Rekuperace: Porovnání verzí

Rekuperace je proces přeměny kinetické a potenciální energie dopravního prostředku zpět na využitelnou elektrickou energii při brzdění.

Elektrickou rekuperací je míněn krátkodobý nebo delší provoz poháněcího stroje (elekromototru) v generátorické oblasti. Získaná energie je ukládána buď do akumulátorů přímo v dopravním prostředku, nebo se vrací do napájecí soustavy. Pokud nejsou podmínky předání energie jinam do soustavy musí být energie mařena v odpornících. Rekuperace představuje zpětné získávání vložené energie, kterou bychom museli zmařit v mechanické nebo elektrodynamické brzdě (rekuperace elektrické energie) nebo by odešla bez užitku (rekuperace tepelné energie – tepelné výměníky).

Elektrodynamická brzda

U elektrodynamického brzdění, je na rozdíl od rekuperace, získaná energie mařena v odpornících a převáděna na tepelnou energii. Elektrodynamicky jsou brzděny hnané nápravy spojené s trakčním elektromotorem lokomotivy. To platí i pro motorové lokomotivy se spalovacím motorem, používající elektrický přenos výkonu.
Rekuperována může být energie pohybová - kinetická (A = ½ m•v²) a energie polohy - potenciální (A = m•g•h). Po splnění podmínek je možno rekuperovat ve všech soustavách - stejnosměrných, střídavých průmyslového kmitočtu (50 Hz), střídavých sníženého kmitočtu (16,7 Hz), jednofázových i vícefázových.

Využití rekuperace

Úspora energie se nejvíce projeví především tam, kde dochází častému zpomalování, zastavení a následným rozjezdům vozidla nebo tam, kde je limitovaná zásoba použitelné energie.
Omezené zásoby energie jsou u vozidel nezávislé trakce, kde je energie čerpána z akumulátoru vozidla.
Rekuperace je možná zejména:
- U pohonů s aktivních zátěží - například zdvihadla.
- U pohonů se zátěží, která má velkou setrvačnost.
Zdvihadla a výtahy mohou rekuperovat při spouštění břemene.
Městská doprava, příměstská doprava, běžné osobní zastávkové vlaky nebo posunovací lokomotivy na železnici, kde je režim častých zpomalení, zastavení a rozjezdů zátěže s velkou setrvačností umožňuje rekuperovat kinetickou energii a kde je možnost získanou energii využít.
Rekuperace nachází uplatnění u kolejových vozidel s elektrickým přenosem trakčního výkonu (tramvaje, metro, elektrické jednotky a elektrické lokomotivy, hybridní lokomotivy). S rekuperací je možno se setkat i u silničních vozidel s hybridní trakcí (elektromobily či hybridní automobily). Pohonná jednotka hybridního automobilu může být sestavena ze spalovacího motoru, akumulátoru a trakčního elektromotoru.
Rekuperace kinetické energie se téměř neprojeví u rychlíků a průběžných těžkých nákladních vlaků s malým počtem zastávek, které sice mají hmotnost v řádech tisíců tun ale při jejich brzdění jde získat zpět jen poměrně velmi malé zlomek odebrané energie. Těžké průběžné vlaky mohou rekuperovat na dostatečném a delším spádu.

Výhody rekuperace

Přínosem rekuperace je úspora energie a tím snížení snížené náklady na její nákup.
Problémem rekuperace je nutnost získanou energii uložit nebo současně spotřebovat jinde.
Vozidla nezávislé trakce mohou ukládat elektrickou energii do akumulátorů nebo superkapacitorů. Byly konány pokusy s ukládáním energie do mechanických setrvačníků. Akumulace vyžaduje akumulátorové baterie, které výrazně zvyšují hmotnost vozidla a mají omezenou kapacitu. Uloženou energii je možno využít k následujícímu rozjezdu nebo konání trakční práce. Všechna tato řešení přinášejí zvýšení hmotnosti vozidla a tím i zvýšení spotřeby energie. Současně přináší zvýšení ceny vozidla. Vozidla závislé trakce vrací rekuperovanou energii zpět do napájecí soustavy prostřednictvím vrchního trolejového vedení nebo třetí napájecí kolejnicí.

