Rekuperatiivpidurdus

Allikas: Vikipeedia
Rekuperatiivpidurdussüsteem Škoda Astra trammi katusel

Rekuperatiivpidurduseks nimetatakse energia taaskasutamist, kus sõiduki või mõne muu liikuva objekti pidurdamisel muundatakse kineetiline energia mõneks muuks kasutatavaks energialiigiks või salvestatakse.

Pidurdamisest saadud energiat saab kasutada kohe või salvestada. Energia kasutamise põhimõte eristab rekuperatiivpidurdusega pidurisüsteeme mehhaanilist hõõrdumist kasutavatest pidurisüsteemidest. Hõõrdumisel vabaneb energia soojusena, mis enamikel juhtudel läheb kaduma.

Elektrimasin generaatortalitluses[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektrimasin on seade, mis võib muundada mehaanilist energiat elektriliseks energiaks või elektrilist energiat mehaaniliseks energiaks. Kui sellist seadet kasutatakse mehaanilise energia muundamiseks elektriliseks energiaks, siis nimetatakse teda generaatoriks. Kui ta muundab elektrienergiat mehaaniliseks, siis nimetatakse teda mootoriks. Kuna kõik elektrimasinad võivad muundada energiat mõlemas suunas, siis võib neid kasutada nii mootorina kui ka generaatorina.

Kõige tavalisemaks rekuperatiivpidurduse vormiks ongi elektrimootori töötamine generaatortalitluses. Elektrisõiduki kiirendamiseks tarbib veomootor elektrivõrgust või akudest, kondensaatoritest elektrienergiat. Elektrimasinas muudetakse elektrienergia magnetvälja mõjul mehhaaniliseks energiaks, mis asub sõidukit liigutama. Vastupidine olukord tekib siis kui sõidukit enam ei kiirendata ning algab hoo vähenemine. Veomootor on endiselt ühendatud sõiduki ratastega ning pöörleb nüüd juba inertsi mõjul. Sellisel juhul asub veomootor tööle generaatortalitluses ning sõiduki liikumisest tulev kineetiline energia muundatakse elektrimasinas nüüd elektrienergiaks, mis antakse kas tagasi elektrivõrku või salvestatakse sõidukis asuvatesse energiasalvestusseadmetesse. Sellisel viisil tarbitav energia nõuab veomootorilt üha suuremat momenti ning asub seetõttu ka sõidukit pidurdama.

Kiiruse vähenedes väheneb ka mootori elektromotoorjõud ja sellega ka genereeritav pinge. Energia tagastamiseks elektrivõrku või akudesse on seetõttu vajalik pinget tõsta. Pinget tõstetakse pinget kõrgendava muunduriga.

Rekuperatiivpidurdus kasutades hooratast[muuda | redigeeri lähteteksti]

Vormel-1-s kasutatava KERS süsteemi hooratas

Hoorattaga rekuperatiivpidurdussüsteemi korral suunatakse pidurdamisel tekkiv energia hooratta pöörlemisse. Hooratas salvestab pöördliikumisega energiat, mida saab taaskord kasutada masina kiirendamisel. Hooratta kasutamise eeliseks akupanga ees on sõiduki inertsist tuleneva energia efektiivsem kasutamine. Energia salvestamisel akudesse esinevad energiamuundamiskaod kuna mehaaniline energia muundatakse elektriliseks ja see omakorda keemiliseks energiaks. Hooratassüsteem on aga täielikult mehaaniline, mistõttu ei esine eneria muundamisest tulenevaid kadusid.

