Vizualizare sursă pentru „Frânare regenerativă”

[[Fișier:S stock northwood.JPG|thumb|Garnitura ''S7/8 Stock'' a [[metroul din Londra |metroului din Londra]] poate recupera la frânare 20% din energia sa<ref name="TfL200807">{{en icon}} {{cite web|url=http://www.tfl.gov.uk/assets/downloads/transforming-the-tube-brochure.pdf|title=Transforming the Tube|publisher=Transport for London|date=July 2008|access-date=28 May 2009|url-status=dead|archive-url=https://web.archive.org/web/20110605002808/http://www.tfl.gov.uk/assets/downloads/transforming-the-tube-brochure.pdf|archive-date=5 June 2011}}</ref>]]
[[Fișier:Skoda 03 T roof.jpg|thumb|Mecanism de frânare regenerativă deasupra tramvaiului [[Škoda Astra]] ]]
'''Frânarea regenerativă''' este un procedeu de frânare al unui [[vehicul]] prin conversia [[energie cinetică |energiei sale cinetice]] într-o altă formă, [[energie]] care poate fi reutilizată imediat sau stocată. Procedeul diferă de metoda de frânare convențională, care disipează în [[mediu]] această energie sub formă de [[căldură]] prin [[frecare]] în [[frână |frâne]]. În afară de mărirea eficienței energetice a vehiculului prin evitarea risipirii acestei energii, frânarea regenerativă menajează sistemele de frânare convenționale. 

== Generalități ==
În mod obișnuit un sistem de frânare regenerativă este format dintr-o [[mașină electrică]] care poate fi un [[motor electric]] care funcționează în regim reversibil sau un [[generator electric]]. Acestea sunt antrenate de roțile trenului de rulare cuplate la ele, producând [[curent electric]]. La [[transport feroviar |transportul feroviar]], inclusiv la [[tramvai]]e, electricitatea produsă este reintrodusă în [[sistem de electrificare feroviară |sistemul de alimentare]]. La [[vehicul electric |vehiculele electrice]] propulsate de [[baterie de vehicul electric |baterii]], inclusiv la [[vehicul electric hibrid |vehiculele electrice hibride]], energia recuperată este stocată în aceste baterii și în [[supercondensator]]i.

În afară de sistemele electrice, energia recuperată poate fi stocată și ca [[energie cinetică de rotație]] în [[volant |volanți]]. [[vehicul hibrid |Vehiculele hibride]] care dispun de sisteme de acționare [[motor hidraulic |hidraulice]] sau [[Motor pneumatic |pneumatice]] pot stoca energia recuperată în sistemele de alimentare ale acestora.

=== Limitări ===
Vehiculele care dispun de sisteme de frânare regenerativă trebuie echipate și cu [[frână |frâne]] clasice cu fricțiune deoarece:
* Sistemul de frânare tradițional este sistem de rezervă în caz de avarie al celui regenerativ.
* Capacitatea de frânare a frânelor regenerative scade odată cu viteza, pentru oprirea completă a vehiculului fiind nevoie de alt sistem de frânare. De asemenea, ea este nulă în timpul staționării.
* Frânarea regenerativă poate produce un exces de energie, de exemplu la coborârea pantelor, exces care nu poate fi preluat de sistemele de stocare și trebuie [[disipare |disipată]] prin sistemele de frânare clasice.
* La frânarea de urgență este nevoie ca toate roțile să fie frânate la limita de aderență cu drumul. Energia cinetică a vehiculului trebuie disipată într-un timp mult mai scurt decât cel uzual la accelerare, ceea ce nu se poate realiza decât cu puteri electrice foarte mari, de câteva ori mai mari decât puterea de propulsie, ducând la sisteme nepractice. Excesul de energie trebuie disipat prin sisteme de frânare clasice.
* Uzual, autoturismele au doar o punte motoare, iar frânarea regenerativă electrică se poate aplica doar pe punțile acționate de motoare electrice. Pe celelalte punți frânarea se face prin metode clasice.

