Rekuperatiivpidurdus

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

Rekuperatiivpidurdussüsteem Škoda Astra trammi katusel

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

Elektrimasin generaatortalitluses

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 mehaaniliseks 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. Sel 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. Sel 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 hooratta abil

Vormel-1-s kasutatava KERS süsteemi hooratas

Hoorattaga rekuperatiivpidurdussüsteemi korral suunatakse pidurdamisel tekkiv energia hooratta pöörlemisse. Hooratas salvestab pöördliikumisega energiat, mida saab uuesti 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 energia muundamisest tekkivaid kadusid.

Kõrgtehnoloogilised hooratassüsteemid on kasutusel näiteks vormel 1-s, kus seda kutsutakse KERS-süsteemiks (eesti k: kineetilise energia rekuperatiivsüsteem).

Ajalugu

Esimesena rakendas rekuperatiivpidurdust Louis Antoine Krieger (1868–1951). Kriegeri hobukaarikust ümber ehitatud elektriauto mõlema esiratta juures oli veomootor, millel olid rekuperatiivpidurduse tarbeks eraldi paralleelmähised.

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

Rekuperatiivpidurdust kasutatakse juba aastakümneid laialdaselt elektriraudteel. 1930. aastatel hakati rekuperatiivpidurdust kasutama Bakuu–Thbilisi–Batumi raudteel (Transkaukaasia raudtee või Gruusia raudtee). Seal osutus uudse pidurdussüsteemi kasutamine iseäranis efektiivseks järsul ja ohtlikul Surami kurul. Sarnast efekti võis näha Skandinaavias Kiruna ja Narviki vahelisel rauamaagi vedamiseks mõeldud raudteel. Tuhandete tonnide rauamaagiga täidetud vagunitega rongid toodavad rekuperatiivpidurduse kaudu allamäge sõites suurtes kogustes elektrienergiat. Toodetud energiat on piisavalt, et tühi rong võiks selle arvel sõita tagasi laadimispaika. Rekuperatiivpidurdusega toodetud elektrienergia suunatakse avalikku võrku ja raudtee toimib võrgu suhtes kui elektritootja.

Rekuperatiivpidurdus koostöös klassikalise hõõrdpiduriga

Koos rekuperatiivpidurdusega kasutatakse elektrisõidukitel alati ka tavalisi mehaanilisel hõõrdumisel põhinevaid pidureid. Seda järgmistel põhjustel:

• rekuperatiivpidurduse mõju väheneb kiiruse vähenedes, mistõttu ei ole see sõiduki täielikuks peatamiseks piisav lahendus. Mootori rootor lukustatakse mehaaniliste seisupiduritega, et sõiduk ei hakkaks veerema allamäge;
• mehaaniline pidur on heaks varusüsteemiks rekuperatiivpidurduse tehnilise rikke korral;
• paljudel elektrisõidukitel, mis kasutavad rekuperatiivpidurdust, on seetõttu pidurdusefekt ainult teatud hulgal ratastel või telgedel. Seetõttu on keeruliste teeolude korral vaja 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 siis, kui need pole 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 maksimaalsest kiirusest 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 selle sõiduki kiirendamiseks. Veomootorid, mis on dimensioneeritud sõiduki kiirendamiseks, ei tule toime üleliigse koormusega, Samuti ei pruugi hädapidurdusel tekkivale äärmuslikule olukorrale vastata aku laadimiskiirus ja -võimekus.

Kõige selle tõttu on soovitud pidurdusjõu saavutamiseks vaja tagada rekuperatiivpidurduse ja mehaanilise piduri koostöö.

Rekuperatiivpidurduse ja elektrodünaamilise pidurduse võrdlus

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 ja kommuteeritakse mähised alalisvoolutoitele. Sõiduki seiskumise tagab generaatorina töötava veomootori ahelas tekitatud suur elektriline koormus. Elektrodünaamilise pidurdamisega saab sarnaselt rekuperatiivpidurdusega vähendada mehaaniliste pidurite koormust ja 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

Alstom AGV

Rekuperatiivpidurduse 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 võimsust. Pidurdamisel on käigus sarnaselt teiste tänapäevaste süsteemidega elektrodünaamilise ja rekuperatiivse pidurdamise kombinatsioon ning energia, mis ei lähe rongis kasutusse, suunatakse tagasi elektrivõrku. AGV kiirrongi pidurdussüsteem on disainitud kasutamaks maksimaalselt elektrodünaamilist pidurdamist vähendamaks mehaaniliste pidurite koormust.

Rekuperatiivpidurdus Tallinna ühistranspordis

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