6. Рекуперация – это накопление энергии упругой деформации связок и сухожилий, которая характеризуется их растяжением.
Количество накапливаемой энергии зависит от многих параметров и в первую очередь от работы мышц, связок и сухожилий.
Рекуперация энергии в движениях человека осуществляется двумя способами.
Во-первых, кинетическая энергия движения может переходить в потенциальную энергию гравитации (сил тяжести), Например, в обычной ходьбе наивысшему положению ЦМ тела (максимуму потенциальной энергии) соответствует минимум кинетической энергии, и наоборот, кинетическая энергия тела самая большая, когда его ОЦМ находится в самом низком положении. Образно можно себе представить, что ОЦМ движется как шарик, катящийся по неровной поверхности: на подъемах кинетическая энергия переходит в потенциальную, а на спусках – наоборот. Благодаря этому полная механическая энергия тела (т. е. сумма его кинетической и потенциальной энергии) сохраняется. Разумеется, это сохранение не стопроцентное — значительная часть энергии рассеивается. Но все, же благодаря описанному явлению экономичность ходьбы значительно повышается.
Во-вторых, кинетическая энергия движения превращается в потенциальную энергию упругой деформации мышц, а накопленная потенциальная энергия частично снова превращается в работу – идет на сообщение скорости телу и его подъём. В модельных опытах (прыжки на месте) показано, что рациональное использование упругих сил мышц может повысить экономичность работы более чем в 2 раза.
7. Выносливость — это способность человека преодолевать утомление и эффективно действовать при этом.
Если человек длительное время выполняет какое-то двигательное задание, то его движения можно классифицировать:
— по интенсивности (скорость, сила и т.д.);
— по объему (метры, работа и т.д.);
— по времени выполнения (секунда).
Выделяют 3 способа определение выносливости:
1. задается время выполнения работы
измеряется объем работы (расстояние)
определяется скорость выполнения
2. объем работы постоянен
измеряется время выполнения
определяется скорость выполнения движения
3. скорость выполнения постоянная
измеряется время выполнения
определяется объем работы
Для оценки выносливости используют термин утомление, что означает временное снижение работоспособности. Различают умственное, эмоциональное и физическое утомление. Биомеханика рассматривает только физическое утомление.
При мышечной работе утомление проходит через 2 фазы:
1. Фаза компенсированного утомление — когда спортсмен сохраняет интенсивность движения на прежнем уровне (например, скорость бега).
2. Фаза декомпенсированного утомления — когда, несмотря на все старания, спортсмен не может сохранить необходимую интенсивность (например, турист, отставший от группы)
8. Проблема экономизации спорт техники: Если у разных спортсменов при выполнении одного и того же двигательного задания измерить энергозапрос, то его величины могут оказаться резко различными: одна и та же работа будет для разных спортсменов связана с неодинаковым расходом энергии.
Экономичность работы нередко оценивают с помощью коэффициентов, связывающих величины выполненной работы, с величинами затраченной при этом энергии.
Использование указанных коэффициентов, во-первых, позволяет анализировать лишь внешние результаты двигательных заданий (но не процессы, лежащие в их основе); во- вторых, приемлемо лишь при анализе двигательных заданий сходного типа. Можно, например, сравнивать величины этих коэффициентов в одном и том же движении (например, в беге), и нельзя – в движениях далеких друг от друга (например, в плавании и прыжках в воду).
В циклических локомоциях для характеристики экономичности техники обычно используют не указанные выше коэффициенты, а так называемую константу пути – величину энергозатрат, приходящуюся на 1 метр пути.
При сравнении разных локомоций значения константы пути и коэффициентов экономичности работы могут не совпадать, поскольку в разных локомоциях для того, чтобы преодолеть одно и то же расстояние, надо выполнить разную механическую работу.
Экономичность техники зависит от двух групп факторов: 1) физиологических и биохимических (в частности от того, аэробными или анаэробными процессами обеспечивается поставка энергии) и 2) биомеханических.
Коэффициенты: 1. Валовый коэффициент (брутто-коэффициент) экономичности работы:
K1=A/E где А — выполненная механическая работа (в джоулях), Е— затраченная энергия (в джоулях).
2. Нетто-коэффициент; в данном случае из величины энергозатрат при выполнении работы вычитают величину энерготрат в состоянии покоя (в условиях основного обмена или в рабочей позе):
K2=A/(E-En) где А — величины работы (в джоулях), En —энерготраты (в джоулях).
3 Дельта коэффициент сравнивают величины выполненной работы в двух двигательных заданиях разной интенсивности
K3=(A2-A1)/(E2-E2) где A 1 и А 2 величины работы в джоулях, Е1 и Е2 энерготраты в джоулях.
Особенности спортивной техники в упражнениях, требующих большой выносливости:
1.устранением ненужных движений, 2.устранением ненужных сокращений мышц. (У квалифицированных спортсменов суммарное время активности мышц меньше, время расслабленного состояния больше, чем у новичков. Это достигается за счет так называемой концентрации активности мышц.), 3.уменьшением внешнего сопротивления (уменьшением сопротивления воды в плавании за счет выбора более обтекаемого положения тела); 4.уменьшением внутрицикловых колебаний скорости. (Повышение скорости (после ее падения) требует затрат энергии. По возможности такие колебания надо уменьшать); 5.выбором оптимального соотношения между силой действия и скоростью рабочих движений, 6.выбором оптимального соотношения между длиной и частотой шагов.
10. Различают простые и сложные двигательные реакции. Простая реакция — это ответ заранее известным движением на заранее известный (внезапно появляющийся) сигнал. Примером может быть скоростная стрельба из пистолета по силуэтам, старт в беге и т. п. Все остальные типы реакций — когда заранее не
известно, что именно надо делать в ответ на сигнал и каким будет этот сигнал, — называются сложными. В двигательных реакциях различают:
а) сенсорную фазу — от момента появления сигнала до первых признаков мышечной активности (обычно они регистрируются по ЭМГ, т. е. по появлению электрической активности в соответствующих мышечных группах);
б)премоторную фазу (электромеханический интервал — ЭМИ) — от появления электрической активности мышц до начала движения. Этот компонент наиболее стабилен и составляет 25—60 мс;
в) моторную фазу — от начала движения до его завершения (например, до удара по мячу).
11. Эргометрией называется совокупность количественных методов измерения физической работоспособности человека. Развитие эргометрии связано с необходимостью охарактеризовать различные режимы выполнения двигательных заданий на количественном уровне. Для этого выбраны три основные переменные.
1. Интенсивность выполняемого двигательного задания. Этим обозначается одна из двух механических величин: а) скорость передвижения спортсмена (например, в беге – единица измерения м/с); б) мощность (например, при педалировании на велоэргометре — единица измерения – Вт).
2. Объём выполненного двигательного задания. Этим обозначается одна из двух механических величин: а) пройденное расстояние (например, в циклических упражнениях (беге, беге на лыжах, коньках, плавании и т. п.) – единица измерения – м); б) выполненная работа (в физическом смысле, например, при вращении педалей велоэргометра, подъёме штанги – единица измерения – Дж).
3. Время выполнения (единица измерения – с).
Показатели интенсивности, объёма и времени выполнения называются эргометрическими показателями. Один из них всегда задаётся как параметр двигательного задания, два других измеряются.
Например, первый тест – задаётся параметр – дистанция 3000м. Измеряется время пробегания дистанции (например, 12 мин); из этих показателей высчитывается скорость: V = S / t; V = 3000 м / 720 с = 4,16 м/с.
Второй тест – задаётся параметр – бег 12 мин. Измеряется пройденная дистанция (например 3000м). Высчитывается средняя скорость: V = S / t; V = 3000 / 720 = 4, 16 м/с.
Третий тест – задаётся средняя скорость – бег со скоростью 4,16 м/с. Измеряется время выполнении задания до снижения скорости (например – 12 мин). Высчитывается расстояние: S = V · t; S = 4,16 · 720 с = 3000м. То есть, если испытуемый сможет поддерживать среднюю скорость во время бега (например на тредбане) в течении 12 мин, то он преодолел бы расстояние 3000м.
На этих примера доказано, что если величины времени, интенсивности и объёма двигательных заданий соответствуют друг другу, то при разных вариантах заданий получаются совпадающие результаты. Поэтому результаты, полученные в заданиях одного типа можно переносить на задания другого типа, если только задаваемые и регистрируемые показатели совпадают. Это так называемое правило обратимости двигательных заданий.
Как происходит рекуперация энергии в двигательных действиях
БИОМЕХАНИКА СПОРТА
Abstract
ANALYTICAL UNIFICATION OF DYNAMIC STRUCTURE OF INTERACTION WITH SUPPORT AT PERFORMANCE OF BLOW CHARACTER PUSHING AWAY
E.A. Stebletsov, Ph. D., professor, honored coach of Russia
Russian state academy of physical culture, Moscow
Key words: blow character pushing away, support, interaction, tensodinamogramm, dynamic structure, work of the motor-supporting apparatus, alphabetic unification.
The kind of pushing away described by the interaction with a support at the presence of the preliminary stock of the kinetic energy is considered in the article. Bounces upwards after jump down from height 0,25; 0,5 and 1 m are chosen for the analysis. The typical characteristics of the dynamic structure of interaction with a support connected with peculiarities of the work of the motor-supporting apparatus depended on the size of preliminary kinetic energy are revealed. The protective mechanism of work of the motor-supporting apparatus is shown at blow variants of interaction with a support.
The identity of the kind of the occurrence of the dynamic structure in each kind of pushing away has allowed to prove and enter their alphabetic unification. An alphabetic complex «OSG» characterizes the dynamic structure of interaction with a support of blow character at the performance of the most elastic kinds of pushing away. An alphabetic complex «OPRSG» is for the quasi-elastic pushing away. And the least elastic kinds of blow pushing away by an alphabetic complex «OPRSTQG».
The unified designations of dynamic structure of interaction with a support of a blow character for testing and the diagnostics of athletes are offered for the use.
АНАЛИТИЧЕСКАЯ УНИФИКАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ СТРУКТУРЫ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ С ОПОРОЙ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ОТТАЛКИВАНИЙ УДАРНОГО ХАРАКТЕРА
Кандидат педагогических наук, профессор, заслуженный тренер России Е.А. Стеблецов
Российская государственная академия физической культуры, Москва
Ключевые слова: отталкивания ударного характера, опора, взаимодействие, тензодинамограмма, динамическая структура, работа опорно-двигательного аппарата (ОДА), буквенная унификация.
Введение . Известно, что отталкивание, характеризующееся взаимодействием с опорой, при наличии предварительного запаса кинетической энергии (поступательного движения тела) носит характер удара [3, 4, 9, 12, 19]. Исследованиями доказано, что во время ударного взаимодействия с опорой часть механической энергии накапливается в виде потенциальной энергии упругой деформации в структурных компонентах двигательного аппарата [8, 11, 14, 15, 16, 19, 20, 26, 27].
Рекуперация энергии представляет собой сложный процесс, рассматриваемый в работе в формализованном варианте. Величина кинетической энергии, которой обладает спортсмен до начала взаимодействия с опорой, а также целевая установка и внешняя организация самого отталкивания вносят существенные коррективы в механизм работы двигательного аппарата и, соответственно, в динамическую структуру движения.
Организация исследования . В качестве модели исследовательского объекта и с целью идентичности условий снятия параметров рассматривались отталкивания двумя ногами вверх после спрыгивания с высоты 0,25, 0,5 и 1 м. Подобный вариант взаимодействия с опорой характеризуется как прямой, центральный удар и вызывает наибольшую функциональную нагрузку на ОДА испытуемого. В обследовании приняли участие 652 спортсмена высокой квалификации (см. таблицу).
Перед испытуемыми в исследовании ставилась целевая установка на выполнение отталкивания как можно быстрее и выше. Для исключения влияния маховых движений на динамическую структуру взаимодействия с опорой все виды отскоков выполнялись без движения рук. На каждый вариант отталкивания давалось по три попытки.
Исследование осуществлялось через анализ тензодинамограмм вертикальной составляющей реакции опоры, электромиограмм, снятых с основных рабочих групп мышц нижних конечностей, и синхронизированной видеозаписи процесса отталкивания.
Электромиография проводилась с использованием радиотелеметрической системы «Спорт-4». С ее помощью выявлялись основные группы мышц, участвующих в различных видах отталкивания, а также характеристики координации их работы.
Для исследования биодинамических параметров отталкиваний с различными двигательными задачами применялся метод тензодинамометрии. Графические и цифровые показатели снимались при помощи динамометрического комплекса «Модуль А», состоящего из тензодинамометрической платформы ПД-3А с собственной частотой колебаний 400 Гц и блока вторичного преобразования БВП-2. Динамометрический комплекс позволяет производить измерения силовых параметров взаимодействия в 3-плоскостной координационной системе с погрешностью менее 2%.
После усиления по мощности электрические сигналы подавались на комплекс регистрирующей аппаратуры, состоящей из нескольких блоков.