Pentru a obține efectul de frânare dorit este nevoie de un sistem de coordonare între frânarea regenerativă și cea convențională. [[General Motors]] a produs primul [[automobil]], {{ill2|General Motors EV1|en|}}, echipat astfel. În [[1997]] și [[1998]] inginerii Abraham Farag și Loren Majersik au înregistrat două patente în acest sens.<ref>{{en icon}} GM patent [http://www.google.com/patents?id=VzshAAAAEBAJ&dq=5775467 5775467] – ''Floating electromagnetic brake system- Erik Knuth, Abraham Farag, Loren Majersik, William Borchers''.</ref><ref>{{en icon}} GM patent [http://www.google.com/patents?id=_A0kAAAAEBAJ&dq=5603217 5603217] – ''Compliant master cylinder- Loren Majersik, Abraham Farag''.</ref>

Coordonarea sistemelor de frânare a fost mult timp o problemă. La început accelerarea și frânarea erau comandate de același sistem, care era comutat. Erorile de comutare au determinat accidente prin accelerare când de fapt se dorea frânarea, cum a fost de exemplu accidentul de tren din [[1948]] de la [[Wädenswil]].

== Conversia în energie electrică: motorul ca generator ==
La vehiculele propulsate de motoare electrice, în timpul frânării regenerative motoarele lucrează în regim de generator, curentul produs fiind aplicat unui consumator, care astfel joacă rolul de frână.

=== Aspecte energetice ===
Frânarea regenerativă electrică este un proces în trei etape, etapa de recuperare a energiei cinetice prin generarea energiei electrice, etapa de stocare a ei în acumulatori sau [[supercondensator]]i și etapa de utilizare a energiei prin transformare din nou în energie cinetică. În toate etapele apar pierderi energetice, transformările făcându-se cu un anumit [[randament]].

Lucrul mecanic absorbit de generator este diferența de energie cinetică a vehicului:
:<math>L_{absorbit}= \frac {mv_1^2}{2} - \frac {mv_2^2}{2}</math>
unde:
:<math>m \,</math> este masa vehiculului,
:<math>v_1 \,</math> este viteza vehiculului la începutul frânării,
:<math>v_2 \,</math> este viteza vehiculului la sfârșitul frânării.

Dacă <math>\eta_g \,</math> este randamentul generatorului, <math>\eta_a \,</math> cel al acumulatorului și <math>\eta_m \,</math> cel al motorului electric, atunci lucrul mecanic recuperat va fi:
:<math>L_{recuperat} = \eta_g \eta_a \eta_m L_{absorbit} \,</math>
iar randamentul global al procesului este:
:<math>\eta = \frac {L_{recuperat}}{L_{absorbit}} = \eta_g \eta_a \eta_m</math>
Ca ordin de mărime, acest randament este de 60–70&nbsp;%.

=== Aplicații feroviare ===
Frânarea regenerativă a fost mult folosită pe calea ferată. În anii [[1930]] a fost folosită de {{ill2|Căile Ferate Transcaucaziene|en|Transcaucasus Railway}} pe linia Baku-Tbilisi-Batumi, în special în abruptul și periculosul [[Pasul Surami |pas Surami]].<ref>{{en icon}} {{cite web|url= http://forum.axishistory.com/viewtopic.php?f=34&t=91987&start=645|author=Bigpanzer|title=Susrami Type Locomotoive at Surami Pass|publisher=Shorpy|date=30 April 2006|accessdate=31 January 2011}}</ref> În Scandinavia, pe linia Kiruna-Narvik se transportă minereu de fier de la minele din [[Kiruna]], din nordul [[Suedia |Suediei]], în jos spre portul [[Narvik]] din [[Norvegia]]. În timpul coborârii vagoanelor încărcate se produce multă energie electrică prin frânare regenerativă. Pe teritoriul Norvegiei, de la granița de la [[Riksgränsen]] până la Narvik trenurile folosesc doar o cincime din energia generată astfel, restul fiind suficient pentru aducerea trenului gol înapoi la Riksgränsen.<ref>{{no icon}} {{cite news |title=Evighetsmaskiner |last=Næss |first=Per |work=[[Fremover]] |date=3 august 2007 |page=28}}</ref> Excesul este introdus în rețeaua de alimentare, calea ferată fiind un furnizor net de electricitate.

