الكبح الديناميكي

الكبح الديناميكي هو استخدام محرك الجر الكهربائي كمولد عند إبطاء مركبة مثل القاطرة الكهربائية أو قاطرة الديزل الكهربائية . يُطلق عليه اسم " الكبح المقاوم " إذا تم تبديد الطاقة الكهربائية المولدة على شكل حرارة في مقاومات شبكة الكبح ، و" الكبح التجديدي " إذا تم إعادة الطاقة إلى خط الإمداد. يقلل الكبح الديناميكي من تآكل مكونات الكبح القائمة على الاحتكاك ، ويخفض التجديد من صافي استهلاك الطاقة. يمكن أيضًا استخدام الكبح الديناميكي في عربات السكك الحديدية متعددة الوحدات ، ومركبات السكك الحديدية الخفيفة ، والترام الكهربائي ، وحافلات الترولي ، والسيارات الكهربائية والهجينة .

يُعدّ تحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية لعمود دوّار (محرك كهربائي) عملية عكسية لتحويل الطاقة الميكانيكية لعمود دوّار إلى طاقة كهربائية (مولد كهربائي). وتتم كلتا العمليتين من خلال تفاعل ملفات العضو الدوّار مع مجال مغناطيسي خارجي متحرك (نسبيًا)، حيث يكون العضو الدوّار متصلًا بدائرة كهربائية إما بمصدر طاقة (محرك) أو بمستقبل طاقة (مولد). وبما أن دور جهاز تحويل الطاقة الكهربائية/الميكانيكية يتحدد بنوع الواجهة (ميكانيكية أو كهربائية) التي تُزوّد ​​أو تستقبل الطاقة، فإن الجهاز نفسه يمكن أن يؤدي دور المحرك أو المولد. في الكبح الديناميكي، يتحول محرك الجر إلى مولد عن طريق التحويل من دائرة التزويد إلى دائرة الاستقبال مع تطبيق تيار كهربائي على ملفات المجال التي تولد المجال المغناطيسي ( الإثارة ).

تُساوي قيمة المقاومة المُطبقة على العمود الدوار (قوة الكبح) معدل توليد الطاقة الكهربائية مضافًا إليه بعض الفقد في الكفاءة. وهذا بدوره يتناسب طرديًا مع قوة المجال المغناطيسي، التي يتحكم بها التيار في ملفات المجال، ومعدل دوران المحرك والمجال المغناطيسي في اتجاهين متعاكسين، والذي يُحدد بدوران العجلات ونسبة دوران عمود الطاقة إلى دوران العجلات. ويتم التحكم في قيمة قوة الكبح عن طريق تغيير قوة المجال المغناطيسي من خلال مقدار التيار في ملفات المجال. وبما أن معدل توليد الطاقة الكهربائية، وبالتالي قوة الكبح، يتناسبان طرديًا مع معدل دوران عمود الطاقة، فإن الحفاظ على قوة الكبح يتطلب مجالًا مغناطيسيًا أقوى مع انخفاض السرعة، وهناك حد أدنى لفعالية الكبح الديناميكي يعتمد على التيار المتاح لتطبيقه على ملفات المجال.

الطريقتان الرئيسيتان لإدارة الكهرباء المتولدة أثناء الكبح الديناميكي هما الكبح المقاومي والكبح التجديدي، كما هو موضح أدناه.

في محركات المغناطيس الدائم، يُمكن تحقيق الكبح الديناميكي بسهولة عن طريق توصيل أطراف المحرك ببعضها، مما يؤدي إلى توقفه فجأة وبسرعة. إلا أن هذه الطريقة تُبدد الطاقة على شكل حرارة داخل المحرك نفسه، ولذا لا يُمكن استخدامها إلا في التطبيقات المتقطعة منخفضة الطاقة نظرًا لمحدودية التبريد، كما هو الحال في الأدوات الكهربائية اللاسلكية. وهي غير مناسبة لتطبيقات الجر.

تُبدد الطاقة الكهربائية المُنتجة من المحركات على شكل حرارة بواسطة مجموعة من المقاومات الداخلية ، تُعرف بشبكة الكبح . وتُعدّ مراوح التبريد الكبيرة ضرورية لحماية هذه المقاومات من التلف. تحتوي الأنظمة الحديثة على نظام مراقبة حرارية، بحيث إذا ارتفعت درجة حرارة مجموعة المقاومات بشكل مفرط، يتم إيقاف تشغيلها، ويعود الكبح إلى الاحتكاك فقط .

في الأنظمة الكهربائية، تُستخدم عملية الكبح التجديدي، حيث يُعاد توجيه التيار الناتج أثناء الكبح إلى نظام التغذية الكهربائية لاستخدامه من قِبل وحدات الجر الأخرى، بدلاً من تبديده على شكل حرارة. ومن الممارسات الشائعة دمج كلٍ من الكبح التجديدي والكبح المقاوم في الأنظمة الكهربائية. إذا لم يكن نظام التغذية الكهربائية "مستجيبًا" ، أي غير قادر على امتصاص التيار، فسيعمل النظام تلقائيًا في وضع الكبح المقاوم لتوفير تأثير الكبح.

تتوفر الآن قاطرات ساحات مزودة بأنظمة تخزين طاقة داخلية تسمح باستعادة جزء من الطاقة التي كانت ستُهدر على شكل حرارة. على سبيل المثال، يُستخدم طراز "غرين غوت" من قبل شركات السكك الحديدية الكندية الباسيفيكية ، وبي إن إس إف ، وكانساس سيتي ساوثرن ، ويونيون باسيفيك .

