przechodzi w tryb reostatyczny w celu zapewnienia efektu hamowania.

Obecnie dostępne są lokomotywy stoczniowe z pokładowymi systemami magazynowania energii, które umożliwiają odzyskiwanie części energii, która w innym przypadku zostałaby zmarnowana w postaci ciepła. Na przykład model Green Goat jest używany przez Canadian Pacific Railway , BNSF Railway , Kansas City Southern Railway i Union Pacific Railroad .

W nowoczesnych lokomotywach pasażerskich wyposażonych w falowniki prądu przemiennego ciągnących pociągi z wystarczającą mocą czołową (HEP) energia hamowania może być wykorzystana do zasilania systemów pokładowych pociągu poprzez hamowanie odzyskowe, jeśli system elektryfikacji nie jest podatny lub nawet jeśli tor nie jest zelektryfikowany na początek. Obciążenie HEP w nowoczesnych pociągach pasażerskich jest tak duże, że niektóre nowe lokomotywy elektryczne, takie jak ALP-46, zostały zaprojektowane bez tradycyjnych siatek oporowych.

Hamowanie mieszane

Connex South Eastern Class 466 EMU w Londynie stacji Blackfriars w 2006 roku, który został wyposażony w dynamiczny blended hamowania

Samo hamowanie dynamiczne nie wystarcza do zatrzymania lokomotywy, ponieważ jej efekt hamowania gwałtownie spada poniżej około 10 do 12 mil na godzinę (16 do 19 km/h). Dlatego jest zawsze używany w połączeniu ze zwykłym hamulcem pneumatycznym . Ten połączony system nazywa się hamowaniem mieszanym . Akumulatory litowo-jonowe są również wykorzystywane do przechowywania energii do całkowitego zatrzymania pociągów.

Chociaż hamowanie mieszane łączy w sobie zarówno hamowanie dynamiczne, jak i pneumatyczne, wynikowa siła hamowania jest zaprojektowana tak, aby była taka sama, jak same hamulce pneumatyczne. Osiąga się to poprzez maksymalizację części hamulca dynamicznego i automatyczną regulację części hamulca pneumatycznego, ponieważ głównym celem hamowania dynamicznego jest zmniejszenie wymaganego hamowania pneumatycznego. Oszczędza to powietrze i minimalizuje ryzyko przegrzania kół. Jeden z producentów lokomotyw, Electro-Motive Diesel (EMD), szacuje, że hamowanie dynamiczne zapewnia od 50% do 70% siły hamowania podczas hamowania mieszanego.

Test samoobciążenia

Możliwe jest wykorzystanie siatek hamulcowych jako formy dynamometru lub zespołu obciążeń do wykonania testu „samozaładowania” mocy wyjściowej lokomotywy. Gdy lokomotywa jest nieruchoma, wyjście głównego generatora (MG) jest podłączone do sieci zamiast silników trakcyjnych. Siatki są zwykle wystarczająco duże, aby pochłonąć pełną moc wyjściową silnika, która jest obliczana na podstawie napięcia i prądu wyjściowego MG.

Hamowanie hydrodynamiczne

Lokomotywy spalinowe z przekładnią hydrauliczną mogą być wyposażone w hamowanie hydrodynamiczne. W takim przypadku konwerter momentu obrotowego lub sprzęgło hydrokinetyczne działa jak zwalniacz w taki sam sposób, jak hamulec wodny . Energia hamowania podgrzewa płyn hydrauliczny , a ciepło jest odprowadzane (poprzez wymiennik ciepła) przez chłodnicę silnika. Podczas hamowania silnik będzie pracował na biegu jałowym (i wytwarza mało ciepła), więc chłodnica nie jest przeciążona.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki