Układy i urządzenia hamulcowe > Hamulce elektrodynamiczne

Informacje ogólne
Hamulec elektrodynamiczny to hamulec, w którym nie występują siły tarcia wynikające z docisku elementów ciernych do siebie. 
W tym typie hamulca zmniejszanie prędkości pojazdu odbywa się na drodze elektrycznej poprzez wytworzenie siły hamującej przeciwnej do ruchu pojazdu za pośrednictwem elektrycznych silników trakcyjnych.
Hamowanie elektrodynamiczne polega na zmianie energii kinetycznej poruszającego się pojazdu trakcyjnego na energię elektryczną poprzez silniki trakcyjne tego pojazdu pracujące jako prądnice.
Hamowanie silnikiem występuje wówczas, gdy moment elektromagnetyczny silnika działa w kierunku przeciwnym do kierunku prędkości obrotowej. W wyniku powstałego momentu hamującego na wałach silników następuje wytracanie prędkości pojazdu.

Hamowanie elektrodynamiczne może być zastosowane zarówno w układach napędowych z wykorzystaniem prądu stałego (DC) oraz przemiennego (AC). W przypadku silników prądu stałego aby silnik rozpoczął pracę prądnicową, jego stojan musi zostać wzbudzony z obcego źródła zasilania. Na przykładzie lokomotywy EP09 za wytworzenie energii do obcego wzbudzenia odpowiedzialna jest druga patrząc w kierunku jazdy przetwornica pokładowa (pierwsza służy do ładowania baterii akumulatorów).

 
Przetwornica pokładowa w lokomotywie EP09

W nowoczesnych pojazdach pracą hamulca elektrodynamicznego steruje układ mikroprocesorowy, który odpowiednio dobiera parametry hamowania pojazdu. Przy zastosowaniu silników indukcyjnych, gdy zostaną one przesterowane przez system sterowania do pracy prądnicowej, falownik trakcyjny pracuje w trybie prostownika przetwarzając prąd przemienny trójfazowy produkowany przez silniki trakcyjne na prąd stały.
Ze względu na zastosowane rozwiązania techniczne i rodzaj pojazdu rozróżnia się hamowanie elektryczne oporowe (rezystorowe) i elektryczne rekuperacyjne.

ZALETY HAMULCA ELEKTRODYNAMICZNEGO:
- brak elementów ciernych (nie wymaga czynności utrzymaniowych),
- ogranicza zużycie hamulców ciernych,
- energia elektryczna wytworzona podczas hamowania może być magazynowana lub rekuperowana.

WADY HAMULCA ELEKTRODYNAMICZNEGO:
- działa tylko na napędne zestawy kołowe,
- moc hamulca ED jest mniejsza od mocy hamulców ciernych,
- zwiększa się obciążenie cieplne silnika (wymagane jest mocniejsze chłodzenie).

Hamowanie elektryczne oporowe (rezystorowe)
Ten typ hamowania elektrodynamicznego może być stosowany w pojazdach napędzanych energią elektryczną jak również w pojazdach spalinowych z zastosowaną tak zwaną przekładnią elektryczną, czyli takich, gdzie napęd realizowany jest, jak w pojazdach elektrycznych poprzez elektryczne silniki trakcyjne.
Hamowanie oporowe polega na tym, że produkowana przez silniki trakcyjne energia elektryczna jest przemieniana w energię cieplną na opornikach hamowania. Ciepło z oporników jest oddawane do atmosfery - bezpowrotnie tracone.

W związku z mocnym nagrzewaniem się oporników podczas pracy muszą być one odpowiednio wydajnie chłodzone.
Stosuje się w tym celu chłodzenie obce w postaci wentylatorów, które nadmuchują schłodzone powietrze na na elementy oporowe lub chłodzenie pędem powietrza.
Dany rodzaj chłodzenia jest zależny przede wszystkim od mocy do jakiej przetwarzania energii oporniki są przystosowane, a więc temperatur jakie osiągają.

   
     
Kontenery oporników na dachach pojazdów (chłodzenie niewymuszone - pędem powietrza)

   
Lokomotywa spalinowa z przekładnią elektryczną - zespoły oporników hamowania z układem chłodzenia obcego

           
Kontener oporników w przedziale maszynowym lokomotywy (1), lamelki elementów oporowych (2) oraz wentylator chłodzenia od spodu nadwozia (3)

Hamowanie elektryczne rekuperacyjne:
Ten typ hamowania elektrodynamicznego może być stosowany wyłącznie w elektrycznych pojazdach trakcyjnych, które nie posiadają własnego źródła zasilania (nieautonomiczne) - do ich napędu wykorzystywana jest energia elektryczna pobierana poprzez odbierak prądu (pantograf) z sieci trakcyjnej.
Hamowanie rekuperacyjne polega na tym, że produkowana przez silniki trakcyjne energia elektryczna jest oddawana (rekuperowana) poprzez odbierak prądu do sieci trakcyjnej przez co inny pojazd może tą energię wykorzystać do zasilania.

   
Odbierak prądu (pantograf)

Zobacz opis osbieraków prądu - tutaj.

Aby zwracanie energii było możliwe sieć trakcyjna musi spełniać określone warunki. Jednym z nich jest wartość napięcia jaka w niej występuje w momencie hamowania pojazdu. Jeżeli wartość napięcia jest zbyt wysoka to następuje automatyczne włączenie oporników hamowania i wytracanie energii w postaci ciepła. Takie przełączenie następuje gdy w sieci trakcyjnej wartość napięcia przekroczy ok. 3800 V. Aby rekuperacja była możliwa oczywiście do sieci musi być również podłączony odbiornik (inny pojazd trakcyjny), który tą energię wykorzysta np. podczas swojego rozruchu. Jeżeli produkowana energia nie może być zwrócona do sieci, to aby rekuperacja była skuteczna konieczne staje się wyposażenie pojazdu lub podstacji trakcyjnych, które zasilają dany odcinek sieci, w urządzenia do akumulowania (magazynowania) tej energii (np. superkondesatory). W większości przypadków jeżeli rekuperacja nie jest możliwa to następuje wytracanie energii elektrycznej hamowania na opornikach hamowania (hamowanie ED oporowe). Nowoczesne układy sterowania umożliwiają proporcjonalną współpracę hamulca ED oporowego i rekuperacyjnego. Polega to na tym, że do sieci oddawana jest taka ilość energii, jaka aktualnie może być przez nią przyjęta, a pozostała część wytwarzanej energii wytracana jest na opornikach.

W pojazdach eksploatowanych w systemach zasilania trakcyjnego prądem przemiennym (sieć trakcyjna AC) nie ma konieczności stosowania oporników hamowania w pojazdach, gdyż rekuperacja jest praktycznie zawsze możliwa. Napięcie przemienne jest zarówno w sieci trakcyjnej jak i w sieci energetyki zawodowej, z której sieć trakcyjna jest zasilana poprzez podstację trakcyjną. W systemach prądu stałego, aby była taka możliwość, konieczne byłoby wyposażenie podstacji trakcyjnych w układy falownikowe, do przekształcania energii prądu stałego produkowanej przez hamujący pojazd, na energię prądu przemiennego, która jest w sieci energetyki zawodowej.
Zwracanie energii do ogólnokrajowej sieci energetycznej wymaga oczywiście odpowiednich regulacji prawnych w zakresie prawa energetycznego.