Podmínky rekuperace

Podmínky jsou vztaženy na kolejovou dopravu. Ve stejnosměrné (DC) soustavě musí být v napájecím úseku trakčního soustavy, kde se nachází rekuperující vozidlo, další vozidlo, které odebírá rekuperovanou energii, nebo musí být trakční soustava schopna energii akumulovat např. pomocí akumulátorové baterie nebo pomocí setrvačníku. Drážní měnírny nejsou vybaveny pro vracení energie do sítě.
Ve stejnosměrné napájecí soustavě by šlo rekuperovat do nadřazené napájecí přenosové soustavy přes měnírny vybavené řízenými polovodičovými měniči. Řízené polovodiče se v měnírnách nepoužívají z cenových důvodů.

Střídavé soustavy (AC) technicky umožňují rekuperovat do jiných spotřebičů i přes nadřazenou napájecí přenosovou soustavu (obvykle soustavu vvn). Rekuperovat lze obvykle bez dalšího technického vybavení napájecích stanic.

Elektrická rekuperace probíhá na zařízení s hnacím elektromotorem (motorové vozidlo, zdvihadlo, výtah,...). Rekuperace může začít po dostatečně velké změně vnějších podmínek (například po přejezdu vrcholu stoupání), nebo změně vnitřních podmínek (například zadání nižší rychlosti pohybu). Potom použitý elektrický stroj může přejít z motorické pracovní oblasti do generátorické oblasti. Kroutící moment na hřídeli stroje změní znaménko. Stroj se změní ze spotřebiče na zdroj elektrické energie a může začít přeměňovat mechanickou energii na elektrickou. Na svorkách stroje stoupne velikost napětí a obrátí se smysl proudu.
Některé stroje samočinně přechází mezi generátorickou a motorickou oblastí práce (asynchronní stroj, derivační komutátorový stroj). Některé stroje pro přechod mezi generátorickým a motorickým chodem vyžadují vnější zásah (komutátorový sériový stroj). U hnacích stejnosměrných komutátorových strojů (motorů) je nutno udržet vhodný směr otáčení hřídele a budicího proudu (magnetického toku) stroje. Proto sériový motor musí být v generátorickém chodu přepólován.
Při rekuperaci je nutno brát ohled na napájecí soustavu a její konfiguraci. Musí být respektován usměrňovač, směrové relé, zpětné wattové relé a podobné technické prostředky. Vždy ale musí platit, že rekuperovaná energie musí nalézt v daném okamžiku vhodný spotřebič nebo akumulátor energie, jinak je nutno rekuperovanou energii zmařit v rezistorech přímo na teplo.
Rekuperovat je možno ve všech sítích do sousedního spotřebiče, který se nachází ve stejném napájecím úseku. To platí především ve stejnosměrné trakční proudové soustavě s neřízenými usměrňovači.
Přes nadřazenou rozvodnou síť je možno rekuperovat v jednofázových a vícefázových střídavých sítích průmyslového kmitočtu i v sítích sníženého kmitočtu. Dále v stejnosměrných sítích, které jsou napájeny řízeným usměrňovačem. Trakční soustava 15 kV, 16,7 Hz má vlastní přenosovou soustavou vvn.

Rekuperace u vozidel nezávislé trakce

Rekuperaci u vozidel poháněných spalovacími motory a elektrickým přenosem výkonu, a dále vozidel napájených sekundárními zdroji energie umožnil teprve bouřlivý rozvoj zásobníků elektrické energie na principu dvouvrstvých kondenzátorů – tzv. ultrakapacitorů a chemických akumulátorů energie. Zásobník energie musí mít malou měrnou hmotnost a malý měrný objem na jednotku akumulované energie vysokou účinnost. Tím musí respektovat požadavky na celkovou hmotnost a prostorovou náročnost vozidla. To znamená, že nesmí výrazně zvýšit hmotnost a omezit využitelnost vozidla. Dále musí mít velký počet vybíjecích a nabíjecích cyklů, velkou kapacitu, velkou proudovou zatižitelnost, schopnost pojmout energii dodávanou vysokým výkonem při zpomalování vozidla (vlaku) a vzápětí ji opět vydat při zrychlování.
Zásobníky energie najdou uplatnění u lehkých motorových jednotek, kde u zastávkových vlaků mohou přinést úsporu až 60 % energie potřebného na rozjezd. Celková úspora paliva na úseku bude mnohem a mnohem menší. Finanční úsporu je možno zvýšit, pokud bude možno zajistit dobíjení akumulátoru energie v místech zastávek vozidla (vlaku). Elektrická energie dodaná z rozvodné sítě je mnohem levnější než elektrická energie získaná na vozidle z paliva. Využití zásobníků energie na vozidle s dobíjením na zastávkách je vhodným řešením pro tratě, kde není možno namontovat trolejové vedení. Příkladem jsou vozidla městské hromadné dopravy (tramvaje) v historických centrech měst s malou vzdáleností zastávek.

