⬛️ 👵🏽 🏏 كما فعلنا BelAZ. الجزء 1

ربما يعلم الجميع أن شاحنات التعدين الكبيرة لديها ناقل حركة كهروميكانيكي (منذ عام 1968): يقوم ICE بتدوير مولد ، الطاقة التي يتم من خلالها تشغيل محركات الجر في العجلات الخلفية للشاحنة القلابة. على الإنترنت ، يمكنك العثور على العديد من مقالات المراجعة و "محركات الاختبار" لهذه الأجهزة ، ولكن عادةً ما يتم حذف العديد من التفاصيل الفنية. سيتم كتابة هذه السلسلة من المقالات من الداخل إلى الخارج ، نيابة عن مطوري ناقل الحركة الكهربائية: كيف طورناها ، وعلى أي وحدات تحكم ، وعلى أي محركات ، وكيفية تصحيح وبدء تشغيل السيارة. نحن أيضًا على استعداد للإجابة على أسئلتك في التعليقات. مثيرة للاهتمام؟ مرحبا بكم في القطط.

لماذا الكهربائية؟

انخرطنا في آلة بقدرة رفع 90 طن. ليس الأكبر (يوجد 450 طنا) ولكن ليس الأصغر (يوجد 30 طنا). لماذا تفعل شاحنات التفريغ هذه ناقل حركة كهروميكانيكي ، ولكن ليس مع ناقل ميكانيكي؟ اتضح أنه مع زيادة القوة ، أصبح من الصعب أكثر فأكثر صنع الميكانيكا والهيدروليكيات بحيث تكون موثوقة وبسيطة وذات كفاءة جيدة. هناك مشاكل في التخطيط.

بالإضافة إلى ذلك ، مع زيادة الكتلة ، أصبحت مشكلة الفرامل أكثر حدة. في النقل الكهربائي ، من السهل جدًا تبديد طاقة الكبح في مقاومات المكابح وتفجير الحرارة بالمراوح. إذا تم كبحها على شاحنة قلابة كهذه بفرامل ميكانيكية ، فسيكون هناك 500 متر من الفرامل ، وبما أن السيارات تعمل في مناجم مكشوفة ذات نزل طويلة ، فإن مشكلة الكبح شديدة للغاية فيها. وبالتالي ، فإن الكهربائي (كما سأدعو لفترة وجيزة النقل الكهروميكانيكي) "في نفس الوقت" يحل أيضًا مشكلة المكابح.

كتلة 90 طنًا انتقالية إلى حد ما - لا يزال بعض الشركات المصنعة تصنع آلات من هذه الكتلة على ناقل هيدروليكي ، وبعضها ، مثل BelAZ ، موجود بالفعل على ناقل كهربائي. الكتلة الأكبر هي بالتأكيد للكهربائي ، في حين أن الآلات الأصغر لا تزال للميكانيكيين (الهيدروليكية).

كل شيء تم اختراعه بالفعل أمامنا ويعمل منذ فترة طويلة. لماذا تفعل المزيد؟

BelAZ - (مصنع السيارات البيلاروسي) ينتج شاحنات تفريغ ، لكنه غالبًا ما يشتري مكونات مثل الديزل والإرسال الكهربائي من المنظمات الأخرى. من المفيد لشركة BelAZ أن يكون لديها العديد من موردي المعدات من أجل تحفيز المنافسة ، وتجربة حلول التصميم الجديدة والحصول على تأمين في حالة فشل توريد أحد الشركات المصنعة.

الآن العديد من الشركات تنتج بالفعل الإرسال الكهربائي ل BelAZs ، مثل سيمنز (ألمانيا) ، جنرال موتورز (الولايات المتحدة الأمريكية) ، مصنع Electrosila لفرع من آلات الطاقة OJSC (روسيا) ، الشركات المصنعة مثل ODO STRIM (روسيا البيضاء) تحاول أيديهم ، Ruselprom (روسيا) و ... "نحن".