Kõrgtehnoloogilised hooratassüsteemid on kasutusel näteks vormel 1-s, kus seda kututakse KERS-süsteemiks. Seda võib tõlkida eesti keelde kui Kineetilise Energia RekuperatiivSüsteem.[1]

Ajalugu[muuda | redigeeri lähteteksti]

Esimesed näited rekuperatiivpidurduse rakendamisest tehti Louis Antoine Krieger (1868–1951) poolt. Kriegeri hobukaarikust ümber ehitatud elektriauto omas mõlema eesmise ratta juures veomootorit, millel olid rekuperatiivpidurduse tarbeks eraldi paralleelmähised.[2]

20. sajandi alguses tutvustati Inglismaa trammidel Rayworth’i rekuperatiivpidurdussüsteemi. Süsteem võeti kasutusele Devonportis (1903), Rawtenstallis, Birminghamis, Crystal Palace-Croydonis (1906) ja paljudes teistes linnades, kuna see pakkus nii majanduslikku kui tehnilist kokkuhoidu. Aeglustamisel ja allamäge suunduvatel lõikudel töötasid trammide veomootorid generaatoritena ja aitasid sellega kontrollida nende kiirust. Trammidel olid ka mehhaanilised pidurid juhuks kui rekuperatiivpidurdus ei peaks mingil põhjusel toimima.

Rekuperatiivpidurdust kasutatakse mitmeid aastakümneid väga laialdaselt elektriraudteel. 1930-ndatel aastatel alustati rekuperatiivpidurduse kasutamisega Bakuu-Thbilisi-Batumi raudteel (Transkaukaasia või Gruusia raudtee). Seal osutus uudse pidurdussüsteemi kasutamine iseäranis efektiivseks järsul ning ohtlikul Surami kurul.[3] Sarnast efekti võis näha Skandinaavias Kiruna ja Narviki vahelisel rauamaagi vedamiseks mõeldud raudteel. Tuhandeid tonne rauamaaki täis olevate vagunitega rongid toodavad rekuperatiivpidurduse kaudu allamäge sõites suurtes kogustes elektrienergiat. Toodetud energiat on piisavalt, et tühi rong võiks sõita tagasi laadimispaika selle najal. Rekuperatiivpidurdusega toodetud elektrienergia suunatakse avalikku võrku ning raudtee toimib võrgu suhtes kui elektritootja.[4]

Rekuperatiivpidurdus koostöös klassikalise hõõrdpiduriga[muuda | redigeeri lähteteksti]

Koos rekuperatiivpidurdusega kasutatakse elektrisõidukitel alati ka tavalisi mehhaanilisel hõõrdumisel põhinevaid pidureid. Seda järgnevatel põhjustel:

  • Rekuperatiivpidurduse efekt väheneb kiiruse alanedes, mistõttu ei ole see sõiduki täielikuks peatamiseks piisav lahendus. Rootori füüsiline lukustamine tagab ka selle, et sõidukid ei hakkaks liikuma allamäge.
  • Mehhaaniline pidur on heaks tagavarasüsteemiks rekuperatiivpidurduse tehnilise rikke korral.
  • Paljud elektrisõidukid, mis kasutavad rekuperatiivpidurdust omavad seetõttu pidurdusefekti ainult teatud hulgal ratastel või telgedel. Seetõttu on keeruliste teeolude korral vajalik tagada ka teiste rataste pidurdusvõime.
  • Rekuperatiivpidurdusel süsteemi tagasi antava elektrienergia hulk on piiratud elektrimasinat toitva elektrisüsteemi läbilaskevõimega või akupanga ja kondensaatorite laetusega. Akusid ja kondensaatoreid kasutava elektrisõiduki puhul saame rekuperatiivpidurdusest rääkida ainult juhul kui need ei ole täielikult laetud. Sellest tulenevalt kasutatakse koos energia tagastamist võimaldava rekuperatiivpidurdusega ka pidurdustakistitega elektrodünaamilist pidurdamist, mis vajamineval hetkel omandab ülejääva elektrienergia.
  • Hädapidurduse korral on oluline, et kogu sõiduki pidurdusteekonna jooksul alates maksimaalselt kiiruselt kuni seiskumiseni, oleks rakendatav pidurdusjõud maksimaalne ilma, et tekiks libisemist. Sõiduki kiirendamiseks vajaminev jõud on sellest tavaliselt palju väiksem. See tähendab, et pidurdusel vajaminev jõud ületab mitmekordselt selle, mida on vaja antud sõiduki kiirendamiseks. Veomootorid, mis on dimensioneeritud sõiduki kiirendamiseks ei tule toime üleliigse koormusega ning samuti ei pruugi hädapidurdusel tekkivale äärmuslikule olukorrale vastata aku laadimiskiirus ja –võimekus.