Rekuperace u vozidel závislé trakce

Vozidla závislé trakce rekuperují nejprve do vlastní spotřeby. Pokud to dovolují poměry trakční sítě, sousední odběry a případně i přenosová síť, je přebytek výkonu dodáván přes sběrač do trakční sítě.

Rekuperace v třífázové napájecí soustavě

V pevné distribuční síti jsou pro pohon běžně používány asynchronní motory připojené k síti přímo, přes frekvenční měniče, cyklokonvertory a podobně. V současnosti se začínají používat synchronní motory s permanentními magnety ze vzácných zemin napájené z frekvenčních měničů. Oba typy strojů přechází samočinně do a z generátorického chodu. Stejné pohony jsou používány i na vozidlech. Jejich napájení je výhradně přes měniče.
Rekuperace v třífázové trakční proudové soustavě je rekuperací vozidel závislé trakce. Rekuperace (rekuperační brzdění, výroba elektrické energie) v je technicky možná jednoduchá a provozovaná. Třífázová trakční proudová soustava byla používána v počátcích elektrizace kolejové dopravy. Například u ozubnicových drah, kde přežívá dodnes. Výhodami třífázové trakční proudové soustavy je poměrně jednoduchý stroj, jednoduché a spolehlivé spouštění a regulovatelný záběrový moment. Nevýhodou jsou dva nebo tři trolejové dráty se sběrači.
Rychlost otáčení hřídele pohonné jednotky se synchronním motorem je dána kmitočtem napětí přivedeným na svorkovnici motoru, počtem pólů motoru a výstupním mechanickým převodem. Rychlost otáčení hřídele pohonné jednotky s asynchronním motorem závisí navíc na skluzu asynchronního stroje. Rychlost vozidla závisí na rychlosti otáčení výstupního hřídele pohonné jednotky a průměru (obvodu) poháněného kola.
Zvláštní variantu třífázového pohonu trakčního vozidla navrhl a realizoval maďarský prof. Kálmán Kadó. Trakční vozidlo bylo třífázové. Za trakčním vozidlem byl připojen vagon s rotačním měničem, který z jednofázové trakční proudové soustavy průmyslového kmitočtu převáděl výkon na třífázovou soustavu. Tento systém se neujal především pro svou hmotnost a nízkou účinnost.
V prvních letech 20. stol. na 3.fázové soustavě vytvořila německá firma Siemens-Halske rychlostní rekord překračující hranici 200 km/h.

Rekuperace ve stejnosměrné (DC) soustavě

Rekuperace ve stejnosměrné soustavě je možná do vhodné zátěže nebo do akumulátoru energie.