نحن اتحاد لعدة شركات في هذا المشروع بقيادة PTFK ZTEO CJSC ، وهو مصنع معدات النقل يقع في نابريجناي تشلني. في هذا المصنع ، يتم تصنيع واختبار المحركات الكهربائية ومولد ناقل الحركة لدينا ، وتصنع محولات الطاقة والبرمجيات من قبل شركات موسكو NPP TsIKL + و NPF VECTOR ، وقد تم تصميم محركات الجر في جامعة MPEI .

نظرًا لأن لدينا خبرة في تطوير الإرسال الكهربائي للمركبات الأخرى ، فقد تم اتخاذ قرار وإبرام اتفاقيات لإجراء عمليات نقل كهربائية لـ BelAZ. كانت الترتيبات مع الشركة المصنعة للشاحنات القلابة بسيطة: اجعل ناقل الحركة الخاص بك على جهاز واحد. إذا ذهبت ولم تنفجر العملية ، فسوف يشترون منا مرة أخرى. إذا لم يكن الأمر كذلك ، فلن يتم دفع تكاليف تطوير وتصنيع هذه المعدات. قررنا ما يجب القيام به.

لذلك ولدت الشاحنة القلابة بمجموعتنا من معدات الجر الكهربائية (KTEO). في الوقت نفسه ، تم تثبيت الإصدار الأول من معداتنا على شاحنة تفريغ BU كجزء من الإصلاح الشامل. تمت إزالة ناقل الحركة الكهربائي القديم منه "لقطع الغيار" ، وتم تركيب ناقلنا الجديد هناك. جميع عمليات الاستبدال والأسلاك ، والالتحام بالمعدات الحالية للشاحنة القلابة وإنهاء البرنامج إلى الفروق الدقيقة لآلة معينة - على نفقة المقاول.

كيف يتم ترتيب انتقال BelAZ الكهروميكانيكية

أولا ، بعض المصطلحات. هل يمكن اعتبار شاحنة التفريغ هذه هجينة؟ لديه أيضا محرك ديزل ومحركات كهربائية. لذا ، وفقًا لويكيبيديا ، السيارة الهجينة هي سيارة تستخدم أكثر من مصدر طاقة واحد لدفع عجلات القيادة. في هذه الحالة ، هناك مصدر واحد فقط للطاقة ، ICE ، وهذه السيارة ليست هجينة رسميًا.

من ناحية أخرى ، تقول ويكيبيديا باللغة الإنجليزية أن الهجينة هي قطارات ديزل وغواصات ، والتي تستخدم نفس المخطط مع محرك ديزل يدور مولدًا. ومع ذلك ، يمكن تشغيل القطار ، بالإضافة إلى محرك الديزل ، من مصدر طاقة خارجي (سلك تلامس) ، ومن ثم يحصل رسميًا على مصدرين للطاقة. والغواصة تحتوي على بطارية.
لذلك ، يقترح عدم الدخول في البحث عن معنى عميق فيما يتعلق بهذا المصطلح والمضي قدما.

إذا نسينا أنه لا توجد بطارية في شاحنة التفريغ هذه ، فإن مخطط ناقل الحركة الكهروميكانيكية يتوافق مع هجين تسلسلي: يقوم ICE بتدوير المولد ، ثم يتم نقل الطاقة إلكترونيًا. وهناك هجينة متوازية ، حيث توجد طريقة ميكانيكية لنقل الطاقة إلى العجلات والكهرباء (على سبيل المثال ، تويوتا بريوس ، لكزس RX450h وغيرها).

من السهل القيام بالهجين التسلسلي ، حيث يتم استبعاد الميكانيكا ، ولكن في نفس الوقت ، يتم تقليل قدرة الماكينة على البقاء نظريًا ، حيث لا يوجد تيار نقل طاقة "احتياطي" في حالة فشل واحد. على الرغم من أن النقطة الأخيرة مثيرة للجدل ، لأن الهجين التسلسلي أبسط من نظيره الموازي بحيث أن الانخفاض الكبير في عدد الأجزاء والقضاء على المكونات المعقدة يجعل هذه الآلات موثوقة للغاية.