Состав испытуемых, участвовавших в исследовании
Вид спорта | Колич. испыт. | Муж | Жен | ЗМС | МСМК | МС | КМ С | 1-й разряд |
Акробатика | 80 | 48 | 32 | 4 | 19 | 45 | 12 | — |
Бадминтон | 8 | 8 | — | — | — | 1 | 3 | 4 |
Баскетбол | 53 | 41 | 12 | — | — | — | — | 53 |
Бокс | 22 | 22 | — | 1 | 2 | 2 | 2 | 15 |
Борьба | 25 | 25 | — | — | 2 | 12 | 11 | — |
Волейбол | 24 | 18 | 6 | 2 | — | 10 | 3 | 9 |
Велоспорт | 14 | 4 | 10 | — | — | 5 | 9 | — |
Гимнастика | 131 | 80 | 51 | 9 | 22 | 80 | 20 | — |
Худ. гимнастика | 20 | — | 20 | — | — | 20 | — | — |
Горнолыж. спорт | 4 | 4 | — | — | — | 1 | 3 | — |
Гребля академическая | 6 | 6 | — | — | — | 6 | — | — |
Конькобеж. спорт | 11 | 11 | — | — | — | 5 | 6 | — |
Легкая атлетика | 32 | 20 | 12 | — | 3 | 10 | 9 | 10 |
Лыжные гонки | 16 | 8 | 8 | — | — | — | 3 | 13 |
Прыжки на батуте | 23 | 16 | 7 | 1 | 6 | 16 | — | — |
Прыжки в воду | 26 | 21 | 5 | 1 | 2 | 18 | 5 | — |
Прыжки на лыжах с трамплина | 8 | 8 | — | — | — | — | — | 8 |
Плавание | 20 | 13 | 7 | — | — | 6 | 9 | 5 |
Теннис | 13 | 10 | 3 | — | — | — | 2 | 11 |
Теннис настольный | 8 | 5 | 3 | — | — | 1 | 2 | 5 |
Тяжелая атлетика | 22 | 22 | — | 1 | 12 | 9 | — | |
Футбол | 38 | 30 | 8 | — | — | 6 | 2 | 30 |
Фехтование | 12 | 9 | 3 | — | 2 | 5 | 5 | — |
Фигурное катание | 13 | 10 | 3 | — | — | 5 | 6 | 2 |
Хоккей | 23 | 23 | — | — | — | — | — | 23 |
Всего | 652 | 462 | 190 | 18 | 59 | 266 | 121 | 188 |
В состав блока срочной информации входили:
— 8-канальный электронно-лучевой индикатор ИМ-789 — для визуального наблюдения за динамической структурой отталкивания;
— цифровой импульсный вольтметр В-14, позволяющий фиксировать максимальную силу взаимодействия с опорой с точностью до 0,1 кг, — для определения силовых параметров отталкивания;
— два электронных миллисекундомера СТЦ-1 для регистрирации времени взаимодействия с опорой и времени полета после отталкивания, производящих измерение с точностью до 0,001 с, — для определения временных параметров.
Сравнительный анализ динамической структуры различных видов отталкивания проводился с использованием двухлучевого осциллографа С1-42, позволяющего фиксировать индикацию на экране до 24 ч.
С целью графической регистрации динамических параметров отталкивания на бумаге применялся исследовательский комплекс К-121, в состав которого входят шлейфовый осциллограф Н-117 и 8 избирателей пределов Р009, Р010 с калибратором каналов П029. Исследуемая информация записывалась на фотобумагу, протягиваемую со скоростью 100 мм/с.
Для визуального наблюдения за пространственно -временными характеристиками двигательного действия использовалась синхронизированная с тензодинамографическим комплексом видеозапись отталкивания, позволяющая регистрировать и впоследствии замедленно воспроизводить изображение спортсмена, выполняющего отталкивание. Съемка производилась на фоне специального экрана, разграфленного на квадраты (10 х10), который одновременно служил и масштабной сеткой.
При обработке данных рассматривалась лучшая попытка, определяемая по высоте отскока. После выполнения каждого отталкивания испытуемые знакомились с основными характеристиками взаимодействия с опорой: временем выполнения отскока, максимальной силой взаимодействия с опорой, высотой отскока и т.д.
Рис. 1. Типичная тензодинамограмма взаимодей ствия с опорой при выполнении отталкивания вверх после спрыгивания с высоты 0,25 м:1 — статоуступаю щий режим работы ОДА; 2 — статопреодолевающий режим работы ОДА
Результаты исследования. Рассматривая наиболее упругий процесс взаимодействия с опорой при выполнении отталкивания вверх после спрыгивания с высоты 0,25 м, в структуре работы ОДА можно выделить две фазы (рис. 1).
Фаза статоуступающего режима работы двигательного аппарата характеризуется вынужденным амортизационным растяжением структурных компонентов ОДА, вследствие чего происходит сближение общего центра масс тела (ОЦМТ) с опорой. В этот момент осуществляется переход энергии движущегося тела в потенциальную энергию упругой деформации (погашение ударного импульса). В конце 1-й фазы кинетическая энергия уменьшается до нуля (полная остановка после амортизационного снижения ОЦМТ), а потенциальная энергия упругой деформации структурных компонентов стопы и голеностопного сустава характеризуется максимальным значением. В фазе статопреодолевающего режима работы происходит обратный процесс перехода накопленной потенциальной энергии в кинетическую энергию движения ОЦМТ вверх [14, 22]. В этой фазе ОЦМТ удаляется от опоры со скоростью, зависящей от организации двигательного действия, силовых и временных параметров взаимодействия. Данный вид отталкивания носит характер наиболее упругого биомеханического взаимодействия с опорой и осуществляется в большей степени за счет перехода механической энергии из кинетической в потенциальную и обратно.
Нормальная динамическая структура взаимодействия с опорой при выполнении отскока после спрыгивания с высоты 0,25 м характеризуется однопиковым возрастанием силы воздействия на опору и имеет постоянный вид. В целях унификации описания динамической структуры нами введено ее буквенное обозначение. Момент начала контакта с опорой — касание ногами — обозначен буквой «О«, точка, определяющая максимальную силу воздействия на опору, — буквой «S«. Окончание контакта — отрыв ног от опоры — буквой «G«.
Таким образом, 1-я фаза — отрезок тензодинамограммы ОS — характеризует статоуступающий (амортизационный) режим работы структурных компонентов стопы и голеностопного сустава, накопление энергии упругой деформации и сближение ОЦМТ с опорой. Временной интервал О-S определяется длительностью протекания рассмотренных процессов. Величина зубца — точка S — дает информацию о максимальной силе взаимодействия и возможности рекуперации энергии в упругих структурах мышц. Форма кривой ОS характеризует динамику прохождения процесса накопления энергии в структурных компонентах мышц и анатомо-биомеханические и физические особенности ОДА (в основном упруго-жесткостные характеристики мышечных структур стопы и голеностопного сустава) испытуемого.
2-я фаза — отрезок SG — характеризует статопреодолевающий режим работы ОДА, удаление ОЦМТ от опоры и переход энергии упругой деформации в кинетическую энергию движения. Временной интервал S-G определяет длительность фазы собственно отталкивания, форма кривой — протекание процессов перехода энергии из потенциальной в кинетическую и скоростно-силовые возможности испытуемого.
Анализ процесса взаимодействия с опорой после спрыгивания с высоты 0,25 м позволил сделать следующие заключения:
1. Двигательный аппарат в момент взаимодействия с опорой работает в двух последовательных режимах: статоуступающем и статопреодолевающем.
2. Динамическая структура характеризуется однопиковым повышением силы воздействия на опору (зубец S) и может быть описана буквенным комплексом OSG.
3. Изменение формы и величина зубца S при его типичности для данного варианта отталкивания носит индивидуальный характер, зависит от анатомо-биомеханических и физических особенностей ОДА стопы и голеностопного сустава, а также уровня развития скоростно-силовых возможностей испытуемого.