Rekuperace ve stejnosměrné (DC) soustavě kolejových vozidel závislé trakce

Rekuperace ve stejnosměrné trakční proudové soustavě probíhá nejprve do vlastní spotřeby trakčního vozidla (vlaku). Další nadbytečný výkon může být rekuperován v aktuálním napájecím úseku. Napájení rekuperovanou energií do sousedních napájecích úseků není možná. Příčinou jsou neřízené diodové usměrňovače v měnírnách.
Při rekuperaci musí být napětí na stroji v generátorickém chodu větší napětí než v síti. Pokud v napájecím úseku není vhodný protiodběr, mohlo by napětí stoupnout nad povolené meze. Proto u rekuperujícího stroje musí být vždy vybíjecí zařízení k maření nadbytečného rekuperačního výkonu. Částečnou překážku rekuperace na českých železnicích představuje omezení maximálního napětí v trakční soustavě. Evropská norma připouští krátkodobé zvýšení napětí až na 3 900 V. Lokomotivy ČD (ČDC) jsou stavěny na horní mez napětí 3 600 V. To výrazně omezuje efektivitu rekuperace a na síti tratí SŽDC znemožňuje použití rekuperace u lokomotiv nastavených v souladu s evropskou normou.
Nevýhodou rekuperace je nebezpečí vzdáleného zkratu, kdy rekuperující vozidlo napájí zkratovanou smyčku tvořenou trakčním a zpětným vedením, jejichž impedance tvoří zátěž. Další nevýhodou je možnost, že rekuperující vozidlo napájí sousední vozidlo i po (havarijním) vypnutí napájení trakčního vedení z měnírny.

U ČSD byly rekuperační brzdou vybaveny elektrické jednotky EM 475.1. Tehdejší provoz nebyl dostatečně hustý a pokud se vyskytlo vozidlo, které by vyrobenou energii odebralo, zabránilo tomu elektrické oddělení napájení sudých a lichých kolejí. Proto později byla rekuperace odstraněna a nahrazena třetím stupněm odporové brzdy. Dalšími vozidly s rekuperací na českých železnicích byly až po téměř 40 letech jednotky ř. 471.

Rekuperace ve stejnosměrné (DC) soustavě kolejových vozidel závislé trakce městské dopravy

V Česku je rekuperace používána v pražském metru, kde je velké množství současně provozovaných souprav, které často akcelerují a decelerují. Proto metro vytváří přímo ideální podmínky pro využití rekuperace. Rekuperace je využívána i u tramvajových tratí. Například tramvajová trať na Barrandov má velký traťový spád. Tramvaje jedoucí po spádu mohou přednostně brzdit rekuperací. Proto tramvaje jedoucí vzhůru proti spádu mohou být částečně napájeny rekuperovanou energií protijedoucích tramvají.

Poznámka: Využití rekuperace u modernizovaných souprav metra na trasách A a B je možno přímo akusticky sledovat. Pokud je energie při brzdění rekuperována je slyšet jen hluk projíždějící soupravy. Při vjezdu do stanice je přerušena třetí napájecí kolejnice vozu. Na tomto přerušení je u každého vozu přerušena rekuperace a ozve se krátké hvízdnutí regulátoru odporníku. Důvodem přerušení je zamezení propojení napájecích úseků sběrači vozidla. Průjezd elektrického dělení před stanicí je delší než vzdálenost sběračů vozu. Krátké písknutí se ozve při hustém provozu, kdy je možnost rekuperace. V době přepravních sedel, kdy není v napájecím úseku vhodný odběr, je slyšet hvízdání měniče po celou dobu brzdění soupravy ve stanici.

Rekuperace ve střídavé (AC) soustavě

Rekuperace ve střídavé soustavě je možná do vhodné zátěže nebo do sítě.

Rekuperace na jednofázové střídavé (AC) železniční soustavě vozidel závislé trakce 25 kV, 50 Hz

Jednofázová trakční proudová soustava 25 kV, 50 Hz zatěžuje nerovnoměrně veřejnou distribuční síť. Nesymetrie odběru je v síti limitována. Symetrizace trakčního odběru je složitá a nejde ji řešit jen připojováním napájecích úseků na jednotlivá sdružená napětí.

Hnací vozidla staršího data výroby jsou osazena transformátorem s odbočkovou regulací napětí, diodovým usměrňovačem a komutátorovými stejnosměrnými motory. Vozidla s diodovými usměrňovači nebo tyristorovou regulací způsobují značný fázový posuv proudu vůči napětí = mají velmi špatný účiník navíc jsou zdroji proudů vyšších harmonických. Vyšší harmonické a fázový posun musí být kompenzován v napájecích stanicích.
Diodové usměrňovače nedovolují zpětné vedení proudu a proto tato vozidla neumožňují rekuperaci. Pokud některá z těchto vozidel jsou vybavena elektrodynamickou brzdou, jedná se o odporovou brzdu.
Rekuperace je umožněna až nasazením vozidel s regulací trakčních motorů pulzními měniči.