يختلف هيكل الإرسال الكهربائي لشاحنات التعدين. تاريخياً ، كانت تعتمد على محركات التيار المستمر ، ومن الغريب أن هذا النوع من الإرسال لا يزال قيد الإنتاج . ومع ذلك ، في العقود الأخيرة ، كان هناك انتقال هائل إلى محركات التيار المتردد مع محولات التردد بسبب الموثوقية الكلية الأكبر وعدم الحاجة إلى خدمة مشعب المحرك. وبالتالي ، يمكن تمثيل الهيكل النموذجي للجر الكهربائي المتناوب للشاحنة القلابة على النحو التالي:

يقوم ICE بتدوير مولد يولد الكهرباء. عادة ما يعتمد المولد إما على آلة متزامنة أو غير متزامنة (اقرأ المزيد عن أنواع الآلات الكهربائية في هذه المقالة ). بعد المولد ، يوجد محول ، مما يجعل ثابتًا من تيار المولد.

إذا كان المولد متزامنًا ، فإن المحول هو مقوم عادي (في كثير من الأحيان يتم إنشاء مولد متعدد المراحل ومعدل لتقليل تموج الجهد المصحح). أيضًا في هذا المحول ، توجد وحدة تحكم في العامل الممرض ، والتي تنظم التيار في لف الإثارة للمولد وبالتالي تتكيف مع سرعات المحرك المختلفة والطاقة التي تمت إزالتها. في الواقع ، مثل هذا المثير هو نصف جسر من ترانزستورات IGBT مع نظام تحكم. يجب أن أقول أيضًا أن هناك مولدات بمغناطيس دائم لا يوجد فيها ملف ميداني ، ولكنها عادة ما تكون باهظة التكلفة لهذه السعات والأحجام.

إذا تم تصنيع المولد على أساس آلة غير متزامنة ، فإن المحول أكثر تعقيدًا بكثير ، أي أنه يتكون من عاكس كامل ويعمل في وضع التحكم في المتجهات (اقرأ عن المقالات مرة ومرتين حول التحكم في المتجهات).

بعد محول المولد ، يتم توفير الطاقة لناقل DC. تبلغ قوة محرك الاحتراق الداخلي لشاحنة التفريغ التي تزن 90 طنًا 700-800 كيلو واط ، ولهذه القيمة في المستوى الحالي لتطوير الترانزستورات IGBT ، يكون الجهد الأمثل حوالي 800-1000 فولت على حافلة DC. مع الجهد المنخفض ، يتم الحصول على تيارات عالية جدًا (وكلما زاد التيار ، زادت سماكة الأسلاك والتدفئة والخسائر) ، وبجهد أعلى ، تصبح الترانزستورات مكلفة للغاية وبطيئة من حيث تردد التحويل.

ثم يتم تزويد جهد التيار المستمر لمحولات المحركات الكهربائية الجر (TED) ، والتي هي محولات ، مثل تلك المستخدمة في محولات التردد التقليدية. تعتمد ميزات التصميم للمحولات بشكل مباشر على نوع محرك الجر المستخدم. هناك أيضًا العديد من الخيارات: محرك غير متزامن ، متزامن ، محث الصمام (من أنواع مختلفة). لمزيد من المعلومات حول فهم الاختلاف بين المحركات ، أشير مرة أخرى إلى هذه المقالة .

في هذا المشروع ، استخدمنا محرك الحث الاستقرائي مع الإثارة المستقلة. أساسا لأنه مع هذه الآلات لدينا المزيد من الخبرة المتراكمة ، وتصميم "تراكم" والبرمجيات المكتوبة. بالإضافة إلى ذلك ، هذا النوع من المحركات يتحمل الحمل الزائد لعزم الدوران مقارنة مع غير المتزامن ، وهو أمر مهم لمعدات التعدين. من الناحية الهيكلية ، يتم تثبيت المحركات مباشرة على العجلات الخلفية للشاحنة القلابة ، حيث يتصل بها علبة تروس العجلات أيضًا.

