Recupero di energia elettrica e suo utilizzo

Il modo tradizionale per eliminare l'energia in eccesso rilasciata convertitori di frequenza durante la frenata dei motori asincroni da essi controllati, veniva dissipato sotto forma di calore sui resistori. Le resistenze di frenatura venivano utilizzate ovunque vi fosse un'elevata inerzia del carico, ad esempio nelle centrifughe, sui veicoli elettrici, sui supporti di carico, ecc.

Questa soluzione era necessaria per limitare la massima tensione ai terminali dei convertitori in modalità di frenatura. Altrimenti, i convertitori di frequenza fallirebbero, perché sarebbe impossibile controllare i parametri di accelerazione e frenata.

Le resistenze di frenatura non hanno gravato sull'equipaggiamento economico, ma alcuni inconvenienti hanno inevitabilmente comportato. I resistori sono dimensionali, sono molto caldi, hanno bisogno di protezione da umidità e polvere. E tutto ciò è collegato solo al fatto che è necessario dissipare l'energia sprecata, per la quale l'impresa paga denaro e il denaro non è piccolo, soprattutto se stiamo parlando di produzione su larga scala.

In estate, il riscaldamento aggiuntivo dell'aria circostante è particolarmente indesiderabile, poiché le apparecchiature tecnologiche sono già riscaldate con aria calda e quindi ci sono anche resistori riscaldati a 100 gradi e oltre. Hai bisogno di ulteriore ventilazione - ancora costi.

Ma c'è un altro modo. Perché dissipare energia invano? Puoi restituirlo alla rete e quindi risparmiare energia. Quindi vengono in soccorso sistemi di recupero energetico.

Naturalmente, i convertitori di frequenza odierni riducono notevolmente il consumo di elettricità delle apparecchiature, grazie all'ottimizzazione del metodo di alimentazione dei motori di varie apparecchiature tecnologiche e ciò consente di risparmiare risorse. Ma l'uso del recupero aumenta ulteriormente i risparmi. L'energia potrebbe non essere dissipata dai resistori durante la frenata, ma potrebbe tornare alla rete, tenendo conto degli attuali parametri di rete.

Oggi, i principali produttori di macchinari e attrezzature industriali stanno già implementando tali sistemi sui veicoli elettrici: per filobus, treni elettrici, scale mobili, tram e, infine, per le auto elettriche.

Come funziona il sistema di recupero? Una fonte di corrente alternata che fornisce un motore o altra installazione deve essere in grado di recuperare energia. Per questo, al posto di un raddrizzatore convenzionale, viene utilizzato un convertitore modulato a larghezza di impulso. Un tale convertitore è in grado di indirizzare i flussi di energia sia dalla fonte al consumatore, sia dal consumatore alla fonte. In questo modo puoi portare il fattore di potenza all'unità.

Una tipica cascata IGBT del convertitore di frequenza che funziona in modalità di recupero viene inizialmente presentata come un raddrizzatore di corrente sinusoidale, ma quando viene frenata genera un segnale modulato in larghezza di impulso, in cui la direzione della corrente, quando la tensione ai terminali è al di sopra di un certo livello, non è diretta dalla rete, e alla rete dal circuito del consumatore.

La differenza di tensione tra la rete e il circuito di carico viene applicata all'induttore di recupero. L'induttanza blocca le armoniche ad alta frequenza e si ottiene una corrente sinusoidale quasi pura, non è necessario sincronizzare l'apparecchiatura, è sufficiente applicare tre impulsi di prova dal modulatore PWM alla rete per determinare la frequenza e la fase della tensione al momento attuale.

Un esempio sono i convertitori di frequenza con un sistema di recupero di Control Techniques, che sono utilizzati, in particolare, nelle fabbriche Lamborghini e Nissan per alimentare banchi di prova dinamici, nonché su scale mobili e varie soluzioni metallurgiche.

L'essenza è la stessa ovunque - viene creato un flusso di energia bidirezionale sia dal consumatore dalla rete, dalla fonte, sia dal consumatore alla rete. Quando si progettano i sistemi di recupero, vengono presi in considerazione numerosi fattori: la gamma di tensione di rete, la classificazione e il fattore di potenza dell'apparecchiatura, la potenza massima tenendo conto del sovraccarico, il livello delle perdite.

Il diagramma mostrato nella figura mostra una soluzione monomotore, in cui l'azionamento del motore e l'azionamento dello scambiatore di calore sono ciascuno in una copia, i loro valori sono uguali. Ma a volte si verificano sovraccarichi del motore, quindi è necessario un disco di ripristino più potente per coprire il limite di tensione inferiore e le perdite del motore.

Lo stesso principio garantisce il funzionamento di più motori con più azionamenti del motore, mettendo al contempo una potente unità di recupero che può passare attraverso la potenza totale per tutti i motori del sistema, tenendo conto della possibilità di frenatura simultanea di tutti i motori.

Per limitare la corrente di avviamento in sistemi con più motori, quando i bus CC sono combinati, vengono utilizzati moduli a tiristori, collegati da contattori a condensatori caricati CC del convertitore. Dopo aver caricato i condensatori, il modulo a tiristori viene spento. Ovviamente, i sistemi di recupero sono configurati in modo diverso e sono progettati individualmente.

Parlando di recupero, non si può fare a meno di ricordare i sistemi di frenata rigenerativa utilizzati nei moderni motori delle auto ibride, dove la base è il percorso del recupero elettrico dell'energia cinetica.

Ogni volta che un'auto si muove, si manifesta energia cinetica. Ma quando si frena in modo tradizionale, l'energia in eccesso viene semplicemente persa sotto forma di calore, le pastiglie dei freni sfregano contro i dischi dei freni, sprecando energia cinetica invano, riscaldando materiale di attrito e metallo, perdendo infine calore nell'aria circostante. Questo è un approccio molto dispendioso.

Il sistema di frenata rigenerativa non consuma energia cinetica semplicemente per attrito per frenare. Invece, viene utilizzato un motore elettrico incluso nella trasmissione, che inizia a fungere da generatore durante la frenata, convertendo la coppia sull'albero in elettricità che carica la batteria e la coppia frenante del rotore che si alza nella modalità generatore dà alla vettura la frenata desiderata. L'energia immagazzinata nella batteria in questo modo dopo qualche tempo serve nuovamente a spostare la macchina, cioè viene riutilizzata.

La frenata rigenerativa consente di massimizzare l'utilizzo della risorsa disponibile di ogni carica della batteria e il carburante viene notevolmente risparmiato. Poiché durante la frenata, il 70% dell'energia cinetica cade sull'asse anteriore, il sistema di recupero è anche montato sull'asse anteriore per risparmiare energia in modo più efficiente.

La massima efficienza della frenata rigenerativa si ottiene alle alte velocità e alle basse velocità, l'efficienza del sistema diminuisce. Per questo motivo, insieme alla frenata rigenerativa, in un modo o nell'altro, è presente un sistema di frenatura ad attrito. Il lavoro congiunto dei due sistemi è fornito da un controller elettronico.

Il controller implementa una serie di funzioni: controlla la velocità di rotazione delle ruote, mantiene la coppia frenante corretta, distribuisce la forza frenante tra i freni di recupero e frizione e mantiene una coppia accettabile per una carica ottimale della batteria.

Naturalmente, in tali auto non esiste alcun collegamento meccanico diretto tra il pedale del freno e le pastiglie. L'unità elettronica garantisce la corretta interazione dell'ABS, il sistema di stabilità del tasso di cambio, il sistema di distribuzione della forza frenante e il servofreno di emergenza.