La tramvaie, în [[Anglia]] sistemul Raworth de „control regenerativ” a fost introdus la începutul anilor 1900 deoarece era avantajos.<ref>{{en icon}} {{cite journal|url= http://books.google.com/books?id=wP5DAAAAYAAJ&pg=PA374&dq=proceedings+institute+electrical+engineers+1907+vol+38 |first=Alfred |last=Raworth |title=Regenerative control of electric tramcars and locomotives |journal=Proceedings of the Institution of Electrical Engineers 1906–1907 |volume=38 |pages=374–398 |date=7 February 1907|accessdate=11 March 2014}}</ref><ref>{{en icon}} {{cite book|url= http://books.google.com/books?id=ki4SAAAAIAAJ&pg=PA68&lpg=PA68&dq=%22raworth+system%22 |title=Discussion on the 'Regenerative braking of electric vehicles' (Hellmund) Pittsburg, PA |journal=Transactions of the American Institute of Electrical Engineers |volume=36 |page=68 |year=1917 |accessdate=11 March 2014}}</ref><ref name="Jno">{{en icon}} {{cite book|first=Struan |last=Jno |first2=T. |last2=Robertson |first3=John D. |last3=Markham |title=The Regenerative Braking Story |publisher=Scottish Tramway & Transport Society |year=2007}}</ref> Sistemul s-a aplicat la Devonport (1903), [[Rawtenstall Corporation Tramways|Rawtenstall]], Birmingham, Crystal Palace-Croydon (1906) și altele.<ref>{{en icon}} {{cite book|url= http://books.google.com/books?id=fjApAAAAYAAJ&pg=PA20&lpg=PA20&dq=%22raworth+system%22 |title=Transport World The Tramway and Railway World |volume=XX |date=July–December 1906 |page=20 |publisher=Carriers Publishing |accessdate=11 March 2014}}</ref> În urma unui accident serios la Rawtenstall, în [[1911]] sistemul a fost interzis, dar a fost reintrodus 20 de ani mai târziu.<ref name="Jno"/>

==== Frânare dinamică ====
[[Fișier:NSLocoNo.5348.jpg|thumb|La această locomotivă diesel-electrică extensiile laterale din dreptul acoperișului conduc aerul de răcire spre rezistorii frânelor dinamice]]
Principala problemă a frânării regenerative este dificultatea de a genera curent la parametrii rețelei de alimentare &mdash; tensiune în cazul alimentării cu curent continuu, respectiv tensiune, frecvență și fază la alimentarea cu curent alternativ.

Dacă curentul electric produs de motoarele electrice lucrând în regim de frână în loc să fie trimis în rețeaua de alimentare este descărcat pe niște [[rezistor |rezistoare electrice]] care-l transformă în [[căldură]] se vorbește despre {{ill2|frânare dinamică|en|Dynamic braking}}. Procedeul se întâlnește la [[stivuitor |electrostivuitoare]], [[locomotivă diesel-electrică |locomotive diesel-electrice]] și tramvaie. Căldura produsă poate fi folosită la climatizarea vagoanelor sau disipată în mediul ambiant. O aplicație neobișnuită a fost la {{ill2|Locomotivă cu turbină cu abur General Electric{{!}}locomotivele experimentale cu turbină cu abur|en|GE steam turbine locomotives}} ale [[General Electric]]. Cele două locomotive foloseau căldura generată pentru preîncălzirea apei de alimentare a [[cazan de abur |cazanului de abur]].<ref>{{en icon}} {{cite book |first= Brian |last= Solomon |url=https://books.google.ca/books?id=sTRcBAAAQBAJ&pg=PA59 |title= GE and EMD Locomotives |publisher=Voyageur Press |year=2014 |pages=59-61}}</ref>

=== Aplicații la automobile ===
[[Fișier:Tesla Model S P85+ 60 kW Regenerative Braking (cropped).jpg|thumb|Un automobil Tesla Model S P85+ recuperând energie cu o putere de 60&nbsp;kW frânând regenerativ de la 209&nbsp;km/h. În timpul frânării regenerative indicatorul puterii devine verde.]]
La automobile, primul exemplu de frânare regenerativă a fost la conversia unui [[cabriolet]] tras de cai într-un vehicul cu {{ill2|tracțiune față|en|Front-wheel drive}} de către Louis Antoine Krieger ([[1868]]–[[1951]]). Automobilul Krieger era acționat de câte un motor electric pentru fiecare din roțile din față, având câte un set suplimentar de bobinaje ({{ill2|bobinaj bifilar|en|bifilar coil}}) pentru frânarea regenerativă.<ref>{{en icon}} {{cite web|url=http://www.shorpy.com/node/5734%23comment-58487|author=Dave|title=Horseless Carriage: 1906|publisher=Shorpy|date=16 March 2009|accessdate=14 august 2010}}</ref> 