يتم استخدام كتلة مقاومات المكابح لتبديد طاقة الكبح في الماكينة في الحرارة. نظرًا لأن طاقة "التصريف" في الحرارة تحتاج أيضًا إلى التنظيم ، يتم وضع محول مناسب أمام مقاومات الكبح. عادة ما يتم تصنيعه وفقًا لأبسط مخطط في شكل رف ترانزستور واحد لكل مقاوم متصل ، حيث يتم التحكم في الطاقة التي تتبدد في المقاوم بواسطة دورة عمل PWM لهذا الترانزستور. نظرًا لراحة التصميم والسلامة في الماكينة 90 طنًا ، يتم تصنيع قناتين منفصلتين للمقاومات.

بالطبع ، يطرح الجميع على الفور السؤال ، لماذا لا تضع البطارية وتراكم طاقة الكبح ، ثم تنفقها؟ السؤال جيد. من وجهة نظر تحويل الطاقة ، لا توجد مشكلة في القيام بذلك. ولكن في واقعنا ، فإن البطاريات لهذه الطاقة باهظة الثمن ولطيفة (درجات حرارة التشغيل من BelAZs من -50 ، فمن الضروري حل مشكلة التدفئة). وفي الأعمال المهنية ، تعتبر الآلات قابلة للاستهلاك ، والشيء الرئيسي هو تحقيق الخطة وعدم إيقاف عملية الإنتاج. إن الموثوقية والبساطة وقابلية الصيانة للماكينة تقدم كفاءة استهلاك الوقود.

بالإضافة إلى ذلك ، عادة ما تكون السيارة المحملة شاقة في المحجر وتذهب فارغة مرة أخرى ، وبالتالي فإن الطاقة التي تنفق في الارتفاع أكبر بكثير مع تبديد الطاقة في المقاومات أثناء الهبوط ، هناك الكثير يمكن اكتسابه (مع مراعاة كفاءة القيادة). حتى الأوروبيين الاقتصاديين يحاولون فقط استبدال الديزل بالبطاريات في مثل هذه السيارات.

ومع ذلك ، دعنا نحسب

لدينا سجلات للتشغيل الفعلي للشاحنة القلابة في المحجر. لنأخذ السيارة مرة واحدة لأعلى ولأسفل ونحسب الطاقة التي ينتجها المولد (أي الديزل) والتي تتبدد في مقاومات الكبح. يستغرق المشي الواحد في الحركة 10 دقائق ، بما في ذلك الصعود والتفريغ والنزول. حسنًا ، ثم حوالي 5 دقائق ، لا يزال ينتظر في الطابور للحفار والتحميل. في السجلات ، يبدو كما يلي:

هنا على الرسم البياني العلوي توجد سرعات وتيارات الدوران لمحركات الجر (الأصفر والأرجواني ، على التوالي) ، وبالقدرة المنخفضة للمولد ومقاومات الفرامل (الأزرق والأحمر). أعد حفظ السجل في شكل نقاط وبناء نفس الشيء في إكسيل:

دمج الآن بمرور الوقت للحصول على الطاقة:

اتضح أن 280 ميجا جول من الطاقة تنفق على المشي ، وتبدد في المقاومات عند نزول 75 ميجا جول. نعم ، يمكن توفير ربع الطاقة عن طريق الاسترداد.

دعونا نقدر البطارية لتهجين BelAZ وتوفير هذه الطاقة على الهبوط. تحتوي تسلا على بطارية 85kWh ، وهي 306MJ من الطاقة. سيكون هذا كافياً لسقوط أطول أربع مرات (ولكن يجب أن أقول أن محجرنا كان ضحلًا جدًا ، وبشكل عام هناك تلك التي تقود فيها السيارات لمدة نصف ساعة أو أكثر). هنا فقط ، لن تمر البطارية بتيار الشحن - كما يمكن رؤيته من الرسم البياني للطاقة ، يجب أن يتم شحنه بقوة ذروة ميغاوات (في بعض الأماكن) ، أو بمتوسط طاقة عند نزول 250 كيلووات (إذا كان يوفر بطريقة ما فرملة موحدة). إذا لم تشارك في قتل البطارية بشكل صريح وشحنها بتيار لا يزيد عن 1 درجة مئوية ( لقد أخذت التكوين التقريبي للبطارية من هنا ) ، فعندئذٍ لقبول الطاقة 250 كيلووات ، فأنت بحاجة إلى 6-8 مثل هذه البطاريات ، أي 510 كيلوواط * ساعة ، والتي تعطي كتلة البطاريات شيئًا مثل 3 أطنان. بالنسبة لشاحنة وزنها 90 طنًا ، ليس هناك الكثير حقًا.

