Napájecí soustavy železnic: Rekuperace

Tok energie v systému s rekuperací

Autor , 10. ledna, Trakce

Rekuperace energie, přesněji rekuperační brzdění, je proces, kdy se kinetická energie pohybujícího tělesa (vlaku, automobilu…) mění zpět na elektrickou energii a motor pracuje v generátorickém režimu – mění kinetickou energii pohybující se hmoty na elektrickou energii.

Brzdění v generátorickém režimu se obecně označuje jako dynamické brzdění. Tento pojem se užívá i v případě, kdy je energie přeměněna na teplo bezprostředně v brzdícím rezistoru lokomotivy a tudíž energie není dodána do napájecí soustavy. Pojem rekuperace budeme chápat jako takové brzdění, kdy je energie dodávána zpět do systému napájení.

Schéma toku z veřejné distribuční sítě přes trakční soustavu do lokomotivy je znázorněno na obrázku 1. Obrázek znázorňuje konverzi energie přes jednotlivé úrovně, přičemž je poukázáno na ztráty, ke kterým při jednotlivých konverzí dochází. Jmenovitě jsou uvažovány ztráty v trakčním vedení, třecí ztráty dané odporem vzduchu a odporem rotujících částí, ztrátami v pohonu lokomotivy, ztráty nerekuperačním brzděním a dále energie spotřebovaná ostatní spotřebou vlaku (osvětlení, topení atd.). Z obrázku vyplývá, že díky rekuperaci lze ušetřit až 33% spotřeby energie odebírané z distribuční sítě.

Obrázek 1 – Schéma toku energie a energetická bilance vlaku [3]
Generátorické brždění

Generátorické brzdění je proces, kdy motor pracuje v reverzním režimu. Kde se ale ona brzdná síla bere? Jak se tato problematika dá popsat? Kam se vlastně energie vlaku přemístí?

Pro vysvětlení přeměny energie pohybujícího vlaku na elektrickou energii je vhodné používat veličinu výkon, což je derivace energie podle času, jinými slovy míra rychlosti transferu energie (P=dW/dt). Translační pohyb vlaku je přes kola podvozku přeměněn na rotační pohyb hřídele motoru a pro výkon na hřídeli byl odvozen vztah

P = M \cdot \omega,

kde M [Nm] je moment síly popisující míru síly působící na hřídel, kde kladné znaménko znamená působení síly ve směru pohybu vlaku a záporné proti směru, a \omega [rad/s] je úhlová rychlost otáčení hřídele, kde kladné znaménko indikuje dopředný směr pohybu a záporné znaménko pohyb dozadu. Znaménky momentu a rychlosti je dle rovnice definován směr toku energie.

Obrázek 2 znázorňuje výše uvedenou myšlenku v rovině \omega - M, která je mimo jiné základním parametrem při výběru či návrhu pohonů drážních vozidel a napájecích systémů. Kladný výkon značí motorický režim (I. a III. kvadrant), kde se elektrická energie spotřebovává a záporný výkon značí generátorický režim (II. a IV. kvadrant), kde se energie generuje.

Pracovní diagram pohonu, rovina \omega - M
Obrázek 2 – Provozní režimy pohonu vlaku v rovině úhlové rychlosti a momentu hřídele pohonu

Pro pohyb vlaku lze sestrojit momentovou rovnici uvedenou na obrázku 3, kde veličiny znamenají:

Obrázek 3 – Momentová rovnice pohybu vlaku

Pokud je pohon v motorickém režimu, moment pohonu je využit pro překonání momentu odporových sil M_{odp} a ke zrychlení vlaku. Pokud je pohon v generátorickém režimu, tak se změní orientace zrychlení (vlak zpomaluje) a aby platila uvedená rovnost, mění se i orientace M, přičemž M_{odp} je konstantní. Záporný moment M, a tedy záporný výkon, jsou mírou energie, která je přes elektrický pohon dodávána zpět do sítě.


Zdroje:

  1. Železniční napájecí soustava. In: Wikipedia: the free encyclopedia [online]. San Francisco (CA): Wikimedia Foundation, 2001- [cit. 2020-08-13]. Dostupné z: https://cs.wikipedia.org/wiki/%C5%BDelezni%C4%8Dn%C3%AD_nap%C3%A1jec%C3%AD_soustava
  2. DOLEČEK, Radovan a Ondřej ČERNÝ. Trakční napájecí soustavy. Pardubice, 2015. ISBN 978-80-7395-880-0.
  3. GONZÁLEZ-GIL, A., R. PALACIN, P. BATTY a J.P. POWELL. A systems approach to reduce urban rail energy consumption. Energy Conversion and Management. 2014, 80, 509-524. DOI: https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.01.060. ISSN 0196-8904.
  4. PYTELKA, Jiří. Specifické problémy rekuperace na stejnosměrném trakčním systému 3 kV. Pardubice, 2012. Diplomová práce. Univerzita Pardubice.

Napsat komentář

Komentáře uživatelů