Trakční soustava 25 kV, 50 Hz a přenosová síť umožňují rekuperaci a jsou tak využívány (Maďarsko). V Československu byla v souvislosti s tehdy uvažovaným dvoustranným napájením soustavy 25 kV, 50 Hz instalována zpětná wattová relé kvůli ochraně před vyrovnávacími proudy. Zpětné wattové relé dává popud k odpojení napájecí stanice od sítě.
Ačkoliv zůstalo u jednostranného napájení, byla zpětná wattová relé v napájecích stanicích zachována a rekuperace byla zakázána. Koncem roku 2008 byla v úsecích Horní Dvořiště – České Budějovice a Břeclav – Brno odpojena zpětná wattová relé a byl zahájen zkušební provoz rekuperačního brzdění na lokomotivách ÖBB řada 1116 a 1216. O rok později byla povolena rekuperace až do Svitav. K dalšímu rozšíření zatím nedošlo.
Pro rekuperaci se kromě technických překážek objevují i překážky obchodního charakteru. Distributoři zpravidla nejeví velký zájem o zpětný odkup energie. Příčinou jsou ryze obchodní důvody a náhodný výskyt rekuperujích zdrojů energie, což zvyšuje požadavky na regulaci celé sítě.

Jednofázová hnací vozidla mohou rekuperovat do zátěže, která je ve stejném jednofázovém napájecím úseku. Sousední úseky jsou napájeny ze sousedních sdružených napětí soustavy vvn 3x 110 kV, 50 Hz. Na styku sousedních napájecích úseků musí být vložena neutrální izolační pole. Rekuperace do úseku napájeného ze stejné fáze není prakticky možná. Důvodem je velmi velká elektrická vzdálenost, na které je rekuperovaný jednofázový výkon symetrizovám zdroji a spotřebiči přenosové sítě vvn a spotřebován.

Porovnáme-li soustavu 25 kV, 50Hz se soustavu 15 kV, 16,7 Hz zjistíme že, induktance troleje a zpětného kolejového vedení je trojnásobná. Díky vyššímu napětí, jsou proudy pro daný výkon nižší v poměru 3:5. Přesto jsou ztráty na indukčnosti naopak vyšší, takže celková energetická bilance na obou soustavách je prakticky shodná.

Rekuperace na jednofázové střídavé (AC) železniční soustavě vozidel závislé trakce sníženého kmitočtu 15 kV, 16,7 Hz

Jednofázová soustava 15 kV 16,7 Hz (dříve 15 kV 16 2/3 Hz) je oddělena od distribuční třífázové sítě průmyslového kmitočtu 50 Hz. Soustava 15 kV, 16,7 Hz je napájena z jednofázových generátorů určených výhradně k napájení soustavy s kmitočtem 16,7 Hz, nebo z konvertorů kmitočtu z třífázové soustavy 50 Hz. Jednotlivé napájecí úseky (celá síť) jsou propojeny vlastní jednofázovou soustavou vvn. Zdroje i přenosové cesty jsou ve vlastnictví dráhy. Proto zde nejsou obchodní překážky.
Z provozního hlediska a hlediska rekuperace se tato síť jeví jako nejvýhodnější. Je zde téměř úplná jistota odebrání rekuperované energie, vozidla proto nemusí být vybavena brzdovými odporníky. Pokud by výjimečně došlo k výpadku napětí, je zde jako záložní pneumatická brzda. Snížená frekvence snižuje i ztráty na reaktanci vedení.

Aplikace rekuperace

Počátky rekuperace ve Švýcarsku

Jedinou zemí, kde byla rekuperace využívána prakticky od počátků elektrického provozu, bylo Švýcarsko. Pokud již Německo nebo Rakousko vybavilo některou lokomotivní řadu elektrodynamickou brzdou, jednalo se zpravidla o brzdu odporovou. Výjimkou byla lokomotiva BBÖ 1082.001 s rotačním měničem.