Alte exemple de automobile din epocă dotate cu sisteme de frânare regenerativă au fost [[Baker Motor Vehicle|Baker Electric Runabout]] și [[Owen Magnetic]]. Însă conducătorul trebuia să comute manual modul de lucru, iar sistemul electric era complex și scump.<ref>{{en icon}} {{cite web |url=http://www.sunrise-ev.com/Controllers.htm |title=EV Motor Controllers |first=Lee A. |last=Hart |date=28 December 2013 |accessdate=4 May 2014 |archive-date=2014-05-04 |archive-url=https://web.archive.org/web/20140504204906/http://www.sunrise-ev.com/Controllers.htm |dead-url=yes }}</ref><ref>{{en icon}} {{cite web|url= http://www.popularmechanics.com/cars/jay-leno/vintage/4215940 |title=The 100-Year-Old Electric Car |first=Jay |last=Leno |publisher=Popular Mechanics |date=1 May 2007  |accessdate=4 May 2014}}</ref> La fel ca și la automobilul lui Krieger, practic sistemul de frânare regenerativă putea fi folosit doar la coborârea pantelor.

Progresele electronicii au permis automatizarea acestor procese începând cu modelul experimental [[AMC Amitron]] din [[1967]]. Proiectat de Gulton Industries<ref>{{en icon}} {{cite book|url= http://books.google.com/books?id=AaBTAAAAMAAJ |page=219 |chapter=The Electric Car |title=Alternatives to the internal combustion engine: impacts on environmental quality |first=Robert U. |last=Ayres |first2=Richard P. |last2=McKenna |publisher=Johns Hopkins University Press |year=1972 |isbn= 978-0-8018-1369-6 |accessdate=4 May 2014}}</ref> comutarea era automată la apăsarea pedalei de frână. Multe din vehiculele electrice și hibride de astăzi folosesc această tehnică pentru a mări autonomia lor.

== Conversia în energie mecanică ==
{{articol principal|Sistem de recuperare a energiei cinetice}}
[[Fișier:Flybrid Systems Kinetic Energy Recovery System.jpg|thumb|KERS al Flybrid]]
Sistemele mecanice de recuperare a energiei la frânare stochează energia recuperată sub formă de energie cinetică a unor [[volant |volanți]]. Deoarece nu există transformările energie cinetică −> energie electrică −> energie chimică −> energie electrică −> energie cinetică, dacă refolosirea energiei stocate este imediată randamentul energetic al acestor sisteme este superior celor electrice. În timp, datorită pierderilor în lagăre, turația volantului scade, ca urmare scade și energia sa, deci randamentul. Pentru a micșora aceste pierderi, volanții se rotesc în incinte vidate, iar lagărele sunt cu suspensie magnetică. O asemenea construcție stochează energia până la cel mult o oră, sistemul fiind foarte eficient doar la frânări urmate imediat de accelerări, cum ar fi circulația în oraș sau participarea la curse pe circuite asemănătoare celor de la [[Formula 1]].

Un sistem de acest tip este cunoscut drept ''sistem de recuperare a energiei cinetice'' ({{en|kinetic energy recovery system}} – KERS). A fost folosit prima dată în Formula 1 în [[2009]]. În edițiile următoare utilizarea sistemului a fost opțională,<ref name="3teams">{{en icon}} {{cite web|url=http://www.autoevolution.com/news/team-lotus-virgin-hrt-f1-to-start-2011-without-kers-30389.html |title=Team Lotus, Virgin, HRT F1 to Start 2011 Without KERS |publisher=Autoevolution |date=28 January 2011 |accessdate=1 June 2011 }}</ref> dar din [[2013]] toate echipele folosesc KERS.

Primul sistem de acest tip a fost construit de Flybrid. Sistemul are o masă de 24&nbsp;kg și poate înmagazina o energie de 400&nbsp;kJ. Această energie poate fi livrată cu o putere de 60&nbsp;kW în 6,67 secunde. Volantul are un diametru de 240&nbsp;mm, o masă de 5.0&nbsp;kg și se rotește cu turația de până la 64&nbsp;500&nbsp;rot/min. Cuplul maxim este de 18&nbsp;Nm.

== Note ==
{{listănote|2}}

{{DEFAULTSORT:Frânare regenerativă}}
[[Categorie:Stocarea energiei]]
[[Categorie:Tehnologii energetice]]
[[Categorie:Tehnologii de autovehicule]]