4. Процесс отталкивания осуществляется за счет работы структурных компонентов мышц стопы и голеностопного сустава (в большей степени их упругих структур), которые полностью гасят ударный импульс и осуществляют отталкивание.
5. Контрактильный механизм мышц нижних конечностей во время отталкивания работает в квазиизометрическом режиме.
6. Двигательное действие осуществляется в большей степени за счет «неметаболической» энергии.
Рис. 2. Типичная тензодинамограмма взаимодей ствия с опорой при выполнении отталкивания вверх после спрыгивания с высоты 0,5 м
Анализ процесса взаимодействия с опорой при выполнении отталкивания вверх после спрыгивания с высоты 0,5 м позволил выявить следующие особенности.
В характере работы двигательного аппарата также выделены две фазы (рис. 2):
1) статоуступающего режима работы; 2) стато-преодолевающего режима работы.
Статоуступающая фаза характеризуется вынужденным ударно-амортизационным растяжением структурных компонентов мышц стопы, голени и подключающихся к работе мышц передней поверхности бедра, вследствие чего происходит сближение ОЦМТ с опорой. В этот момент осуществляется частичный переход механической энергии движущегося тела в потенциальную энергию упругой деформации структурных компонентов ОДА. В конце фазы кинетическая энергия уменьшается до нуля (полностью гасится ударный импульс), заканчивается амортизационное сближение ОЦМТ с опорой, а потенциальная энергия упругой деформации мышечных структур нижних конечностей имеет максимальное значение.
В фазе статопреодолевающего режима работы происходит обратный процесс — переход накопленной потенциальной энергии упругой деформации мышечных структур в кинетическую энергию движения ОЦМТ, величина которой не достигает своего значения до начала взаимодействия с опорой [11]. На протяжении 2-й фазы ОЦМТ удаляется от опоры со скоростью, зависящей от мощности процесса отталкивания. Отталкивание носит характер менее упругого взаимодействия ударного характера, процесс осуществляется в большей степени за счет энергии, накопленной при деформации структурных компонентов мышц ног.
Анализ динамической структуры взаимодействия с опорой позволил выделить два характерных пика нарастания силы воздействия — зубцы Р и S (см. рис. 2). Начальное повышение силы воздействия на опору (участок ОР) характеризуется статоуступающим, амортизационным, режимом работы структурных компонентов мышц стопы и голеностопного сустава, первыми вступающих в процесс погашения ударного импульса. При достижении определенной величины силы воздействия на опору (величина зубца Р) происходит ее резкое снижение — отрезок РR. Поиск причин, вызывающих снижение силы, выявил следующий механизм работы ОДА нижних конечностей. Большая величина ударного импульса вынуждает двигательный аппарат ног работать в такой последовательности: во время амортизации контрактильный механизм мышц стопы и голеностопного сустава работает в режиме, близком к изометрическому, упругие компоненты предельно деформируются, гася при этом только часть ударного импульса. Двусуставные мышцы голеностопного сустава сгибают коленный сустав, выводя его из «мертвой зоны» [18] с целью предотвращения удара в колено и подключения к амортизационной работе более крупных мышц передней поверхности бедра (рис. 3).
Рис. 3. Механизм работы двусуставных мышц голеностопного сустава в амортизационном режиме при непроизвольном сгибании колена:
А — постановка ног на опору.
В — максимальная деформация соответствует вершине зубца Р.
С — уменьшение упругой деформации мышц голеностопного сустава, связанное с вынужденным, непроизвольным сгибанием коленного сустава, соответствует резкому снижению силы воздействия на опору (участок РR) и подключение к амортизационной работе мышц бедра (участок RS)
В момент сгибания коленного сустава происходит резкое ослабление (укорочение) упругих элементов икроножной мышцы и вся нагрузка ложится на камбаловидную мышцу, что является одной из причин резкого снижения силы воздействия на опору. В исследовательской практике подобный способ встречается в методе «controlled release», применяемом с целью определения механических характеристик изолированных мышц [6, 8, 24, 25]. Выявленный механизм работы структурных компонентов ОДА нижних конечностей подтверждается их анатомическим строением. Большинство мышц, принимающих участие в сгибании стопы, имеют перистое строение и являются дву- или многосуставными, которые по своей морфологии характеризуются длинными сухожилиями, обладают значительными прослойками труднорастяжимой ткани и могут производить большую работу статического характера. С анатомическим строением коленного сустава связано и появление «мертвой зоны». Дистальная головка бедренной кости имеет характерную разницу радиуса кривизны, по этой причине сгибание коленного сустава до угла 167-169 градусов приводит к подъему ОЦМТ на 8-9 мм. Данная особенность наиболее ярко выражена у парнокопытных животных и имеет название «коленного замка» [3]. Сгибание коленного сустава до указанного угла не приводит к напряжению мышц передней поверхности бедра, что служит еще одной причиной снижения силы воздействия на опору. До момента выведения коленного сустава из «мертвой зоны» напряжение мышц передней поверхности бедра не соответствует требуемому уровню, что не позволяет создавать необходимую жесткость в системе — передавать давление ОЦМТ на опору, что и является главной причиной снижения силы взаимодействия. Момент возникновения жесткого сочленения в коленном суставе — подключение мышц бедра к амортизационной работе — является началом повышения силы взаимодействия с опорой до максимального значения (участок RS).
Следовательно, анатомическое строение и механизм работы мышц стопы и голеностопного сустава, направленный на вынужденное, непроизвольное сгибание коленного сустава, преследуют цель предохранения опорного аппарата от ударных воздействий (удара в колено) и подключения к амортизационной работе (погашения ударного импульса) следующих более крупных структурных компонентов ОДА нижних конечностей — мышц передней поверхности бедра. В рассматриваемом варианте отрезок тензодинамограммы RS связан с работой мышц передней поверхности бедра в амортизационном режиме. Окончание амортизационного сближения ОЦМТ с опорой характеризуется полным погашением ударного импульса и максимальной силой воздействия на опору (точка S). С этого момента начинается процесс движения ОЦМТ вверх, что приводит к уменьшению силы воздействия на опору (отрезок SG).
Анатомическое строение ОДА нижних конечностей и выявленный механизм его работы связаны, по нашему мнению, с эволюционным развитием человека и имеют целью предохранение опорного аппарата от ударных воздействий и минимизацию энерготрат при выполнении локомоторных движений.
Полученные данные позволяют сделать вывод, что отталкивание вверх после спрыгивания с высоты 0,5 м характеризуется как ударное квазиупругое взаимодействие, которому присущи следующие особенности:
1. Двигательный аппарат при взаимодействии с опорой в момент отталкивания работает в двух последовательных режимах: статоуступающем и стато-преодолевающем.
2. К погашению ударного импульса подключаются более крупные мышцы передней поверхности бедра.
3. Наличие большого ударного импульса приводит к непроизвольному, вынужденному включению защитного механизма — сгибанию коленного сустава, на тензодинамограмме обозначенному буквенным комплексом PRS.