Behn-Eschenburgovo rekuperační brzda

Autorem tohoto zapojení je švýcarský konstruktér Hans Behn-Eschenburg, jeden z propagátorů snížené frekvence pro napájení železnic. Toto zapojení bylo použito ve 20. a počátkem 30. let na lokomotivách ce6/8 a be 6/8 a Ae 4/7. Zapojení je velmi jednoduché – buzení motoru je zapojeno na transformátor. Kotva motoru, ve které je indukováno napětí fázově posunuté cca o 90°, je k transformátoru připojena přes mohutnou tlumivku. Toto provedení má měrnou hmotnost cca 9, u některých vozidel až 3,6 kg/kW. Také účiník je poměrně nízký – 0,5 – 0,7. Výkon brzdy stačí pro udržení rychlosti samostaně jedoucí lokomotivy na gotthardské rampě. Výhodou je moment téměř nezávislý na otáčkách motoru, a to až do zastavení. Pokud se brzda v okamžiku zastavení neodpojí, vozidlo začne couvat.

Zapojení s budícím motorem

Toto zapojení vzniklo kombinací dvou Behn-Eschenbergových zapojení. Jeden z motorů – budící – má své buzení napájené z pomocného transformátoru a sám využívá vinutí druhého motoru jako vlastní brzdovou tlumivku. Druhý motor dodává energii přes tlumivku na trakční transformátor a do napájecí soustavy. Nevýhodou tohoto zapojení je nerovnoměrné zatížení obou motorů. Toto zapojení bylo použito na lokomotivách dodávaných od 40. do 70. let. Měrná hmotnost je zde nižší – 2,3 – 1,1 kg/kW, účiník se uvádí 0,73 – 0,83. Toto zapojení je použité např. na řadách Re 4/4 II a III. Tyto lokomotivy mají jeden motor budící a tři brzdící. Brzdný výkon dosahuje až 1/3 výkonu trakčního.

Rezonanční zapojení

V tomto zapojení tvoří budící vinutí s kondenzátorem rezonanční obvod naladěný na napájecí frekvenci. Obvod je napájen přes pomocné vinutí na brzdové tlumivce. Toto zapojeníje použité na řadě Re 6/6 z roku 1972. Účiník zde dosahuje hodnot 0,54 – 0,57 a měrná hmotnost 1,4. Jedná se o jediné zapojení s vysokým výkonem i při vysoké rychlosti, měrná hmotnost pak klesne až na 0,85 kg/kW.

Zapojení u vozidel s komutátorovými motory a regulací fázově řízenými usměrňovači

U těchto vozidel pracují motory v režimu brzdy jako cize buzené a předávají energii přes tlumící odpory a dva přidané tyristory do měniče a na vinutí transformátoru. Další dva tyristory jsou potřebné k otočení budícího napětí v měniči buzení. Tlumící odpory jsou nezbytné ke zvládnutí napěťových špiček v měniči při ztrátě napětí (např. při odskoku sběrače). Maří se v nich asi 10 % energie. Účiník je u tohoto zapojení asi 0,52, měrná hmotnost asi 0,3 kg/kW. Toto zapojení využívají elektrické jednotky NPZ z roku 1984.

Rekuperace u měničových vozidel

Tato vozidla mohou rekuperačně brzdit již z principu, veškeré úpravy se omezují pouze na vhodné nastavení řídícího software. Účiník je až 0,98. Ve Švýcarsku byly prvními vozidly tohoto typu lokomotivy Re 460.

Silniční vozidla

Rekuperaci využívá také systém KERS ve vozech Formule 1.

Zdroje

• Sommer, Senn: Entwicklung und Nutzen der elektrischen Rekuperationsbremse bei den SBB, Schweizer Eisenbahn-Revue 6/1996
• Kováčik, Pohl: Ropa a doprava (4), Železniční magazín 5/2007, M-Presse, Praha

Na této stránce se právě pracuje.

Prosíme, needitujte tuto stránku po dobu 2 dny od 16. 6. 2011, 10:48 (UTC), abyste se vyhnuli editačním konfliktům. V případě potřeby vyhledejte v historii vkladatele a kontaktujte jej. Děkujeme.

---

Tato šablona je určena pro krátkodobé užití v řádu hodin. Pokud již uplynula vyžádaná lhůta 2 dny od jejího vložení 16. 6. 2011, 10:48 (UTC), neváhejte ji odstranit.