على الرغم من أنه يمكنك التكهن في هذا المكان والقول أن Tesla Supercharger يشحن بطاريات بقوة 120 كيلو وات ولا شيء ، وسيزيد نوعًا ما من الطاقة. وتبطئ تسلا نفسها بقوة كبيرة (وإن كان ذلك لفترة قصيرة جدًا). في هذه الحالة ، ربما تكون بطارية تسلا واحدة كافية ، ولا يوجد شيء يتحلل بعنف من تيار شحن كبير (أنا لست متخصصًا في كيمياء البطارية). بالإضافة إلى ذلك ، عند الشحن بتيار ، على سبيل المثال ، 3C ، فإن البطارية تتمتع بالفعل بكفاءة منخفضة بشكل ملحوظ ، وغالبًا ما يكفي من ما يمكننا توفيره في الاسترداد ، ستدخل في تسخين البطارية ، وستظهر مشكلات التبريد. لكن حقيقة أن البطاريات لا تزال بحاجة إلى المزيد موضحة في الفقرة التالية.

دعونا نحسب عمر البطارية. يقول السائقون إن لديهم الوقت لعمل حوالي 20 مشيًا لكل نوبة ، وبما أن الماكينة تعمل على مدار الساعة ، فلنأخذ 60 مشيًا في اليوم. هذا هو 60 * 75MJ من الطاقة التي يتم ضخها ذهابًا وإيابًا من البطارية أو حوالي 0.4 دورة شحن / تفريغ لست بطاريات في اليوم. إذا أخذنا سيناريو عمر البطارية 500 دورة ، فهذا أقل من ثلاث سنوات من التشغيل ويمكن التخلص من البطارية. تكلف بطارية تسلا واحدة أكثر من مليون روبل ، وسنضع 6 منها.

يبقى لحساب تكلفة الاستلقاء تحت أشعة الشمس ، والتي يتم حرقها عبثا. على الرغم من أن وحدة التحكم في الديزل ترسل استهلاكًا فوريًا للوقود في بيانات CAN ، إلا أنه يمكن دمجها أيضًا ، لكنني لا أعتقد حقًا هذه البيانات وأقترح استخدام مؤشرات محددة. ويترتب على هذا المقال أن 200 جرام من الوقود تنفق على إنتاج كيلوواط / ساعة من الكهرباء. نحن ننفق 60 * 75 ميجا جول "في نفخ المقاومات" في اليوم الواحد. ومع ذلك ، لا تتسرع في التكاثر: لا يمكن توفير كل هذه الطاقة. تبلغ كفاءة بطارية الليثيوم عند تيار شحن / تفريغ 1C تقريبًا 0.8-0.9 (قيمة أكبر لـ LiFePO4) ، كما أن كفاءة المحول تبلغ أيضًا حوالي 0.95 ، مما يعني أنه من الجيد إذا استطعنا إرجاع الطاقة عند 60 * 75 * 0.9 * 0.95 * 0.95 = 3655 ميجا جول من الطاقة وليس إنفاق أحواض شمسية مكافئة. قمت بتعيين كفاءة محول DCDC ثنائي الاتجاه (الذي يحول الطاقة من حافلة كيلوفولت القفز في السيارة إلى البطارية والعكس بالعكس) مرتين ، حيث يحتاجون إلى الشحن أولاً ثم تفريغ البطارية. الآن نضرب: 3655 * 0.2 / (60 * 60) * 1000 = 203 كيلوغرام من الوقود ، أو 240 لترًا ، أو 11 لترًا. يوميا لتدفئة الرياح من المقاومات. لمدة ثلاث سنوات ، يبلغ 12 مليون روبل. مع سعر بطارية حوالي 7 مليون

أيضًا ، لا تزال تكلفة البطاريات بحاجة إلى إضافتها لصيانتها واستبدال الخلايا المعيبة (آلة بسيطة لهذا الوقت) ، هناك حاجة إلى محول شحن (بالإضافة إلى مليون ، على الأرجح). ليس من الحقيقة أيضًا أنه في الشتاء ستكون البطاريات سعيدة مع تيار الشحن 1C ، ستحتاج إلى تسخينها أو تقييدها بطريقة ما بواسطة تيار الشحن ، وفي الصيف يجب أيضًا تبريدها جيدًا.