4. Динамическая структура взаимодействия с опорой характеризуется двухпиковым повышением силы воздействия на опору (зубцы Р, S) и может быть описана буквенным комплексом OPRSG.
5. Величина зубцов Р и S, временные интервалы: О-Р, P-R, R-S и S-G при их типичности носят индивидуальный характер и зависят от анатомо-биомеханических и физических характеристик, а также уровня развития у испытуемых скоростно-силовых способностей мышц нижних конечностей.
6. Процесс отталкивания в большей степени осуществляется за счет «неметаболической» энергии, накопленной в упругих компонентах мышечных структур.
Рис. 4. Типичная тензодинамограмма взаимодей ствия с опорой при выполнении отталкивания вверх после спрыгивания с высоты 1 м
Исследование процесса взаимодействия с опорой при выполнении отталкивания вверх после спрыгивания с высоты 1 м выявило следующие особенности.
В режиме работы двигательного аппарата выделены три фазы:
1) статоуступающего режима работы;
2) статического режима работы;
3) сократительно-преодолевающего режима работы (рис. 4).
Динамическая структура взаимодействия с опорой в рассматриваемом варианте отталкивания носит более сложный характер (см. рис. 4). Комплекс OPRS имеет аналогичную природу появления, что и при отталкивании после спрыгивания с высоты 0,5 м.
Рис. 5. Механизм работы двусуставных мышц передней поверхности бедра в амортизационном режиме:
А — максимальная величина упругой деформации соответствует максимальной силе воздействия на опору (точка S на рис. 4);
В — уменьшение упругой деформации мышц передней поверхности бедра, связанное со сгибанием в тазобедренном суставе, соответствует снижению силы воздействия на опору (участок ST на рис. 4)
Максимальная сила воздействия на опору, зубец S, ввиду большей предварительной величины кинетической энергии имеет более высокие показатели. Снижение силы с максимальной величины — отрезок ST — связано с тем, что амортизационный режим работы структурных компонентов двигательного аппарата стопы, голени и бедра не смог полностью погасить ударный импульс. И по аналогии с мышцами голеностопного сустава двусуставные мышцы передней поверхности бедра сгибают тазобедренный сустав, тем самым предохраняя его и позвоночный столб от удара и подключая к амортизационной работе еще более крупные мышцы задней поверхности бедра и тазобедренного сустава (рис. 5).
Необходимо отметить, что установленный механизм работы ОДА нижних конечностей в амортизационном режиме напоминает принцип работы пружины (см. рис. 5), который в соответствии с законами теоретической механики является наиболее эффективным вариантом погашения вибрационных и ударных нагрузок, а при обладании определенными физическими свойствами — средством эффективного накопления энергии [4, 5, 9, 12, 13].
Максимальная величина воздействия на опору (зубец S) соответствует максимальному значению энергии упругой деформации структурных компонентов ОДА нижних конечностей. Сгибание в тазобедренном суставе уменьшает упругую деформацию структурных компонентов и снижает возможность использования «неметаболической» энергии в процессе отталкивания. Это связано с анатомическим строением ОДА нижних конечностей. При сгибании в тазобедренном суставе мышцы задней поверхности бедра не могут накапливать энергию упругой деформации при согнутом коленном суставе. Вся нагрузка ложится на большую ягодичную мышцу, которая по своему анатомическому строению не предрасположена к накапливанию энергии упругой деформации (большая, мощная контрактильная часть и очень маленькая фасция): работает в уступающем режиме и рассеивает (демпфирует) механическую энергию [21]. В момент начала работы мышцы в изометрическом режиме сгибание в тазобедренном суставе прекращается и импульс силы движущегося туловища через жесткие сочленения в суставах передается на опору, вызывая повышение силы воздействия, характерное для фазы статического режима работы (участок ТQ). При условии превышения скоростно -силового потенциала сократительного механизма мышц испытуемого (уровня силового воздействия на опору в фазе статического режима работы) возможно увеличение давления на опору в фазе преодолевающего режима работы (увеличение зубца Q) за счет собственного сокращения мышц. Если при статической работе сила воздействия на опору была относительно высокой, то механизм преодолевающего режима осуществляется в большей степени за счет энергии упругой деформации [23].
Таким образом, изучение процесса взаимодействия с опорой при выполнении отталкивания вверх после спрыгивания с высоты 1 м выявило следующее:
1. Работа ОДА характеризуется тремя последовательными режимами: уступающим, статическим и преодолевающим.
2. К погашению ударного импульса подключаются более крупные мышцы задней поверхности бедра и тазобедренного сустава.
3. Наличие ударного импульса опасной величины приводит к непроизвольному, вынужденному включению защитного механизма — сгибанию коленного и тазобедренного суставов, на тензодинамограмме соответственно обозначенных буквенными комплексами PRS и STQ.
3. В динамической структуре взаимодействия с опорой выделены три характерных зубца повышения силы (P, S, Q).
4. Весь процесс взаимодействия с опорой может быть описан буквенным комплексом OPRSTQG.
5. Величина зубцов Р, S и Q, временные интервалы: О-Р, P-R, R-S, S-T, T-Q и Q-G при их типичности носят индивидуальный характер и зависят от анатомо-биомеханических и физических свойств ОДА, уровня развития у испытуемых скоростно-силовых способностей мышц нижних конечностей и организации двигательного действия.
6. Отталкивание носит наименее упругий характер и осуществляется за счет подключения «метаболической» энергии для осуществления двигательного действия.
В соревновательных вариантах рассматриваемого вида отталкивания сохраняются вышеизложенный механизм работы двигательного аппарата и динамическая структура взаимодействия с опорой. Например, при отталкивании в акробатических прыжках после выполнения элементов рондат или фляк (движение спиной вперед) отмечены те же особенности работы ОДА и динамической структуры взаимодействия с опорой (комплекс OPRSG), что и в отталкивании после спрыгивания с высоты 0,5 м (см. рис. 2). Данный механизм работы ОДА и динамическая структура остаются неизменными даже при значительной величине предварительной кинетической энергии. Объясняется это тем, что в момент отталкивания за счет активного движения туловища вверх-назад происходит выпрямление в тазобедренных суставах, что увеличивает упругую деформацию мышц передней поверхности бедра и значительно повышает эффективность (упругость) отталкивания. Данная техника отталкивания исключает появление комплекса STQ, который приводит к уменьшению упругости отталкивания. Подобный механизм работы ОДА встречается и в прыжках в высоту способом «фосбери-флоп». Об эффективности данного варианта взаимодействия с опорой свидетельствуют факты из спортивной практики: наиболее сложные и высокие акробатические прыжки (даже в абсолютном значении) выполняются при поступательном движении спиной вперед. Данный вариант отталкивания в последнее время стал применяться и в опорных прыжках в гимнастике. Все существующие в настоящее время рекорды в прыжках в высоту установлены способом «фосбери-флоп».