في قاطرات الركاب الحديثة المجهزة بمحولات التيار المتردد والتي تجر قطارات ذات أحمال طاقة كافية في مقدمة القطار، يمكن استخدام طاقة الكبح لتشغيل أنظمة القطار الداخلية عبر الكبح التجديدي إذا كان نظام الكهرباء غير مستجيب أو حتى إذا لم يكن المسار مكهربًا من الأساس. إن حمل الطاقة في مقدمة قطارات الركاب الحديثة كبير جدًا لدرجة أن بعض القاطرات الكهربائية الجديدة، مثل ALP-46، صُممت بدون شبكات المقاومة التقليدية.

لا يكفي الكبح الديناميكي وحده لإيقاف قاطرة، لأن تأثيره يتلاشى بسرعة عند سرعات تقل عن 16 إلى 19 كم/ساعة . لذا، يُستخدم دائمًا بالتزامن مع نوع آخر من الكبح، مثل المكابح الهوائية . ويُطلق على استخدام كلا نظامي الكبح في آنٍ واحد اسم الكبح المُدمج . ^{[ 1 ]} كما تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون لتخزين الطاقة اللازمة لإيقاف القطارات تمامًا. ^{[ 2 ]} 

على الرغم من أن الكبح المختلط يجمع بين الكبح الديناميكي والكبح الهوائي، إلا أن قوة الكبح الناتجة مصممة لتكون مماثلة لقوة الكبح الهوائي المنفرد. ويتحقق ذلك من خلال زيادة فعالية الكبح الديناميكي إلى أقصى حد، والتحكم التلقائي في فعالية الكبح الهوائي، لأن الهدف الرئيسي من الكبح الديناميكي هو تقليل كمية الكبح الهوائي المطلوبة. وهذا بدوره يحافظ على الهواء ويقلل من مخاطر ارتفاع درجة حرارة العجلات. وتشير تقديرات شركة إلكترو-موتيف ديزل (EMD)، إحدى الشركات المصنعة للقاطرات، إلى أن الكبح الديناميكي يوفر ما بين 50% و70% من قوة الكبح أثناء الكبح المختلط.

الطريقة الثالثة للكبح الكهربائي هي الكبح بالتوصيل أو "التوصيل"، حيث يُطبَّق عزم دوران عكسي لفترة وجيزة. وهي أسرع أنواع الكبح الكهربائي، ولكنها تُسبب إجهادات عابرة كبيرة للمحركات والمكونات الميكانيكية. عادةً ما يكون الكبح مفاجئًا وغير منتظم، ^{[ 3 ]} وهو ما يُعادل "الاهتزاز" في الحركة الأمامية، ولا يُستخدم الكبح بالتوصيل أبدًا في تطبيقات الجر الكهربائي. ومع ذلك، فقد استُخدم على نطاق واسع في تطبيقات مثل محركات الحركة الطويلة والعرضية للرافعات العلوية المتحركة التي تعمل بالتيار المستمر والتيار المتردد ؛ وتستخدم محركات الرفع في هذه الرافعات عادةً الكبح المقاومي. تستخدم محركات العكس المزودة بالكبح بالتوصيل (المتعمد) عادةً التحكم المقاومي للتسارع، وتحتوي دائمًا على مقاومة في دائرة المحرك، عند تطبيق الكبح بالتوصيل، للحد من عزم الدوران العكسي (الكبح). يتم التوصيل عادةً بتحريك وحدة التحكم، لفترة وجيزة، إلى الخطوة الأولى من الاتجاه المعاكس، ثم إعادتها إلى وضع الإيقاف. بعد الوصول إلى سرعة صفرية، يجب إيقاف عملية التوصيل لتجنب دوران المحرك في الاتجاه المعاكس، ويمكن توفير هذه الوظيفة تلقائيًا بواسطة "مرحل التوصيل". لا تتناسب عملية التوصيل جيدًا مع المحركات التي يتم التحكم فيها بواسطة العاكس؛ وهي أصبحت أقل شيوعًا، ويتم تثبيطها بنشاط في تشغيل الرافعات الحديثة. ^{[ 4 ] [ 5 ] [ 6 ]}

يمكن استخدام شبكات المكابح كنوع من الدينامومتر أو بنك الأحمال لإجراء اختبار التحميل الذاتي لقدرة خرج القاطرة. عند توقف القاطرة، يتم توصيل خرج المولد الرئيسي بالشبكات بدلاً من محركات الجر. عادةً ما تكون الشبكات كبيرة بما يكفي لاستيعاب كامل قدرة خرج المحرك، والتي تُحسب من جهد وتيار خرج المولد الرئيسي.

قد تُجهز قاطرات الديزل ذات ناقل الحركة الهيدروليكي بنظام كبح هيدروديناميكي. في هذه الحالة، يعمل محول العزم أو وصلة السوائل كمثبط للسرعة ، تمامًا كما في مكابح الماء . تعمل طاقة الكبح على تسخين السائل الهيدروليكي ، ويتم تبديد الحرارة (عبر مبادل حراري) بواسطة مشعاع تبريد المحرك. يبقى المحرك في وضع الخمول (وينتج حرارة قليلة) أثناء الكبح، لذا لا يتعرض المشعاع لحمل زائد.

• مكابح الضغط المعاكس
• مُثبِّط السرعة (الهندسة الميكانيكية)
• مكبح التيار الدوامي

• الكبح المختلط ( مؤرشف بتاريخ 4 مارس 2016 في أرشيف الإنترنت )
• الكبح المتجدد يعزز المزايا البيئية. مؤرشف بتاريخ 15 أكتوبر 2007 في موقع Wayback Machine ، مجلة Railway Gazette International ، يوليو 2007