Kõige eelneva tõttu on vaja tagada rekuperatiivpidurduse ja mehhaanilise piduri koostöö, saavutamaks soovitud pidurdusjõu.

Rekuperatiivpidurduse ja elektrodünaamilise pidurduse võrdlus[muuda | redigeeri lähteteksti]

Elektrodünaamilise pidurduse all mõeldakse sarnaselt rekuperatiivpidurdusega veomootori kasutamist generaatorina elektrisõiduki pidurdamisel. Alalisvoolumasina dünaamilise pidurduse korral lühistatakse ankruahel läbi pidurdustakisti. Asünkroonmasina korral lülitatakse mootori staatorimähis võrgust välja ning kommuteeritakse mähised alalisvoolutoitele. Sõiduki seiskumise tagab generaatorina töötava veomootori ahelas tekitatud suur elektriline koormus. Elektrodünaamilise pidurdamisega saab sarnaselt rekuperatiivpidurdusega vähendada mehhaaniliste pidurite koormust ning pidurdustakistitel eralduvat soojust saab kasutada näiteks sõidukite salongide soojendamiseks.

Rekuperatiivpidurduse peamiseks puuduseks lihtsa elektrodünaamilise pidurduse ees on tema keerukus. Genereeritav energia peab olema kooskõlas toiteahela või salvestuseadmetega ning nõuab lihtsates alalisvooluajamites täiendavaid seadmeid näiteks jõuelektroonika näol. Tänapäeva vahelduvvoolu veomootoritega veoajamites on vajalik jõuelektroonika vaheldi näol juba olemas ja üldjuhul täiendavaid komponente rekuperatiivpidurduse kasutamisel ei lisandu. Uutes energiasäästlikes veoajamites kasutatakse valdavalt ka ülejääva pidurdusenergia salvestamist ülikondensaatorplokki või suurekiiruselisse hoorattasse. Kontaktliinist toidetavate elektersõidukite puhul võivad vastavad energiasalvestid paikneda ka veoalajaamades.

Kiirrong Alstom AGV[muuda | redigeeri lähteteksti]

Alstom AGV

Rekuperatiivpidurdue kasutamisest ei ole mindud mööda ka uuema põlvkonna kiirrongi AGV disainimisel. Rongi veoajamitena kasutatakse püsimagnet-sünkroongeneraatoreid, mida juhitakse läbi IGBT transistoridega kontrolleri. 300 tonnise rongi pidurdamisel kiiruselt 360 km/h võib toitesüsteemi tagastada kuni 8 MW-st võimsust. Pidurdamisel on käigus sarnaselt teiste tänapäevaste süsteemidega elektrodünamilise ja rekuperatiivse pidurdamise kombinatsioon ning enegia mis ei lähe kasutamisse rongis suunatakse tagasi elektrivõrku. AGV kiirrongi pidurdussüsteem on disainitud kasutamaks maksimaalselt elektrodünaamilist pidurdamist vähendamaks mehaaniliste pidurite koormust.[5]

Rekuperatiivpidurdus Tallinna ühistranspordis[muuda | redigeeri lähteteksti]

Tallinnas on rekuperatiivpidurdusega kõik uued Solaris tüüpi trollibussid (vaata Solaris Trollino 12) ja rekonstrueeritud veoajamiga trammid[6]. Vanemat tüüpi trollibussid rekuperatiivpidurdust ei võimalda.

Viited[muuda | redigeeri lähteteksti]