Для отталкиваний, выполняемых при движении лицом вперед, характерны работа двигательного аппарата и динамическая структура взаимодействия с опорой, описываемые буквенным комплексом OPRSTQG (см. рис. 4). Данному варианту отталкивания, даже при небольших величинах предварительной кинетической энергии (небольших динамических нагрузках в фазе уступающего режима работы), присущ комплекс STQ. Снижение усилия (ST) происходит вследствие сгибания в тазобедренном суставе, вызванного инерционным движением туловища вперед в момент стопорящей постановки ног (ноги) на опору и совокупной работой двусуставных мышц передней поверхности бедра. Рассматриваемый механизм наиболее ярко проявляется при отталкивании в легкоатлетических прыжках в длину, только в динамической структуре взаимодействия с опорой отсутствует комплекс РR вследствие постановки ноги на всю стопу или даже на пятку (тройной прыжок), что приводит к нарушению механизма работы ОДА в эффективном амортизационном режиме (уменьшению энергии упругой деформации структурных компонентов) и травмированию коленного сустава [1, 2, 21]. Необходимо отметить, что спринтеры, имеющие наиболее высокие результаты, при беге по дистанции отклоняют тело назад, добиваясь тем самым повышения эффективности взаимодействия с опорой (наиболее ярко эта техника проявляется у американского бегуна Майкла Джонсона, 400 м).
Заключение . В исследовании выявлено, что режим работы двигательного аппарата при ударных видах отталкивания, механизм энергообеспечения двигательного действия и динамическая структура взаимодействия с опорой зависят от величины предварительной кинетической энергии и организации двигательного действия в процессе отталкивания. Динамическая структура взаимодействия с опорой типична для каждого варианта ударного вида отталкивания, а ее параметры зависят от целевой установки двигательного действия, организации работы ОДА, анатомо-биомеханических и физических характеристик структурных компонентов двигательного аппарата, а также уровня развития у испытуемых скоростно-силовых способностей.
По причине идентичности динамической структуры взаимодействия с опорой и ее типичности для каждого варианта ударного вида отталкивания можно ввести их буквенную унификацию.
Самый упругий и эффективный вариант взаимодействия с опорой осуществляется без подключения к выполнению двигательного действия (отталкиванию) мышц бедра и может быть охарактеризован буквенным комплексом OSG.
Вариант отталкивания, осуществляемый с участием мышц передней поверхности бедра, характеризуется буквенным комплексом OPRSG.
Наименее упругий вариант отталкивания, при выполнении которого задействованы мышцы задней поверхности бедра и тазобедренного сустава, может быть описан буквенным комплексом OPRSTQG.
Использование унифицированных обозначений (буквенных комплексов), как доказали научная теория и практика [7, 17], намного упрощает и совершенствует процесс тестирования испытуемых, предоставляет возможность подробно охарактеризовать динамическую структуру двигательного действия, дать ему оценку — провести диагностику.
Рекуперация энергии: принцип действия и области применения
В мире, где эффективное использование ресурсов становится все более актуальной задачей, концепция рекуперации энергии приобретает всё большее значение – от возобновляемых систем, способных собирать избыточную солнечную энергию и возвращать ее в сеть, до рекуперативных источников питания в автомобилях, которые предоставляют надежный и экономичный расход электропитания. В этой статье мы попробуем добраться до сути этой фундаментальной концепции, объясняя, почему рекуперация становится ключом к достижению высокой производительности и устойчивости в современных технологических системах.
Что такое рекуперация
Рекуперация – это процесс восстановления или возврата части энергии, которая обычно теряется при выполнении определенной работы или процесса. Термин используется в различных контекстах, но его основное значение связано с восстановлением энергии или ресурсов в технических, инженерных или физических системах. Название термина произошло от латинского слова «recuperare», что означает «восстановление» или «возвращение». Именно это и является основной идеей рекуперации – вернуть утраченную энергию обратно в систему для ее дальнейшего использования.
В повседневной жизни мы постоянно сталкиваемся с потерей энергии, даже не замечая этого. Например, когда тормозим автомобиль, кинетическая энергия, которую он приобрел при движении, просто рассеивается в виде тепла и звука. То же самое происходит и в многих других системах, где используются движение и энергия. Основная идея рекуперации заключается в том, чтобы захватывать и сохранять часть этого теряющегося ресурса, а затем применить ее вновь – это позволит увеличить эффективность систем и, соответственно, снизить расход энергоресурсов.
Как работает система рекуперации
Система рекуперации в двунаправленных источниках питания используется для эффективного управления энергией в месте ее хранения, включая аккумуляторные батареи или суперконденсаторы. Она позволяет переключаться между двумя режимами работы: зарядки и разрядки, а также выполнять их одновременно при необходимости.
В режиме заряда источник энергии (например, солнечные панели или генератор) преобразует доступную энергию в электрический ток и напряжение, затем подает его на двунаправленный источник питания, который преобразует поступающий ресурс в нужный формат для зарядки хранилища (аккумулятора или суперконденсатора). Когда оборудование начинает потреблять больше энергии, чем генерируется в данный момент, двунаправленный ИП может конвертировать энергию из хранилища в электрический ток и напряжение, которое поступает обратно в систему, тем самым уравновешивая баланс.
В некоторых случаях, например, когда есть избыток энергии от источника, а также есть потребность в ней со стороны потребителя, система рекуперации может одновременно выполнять и зарядку, и разрядку – она направляет часть энергии на заряд хранилища и часть на питание потребителя. Системы учитывают потребность в ресурсе, состояние батарей, качество сигнала (если это связано с коммуникациями), и многое другое, чтобы определить, когда и как лучше всего использовать сохраненную энергию.
Источник питания с рекуперацией энергии
Современный рынок располагает передовыми источниками питания, оснащенными системой рекуперации энергии. Одним из таких является продукт серии IT6000B, произведенный компанией «Itech». Рассмотрим возможности рекуперативных ИП на примере данной модели.
Используя передовую технологию SiC, данная модель может использоваться не только как автономный двунаправленный источник питания, но и как независимая рекуперативная электронная нагрузка, поглощающая потребляемую энергию и отдающая ее обратно в сеть питания. ИП обладает стандартной двухквадрантной функциональностью и обеспечивает 7 спецификаций напряжения, вплоть до 2250 В, поддерживая параллельную работу в режиме «главный-ведомый» (от англ. Master/Slave) с равномерным распределением тока до 2 МВт. Встроенный генератор поддерживает генерацию сигналов произвольной формы, а также импорт LIST-файлов через USB.
Приборы имеют функциональную кнопку на панели для удобного управления двумя квадрантами: либо как двунаправленный программируемый источник питания постоянного тока, либо как электронная нагрузка постоянного тока с функцией рекуперации. ИП может быстро и непрерывно переключаться между режимами источника и стока, что позволяет эффективно избегать перегрузки напряжения/тока. В связи с этим устройство часто применяется для тестирования батарей, оборудования для упаковки элементов, плат защиты батарей и так далее.