بالإضافة إلى ذلك ، لم يتم حساب الخسائر الناتجة عن تحميل الجهاز لهذه الأطنان الثلاثة من كتلة البطارية وطاقة نقلها لأعلى ولأسفل.

تتضمن إيجابيات البطاريات حقيقة أنه عند الرفع ستضيف قوة إلى العجلات ، وبالتالي زيادة أداء الماكينة.

بشكل عام ، يبدو أن هناك بعض الفوائد من البطاريات ، ولكن ليس بشكل درامي لتشغيلها على وجه السرعة. كل هذا يتوقف على عدد الدورات التي سيعيشونها في ظل هذه الظروف ، ولا أحد يعرف على وجه اليقين.

يمكنك أيضًا استدعاء المكثفات الفائقة. ولكن معهم ، حدث شيء سيئ تمامًا. أخذت أول ما جاء من حديث أكثر أو أقل. تجميع واحد 125V 63F ، 60 كجم ، 600 لتر نحتاج إلى نزول قصير مثل 75MJ ، مما يعني 150 قطعة: هذا هو 9 أطنان من الوزن و 90 مليون روبل.

أيضا ، لا يتم عرض وحدة تحكم المستوى العلوي في الرسم التخطيطي الهيكلي. هذه وحدة تحكم منفصلة ، عادة ما يتم تثبيتها في الكابينة ، والتي تجمع الإشارات من عناصر التحكم ، وتتواصل مع محرك الاحتراق الداخلي ، مع لوحة المشغل ، يمكن أن تضيء جميع أنواع أضواء الطوارئ ، إلخ.

كيف يبدو KTEO؟

تشتمل مجموعة معدات الجر الكهربائية (KTEO) على محركي جر مثبتين في عجلات شاحنة التفريغ ومولد طاقة متصل بمحرك ديزل وخزانة تحكم ، والتي تحتوي في الواقع على محولات على الترانزستورات. اختياريًا ، يمكن تضمين نظام تبريد ، ووحدة تحكم منفصلة عالية المستوى ، ونوع من لوحة العرض للسائق ، وبرنامج كمبيوتر محمول الضابط لتشخيص هذا الاقتصاد بأكمله. هكذا يبدو كل شيء:

يوجد مولد في الجزء العلوي الأيسر ، وأحد محركات الجر في الأسفل ، وخزانة مع محولات في أسفل اليمين ، ومبرد نظام تبريد مبني عليه. في أعلى اليمين توجد وحدة تحكم من المستوى الأعلى مع وحدة تحكم تشخيصية صغيرة.

يجب أن يكون لكل هذه القمامة الأبعاد ومآخذ التوصيل التي تتطلبها BelAZ لتناسب تصميم شاحنة التفريغ الحالية.

المواصفات الجافة لمجموعتنا

- الطاقة المقدرة لمولد الجر ، كيلوواط: 750
- الطاقة المقدرة لمحرك الجر الكهربائي ، كيلوواط: 320
- الطاقة المقدرة للتثبيت المقاوم للفرامل ، كيلوواط: 2x600
- تردد دوران دوران مولد الجر ، دورة في الدقيقة: 1900
- أقصى عزم دوران على عمود محرك الجر: 8490
- الكفاءة الاسمية لمولد الجر ، 95٪
- الكفاءة الاسمية لمحرك الجر٪ 94
— :

-850 – , , 850 ( S6), – 750 ( S1). -850 , () () ().

-320 – - , , 320 ( S1), 0…286 /, — 380…4050 /.

-90 , .

, . :