Результативность преобразования может достигать 95%, что не только значительно снижает затраты на электроэнергию, но и позволяет избежать использования кондиционеров или дорогостоящих систем охлаждения. Помимо высокой стоимости электричества, при его производстве выделяется большое количество углекислого газа, диоксида серы, оксидов азота и других парниковых или вредных газов, наносящих вред окружающей среде. Благо, современные приборы располагают противодействующими возможностями для снижения этого пагубного воздействия.
Функция приоритета режимов стабилизации CC/CV удовлетворяет требования предотвращения перегрузки и обеспечения максимального тока, а также может сделать испытания более гибкими. В связи с этим прибор подходит для тестирования мощных интегральных схем, зарядки и разрядки, а также моделирования переходных процессов в автомобильной электронике
Пользователи могут использовать программное обеспечение для вывода, измерения и отображения максимальной мощности и отслеживания состояния сетевых фотоэлектрических инверторов в режиме реального времени, записывая и сохраняя эти значения. Также возможно моделировать различные кривые, тестировать статические и динамические характеристики MPPT и генерировать соответствующие отчеты.
Применение рекуперативного источника питания
Семейство двунаправленных рекуперативных систем питания обладает отличными характеристиками, широко применяемыми в мощных аккумуляторах, автомобильной электронике, возобновляемой «зеленой» энергетике, высокоскоростных испытаниях, информационных центрах и серверных комнатах, а также других возможных отраслях, требующих увеличения эффективности генерации и распределения энергии.
АКБ высокой мощности
Рекуперативные источники питания с высокой мощностью представляют собой инновационные устройства, спроектированные для обеспечения стабильного и эффективного электропитания в ситуациях, где потребность в выходной мощности высока и критически важна. Рассмотрим наиболее востребованные варианты применения таких приборов:
- Телекоммуникационные станции – сотовые базовые станции и другое оборудование в телекоммуникационной инфраструктуре требуют постоянного питания для предоставления связи при любых условиях. АКБ высокой мощности дают возможность сохранять энергию, например, при снижении ее потребления в ночное время суток, и затем использовать ее в периоды своей повышенной активности, снижая нагрузку на сеть и увеличивая надежность связи;
- Энергетические системы солнечных и ветровых установок – в возобновляемой энергетике важность наличия мощного рекуперативного прибора является основополагающей, поскольку он сохраняет избыточную энергию, произведенную в периоды высокой активности ветра или солнечного света, и используют ее в моменты острой нехватки;
- Промышленные системы автоматизации и аварийного питания – в промышленности такие устройства нужны для формирования непрерывности работы автоматических систем и оборудования, что имеет критическое значение для безопасности и повышения КПД. В случае сбоев основного электроснабжения, источники обеспечивают плавное переключение на батарейное питание;
- Электрические и гибридные автомобили – аккумуляторные батареи могут собирать и восстанавливать часть энергии, которая обычно теряется при торможении, и затем использовать ее для увеличения заряда батареи и, соответственно, продолжительности поездки.
Автомобильная электроника
Современные автомобили являются настоящими технологическими инновациями, оборудованными множеством электронных систем, которые обеспечивают безопасность, комфорт и эффективность вождения. Так, рекуперативные источники питания играют важную роль в формировании правильной работы этих систем в автомобилях. Давайте рассмотрим, как эти приборы применяются в автомобильной электронике:
- Системы старта-стоп – предназначены для автоматического выключения двигателя в случае остановки (например, на светофоре) и его моментального включения при нажатии на педаль акселератора. Рекуперативный ИП сохраняют энергию, обычно расходуемую на пуск двигателя, и затем используют ее для питания других электронных систем в автомобиле, чтобы сэкономить топливо и снизить выбросы вредных веществ в городских условиях;
- Рекуперация энергии при торможении – многие современные автомобили оснащены рекуперативными системами, которые преобразуют кинетическую энергию, создаваемую при торможении, в электрическую. Такие ИП накапливают ее для зарядки аккумуляторов, питания систем электроники или других электронных устройств в автомобиле, тем самым увеличивая эффективность использования энергии и снижая расход ресурсов;
- Системы безопасности и информационно-развлекательные системы – антиблокировочная система тормозов (ABS), системы управления устойчивостью (ESP) и подушки безопасности требуют надежного источника питания. Рекуперативные устройства, в свою очередь, дают непрерывное питание этих систем даже при изменяющихся условиях работы двигателя;
- Системы информационно-развлекательного центра – современные автомобили также оснащены разнообразными навигационными и мультимедийными системами, а также сенсорными экранами, стабильное и бесперебойное питание которых осуществляется посредством применения ИП с рекуперацией энергии.
Возобновляемая энергетика
Солнечные и ветровые установки задействуют метод рекуперации для улучшения эффективности своей работы, что особенно практично в периоды нехватки солнечного света и ветра. Рассмотрим, как рекуперативные источники питания используются в возобновляемой энергетике.
- Сбор и хранение избыточной энергии – солнечные и ветровые установки генерируют избыточную энергию в периоды своей высокой активности (солнечный день или ветренная погода). Рекуперативные источники питания предназначены для сохранения этой энергии, которая в противном случае была бы утрачена;
- Поддержка непрерывной поставки энергии – приборы РИП осуществляют непрерывную поставку электроэнергии даже при временной остановке ее генерации. В моменты, когда солнце скрыто за облаками или ветер ослаб, аккумулированная энергия может быть мгновенно возвращена в сеть, чтобы поддерживать нормальное энергоснабжение;
- Сглаживание пиков и спадов нагрузки – периоды наивысшей потребности в электроэнергии требуют задействование аккумулированной энергии, благодаря чему повышается стабильность работы всей системы, а также исключается формирование перегрузок или нехватки ресурса.
Поставщик источников питания
Компания «Итера» занимается поставкой научного-исследовательского и контурно-измерительного оборудования, располагая широким ассортиментом двунаправленных источников питания с рекуперацией энергии, среди которых IT6005B-80-150, IT6006B-300-75, IT6006B-500-40 и другие модели производства «Itech». Всех их объединяет идеальное сочетание мощности и эффективности (с рекуперацией энергии на уровне 95%), обеспечивающее бесперебойное электропитание для вашего оборудования.
Приборы подойдут как для научных и исследовательских целей, где требуется высокая точность и надежность наряду с непоколебимой стабильностью напряжения и тока, так и для промышленных объектов, предполагающих интеграцию с сетью питания и возможностью управления распределением энергии. Представленные модели обладают необходимым интеллектуальными функциями, которые оптимизируют энергопотребление и экономят ваши ресурсы, при этом являются весьма компактными при своей высокой производительности.
Заключение
Рекуперация энергии – это инновационный подход к оптимизации энергетических систем, позволяющий не только эффективно использовать ресурсы, но и улучшить надежность и устойчивость работы различных устройств и систем, при этом открывая новые горизонты для снижения негативного воздействия на окружающую среду. Рекуперативные источники питания дают возможность собирать и снова пускать в работу энергию, которая ранее терялась или просто не использовалась – они снижают ее потери энергии, сглаживают колебания в энергоснабжении и улучшают КПД энергетических систем.
Рубрики
Рекуперация энергии в сеть
На протяжении долгого времени, излишнюю энергию, накопленную в преобразователях частоты (ПЧ) при торможении ими асинхронных двигателей с высокоинерционной нагрузкой (ПТО, нагрузочные стенды, электротранспорт, намотчики, центрифуги и т.д.), рассеивали на специальных тормозных резисторах. Это было крайне необходимо для ограничения уровня напряжения на шинах постоянного тока преобразователей при работе в этих режимах. В противном случае, отказ от использования тормозных резисторов грозил бы выходом преобразователей частоты из строя или невозможностью задания необходимых временных рамп разгона и торможения управляемых механизмов.
Рекуперация энергии в сеть
На протяжении долгого времени, излишнюю энергию, накопленную в преобразователях частоты (ПЧ) при торможении ими асинхронных двигателей с высокоинерционной нагрузкой (ПТО, нагрузочные стенды, электротранспорт, намотчики, центрифуги и т.д.), рассеивали на специальных тормозных резисторах. Это было крайне необходимо для ограничения уровня напряжения на шинах постоянного тока преобразователей при работе в этих режимах. В противном случае, отказ от использования тормозных резисторов грозил бы выходом преобразователей частоты из строя или невозможностью задания необходимых временных рамп разгона и торможения управляемых механизмов.
Применение тормозных резисторов не сильно влияет на стоимость оборудования систем, однако, влечет за собой ряд определенных неудобств при их проектировании и эксплуатации, а именно: большие габариты тормозных резисторов, разогрев поверхности тормозных резисторов до температуры 100°С и выше, обязательная защита резисторов от попадания пыли и влаги и т.д. Но, самым неприятным в этом случае является то, что излишняя энергия преобразуется в ненужное тепло, за которое предприятие платит деньги. В теплое время года, когда температура в помещениях с технологическим оборудованием и так достаточно высокая, тормозные резисторы, подключенные к ПЧ, способствуют еще большему ее повышению. Это значит, что крайне необходима дополнительная вентиляция помещений или даже их кондиционирование, а это опять дополнительные затраты. Но, ведь можно не рассеивать излишнюю энергию на резисторы, а возвращать ее обратно в питающую сеть, обеспечивая экономию дорогостоящих энергоресурсов. Для этого используются системы рекуперации энергии.
Фактически доказано, что современные преобразователи частоты позволяют значительно сократить энергопотребление оборудования и оптимизировать различные технологические процессы, что в свою очередь ведет к экономии сырья и других ресурсов, а так же способствует улучшения качества конечного продукта. Но, с заменой систем частотного регулирования с использованием тормозных резисторов на системы с использованием рекуперации энергии в сеть, появилась возможность дополнительной экономии. Теперь, энергию, возникающую при торможении двигателей можно возвращать в питающую сеть, осуществляя полную корректировку ее параметров в соответствии с параметрами сети. Ведущие производители промышленного оборудования и механизмов уже широко применяют такие системы, такие системы нашли применение в электротранспорте (электропоезда, трамваи, троллейбусы, эскалаторы).
Немного физики. Для того чтобы накопленную мощность можно было возвращать в источник переменного тока, в качестве входного выпрямителя привода рекуперации используются преобразователи с ШИМ источником напряжения. Теперь поток мощности переменного тока может течь в любую сторону, током можно управлять и получить почти единичный коэффициент мощности. В случае работы преобразователя частоты в режиме рекуперации, каскад IGBT транзисторов (используемый в моторном приводе в качестве выходного каскада) работает как синусоидальный выпрямитель, преобразующий переменный ток в постоянное напряжение для питания системы. При интенсивном торможении двигателя и, как следствие, превышении напряжения на звене постоянного тока преобразователя частоты выше определенного уровня, каскад IGBT транзисторов ПЧ генерирует ШИМ — сигнал в сторону сети. Разница напряжений между фазным напряжением ШИМ и сетевым напряжением питания прикладывается к индуктивностям (индуктору рекуперации). Это напряжение содержит много высокочастотных гармоник, которые блокируются индуктивностью и на выходе ПЧ получается синусоидальный ток с малой примесью высших гармоник. Для синхронизации привода рекуперации с сетью не требуется дополнительного оборудования. Определение частоты и угла вектора сетевого напряжения происходит за счет подачи ШИМ — модулятором трех специальных тестирующих импульсов в питающую сеть.
Одним из проверенных и эффективных решений по рекуперации энергии является применение частотных преобразователей Unidrive SP фирмы Control Techniques. Примеры их использования можно увидеть на стендах динамических испытаний автомобилей многих автомобильных заводов (Nissan, Ford, Lamborghini и др.), в металлургии, на эскалаторах, кранах, и т.д. Конфигурация такой системы может иметь несколько видов, но суть ее сводится к одному — организовать двунаправленный поток энергии в источник переменного электропитания и из него. При определении мощностей/ номиналов компонентов системы рекуперации нужно учитывать следующие факторы:
1. Изменение уровня сетевого напряжения
2. Номинальные ток двигателя, напряжение, коэффициент мощности
3. Максимальную мощность нагрузки и условия перегрузки
4. Потери в приводах и других компонентах
На рис.1 представлена общая схема система рекуперации при использовании одного моторного привода и одного привода рекуперации. Как правило, для такой системы моторный привод и привод рекуперации имеют одинаковые номиналы. Однако, при детальном расчете может выясниться, что характер нагрузки подразумевает работу моторного привода с перегрузкой, если при этом напряжение питания привода рекуперации находится на нижнем пределе, то он может не покрыть мощность выделяемую моторным приводом и потери в системе. Тогда необходимо использовать привод рекуперации большего номинала.
Рис.1 Система с одним приводом рекуперации и одним моторным приводом
На рис.2 представлена общая схема система рекуперации при использовании нескольких моторных приводов и одного привода рекуперации. В таких многоприводных конфигурациях привод рекуперации выбирается таким образом, чтобы выдать суммарную мощность всех моторных приводов, учитывая потери, включая собственные. В этом случае, конечно, нужно учитывать характер нагрузки для каждого моторного привода индивидуально, ведь возможен вариант одновременного торможения всех двигателей системы.
Рис.2 Система с одним приводом рекуперации и несколькими моторными приводами
При включении системы с несколькими приводами, объединенными по шине постоянного тока, необходимо ограничивать пусковой ток, поскольку электролитические конденсаторы в звене постоянного тока преобразователей частоты имеют малое сопротивление. Для этого применяется тиристорный выпрямительный модуль SPMC, который подключается контактором для заряда конденсаторов объединенной шины постоянного тока преобразвателей. После обеспечения плавного заряда шины до номинального напряжения, выпрямительный модуль SPMC отключается.
Как видно, система рекуперации предлагаемая Control Techniques может иметь различные конфигурации и может быть спроектирована индивидуально под конкретное применение.
По всем вопросам, касательно данного применения обращайтесь в ООО «Драйвика» по тел. 8 (812) 635 90 30 или Email: support@driveka.ru