👁‍🗨 🧚🏾 👤 Seperti yang kami lakukan BelAZ. Bagian 1 - Setrika 👨‍👨‍👧‍👦 👇🏻 🛂

Mungkin semua orang tahu bahwa truk penambangan besar memiliki transmisi elektromekanis (sejak 1968): ICE memutar generator, energi yang menggerakkan motor traksi di roda belakang truk sampah. Di Internet Anda dapat menemukan banyak artikel ulasan dan "test drive" dari mesin-mesin ini, tetapi banyak detail teknis biasanya dihilangkan. Serangkaian artikel ini akan ditulis dari dalam ke luar, atas nama pengembang transmisi listrik: bagaimana kami mengembangkannya, pada pengontrol mana, pada mesin mana, cara men-debug dan menyalakan mobil. Kami juga siap menjawab pertanyaan Anda di komentar. Menarik? Selamat datang di kucing.

Mengapa listrik?

Kami terlibat dalam mesin dengan kapasitas angkat 90 ton. Bukan yang terbesar (ada 450 ton), tapi bukan yang terkecil (ada 30 ton). Mengapa dump truck seperti itu dilakukan dengan transmisi elektromekanis, tetapi tidak dengan hidromekanis? Ternyata dengan meningkatnya daya, semakin sulit untuk membuat mekanik dan hidrolik sehingga dapat diandalkan, sederhana dan dengan efisiensi yang baik. Ada masalah tata letak.

Selain itu, dengan bertambahnya massa, masalah rem menjadi semakin akut. Dalam transmisi listrik, sangat mudah untuk membuang energi pengereman ke resistor rem dan mengeluarkan panas dengan kipas. Jika pada truk sampah itu direm dengan rem mekanis, maka akan ada rem 500 meter.Dan karena mobil bekerja di tambang terbuka dengan keturunan yang panjang, masalah pengeremannya sangat akut. Jadi, tukang listrik (seperti yang akan saya sebut transmisi elektromekanis) "pada saat yang sama" juga memecahkan masalah dengan rem.

Massa 90 ton agak transisi - beberapa produsen masih membuat mesin dari massa ini pada transmisi hidrolik, dan beberapa, seperti BelAZ, sudah menggunakan listrik. Massa yang bahkan lebih besar jelas untuk tukang listrik, sementara mesin yang lebih kecil masih untuk mekanik (hidrolika).

Semuanya sudah ditemukan sebelum kita dan sudah bekerja sejak lama. Mengapa berbuat lebih banyak?

BelAZ - (Belarusian Automobile Plant) memproduksi dump truck, tetapi sering membeli komponen seperti transmisi diesel dan listrik dari organisasi lain. Adalah bermanfaat bagi BelAZ untuk memiliki beberapa pemasok peralatan untuk merangsang persaingan, mencoba solusi desain baru dan memiliki asuransi jika terjadi kegagalan pasokan dari salah satu produsen.

Sekarang banyak perusahaan sudah memproduksi transmisi listrik untuk BelAZs, seperti Siemens (Jerman), General Motors (AS), pabrik Electrosila cabang OJSC Power Machines (Rusia), produsen seperti ODO STRIM (Belarus) sedang mencoba tangan mereka, Ruselprom (Rusia) dan ... "kita".

Kami adalah asosiasi dari beberapa perusahaan dalam proyek ini yang dipimpin oleh PTFK ZTEO CJSC , sebuah pabrik peralatan transportasi yang berlokasi di Naberezhnye Chelny. Di pabrik ini, motor listrik dan generator untuk transmisi kami diproduksi dan diuji, konverter daya dan perangkat lunak dibuat oleh perusahaan Moskow NPP TsIKL + dan NPF VECTOR , dan desain motor traksi dilakukan di Universitas MPEI .

Karena kami memiliki pengalaman dalam mengembangkan transmisi listrik untuk kendaraan lain, keputusan telah dibuat dan perjanjian dibuat untuk membuat transmisi listrik untuk BelAZ. Pengaturan dengan pabrik truk sederhana: buat transmisi Anda di satu mesin. Jika dia pergi dan tidak istirahat dalam operasi, mereka akan membeli dari kami lagi. Jika tidak, bahkan pengembangan dan pembuatan peralatan ini tidak akan dibayar. Kami memutuskan apa yang harus dilakukan.

Jadi truk sampah lahir dengan seperangkat peralatan listrik traksi (KTEO) kami. Pada saat yang sama, versi pertama peralatan kami dipasang pada dump truck BU sebagai bagian dari perombakannya. Transmisi listrik lama dihapus darinya "untuk suku cadang", dan yang baru dipasang di sana. Semua penggantian dan perkabelan, docking ke peralatan yang ada dari truk sampah dan menyelesaikan perangkat lunak dengan nuansa mesin tertentu - dengan mengorbankan kontraktor.

Bagaimana transmisi elektromekanis BelAZ diatur

Pertama, beberapa terminologi. Bisakah truk sampah ini dianggap hibrida? Ia juga memiliki mesin diesel dan motor listrik. Jadi, menurut Wikipedia , mobil hybrid adalah mobil yang menggunakan lebih dari satu sumber energi untuk menggerakkan roda penggerak. Dalam hal ini, hanya ada satu sumber energi, ICE, dan secara resmi mobil ini bukan hibrida.

Di sisi lain, Wikipedia bahasa Inggris mengatakan bahwa hibrida adalah kereta diesel dan kapal selam, yang menggunakan skema yang sama dengan mesin diesel yang memutar generator. Namun, kereta bisa ditenagai, selain mesin diesel, dari sumber energi eksternal (kawat kontak), dan kemudian secara formal mendapat dua sumber energi. Dan kapal selam memiliki baterai.
Oleh karena itu, disarankan untuk tidak mencari makna mendalam dalam kaitannya dengan terminologi ini dan terus maju.

Jika kita lupa bahwa tidak ada baterai di truk sampah ini, skema transmisi elektromekanis sesuai dengan hibrida berurutan: ICE memutar generator, dan kemudian energi ditransmisikan secara elektronik. Dan ada hibrida paralel, di mana ada cara mekanis mentransfer energi ke roda dan listrik (misalnya, Toyota Prius, Lexus RX450h, dan lainnya).

Hibrida serial lebih mudah dilakukan, karena mekanik dikecualikan, tetapi pada saat yang sama, ketahanan mesin berkurang secara teoritis, karena tidak ada aliran transfer energi "cadangan" jika terjadi kegagalan. Meskipun poin terakhir adalah kontroversial, karena hibrida serial lebih sederhana daripada paralel sehingga pengurangan signifikan dalam jumlah bagian dan penghapusan komponen kompleks membuat mesin seperti itu sangat dapat diandalkan.

Struktur transmisi listrik untuk truk pertambangan berbeda. Secara historis, mereka didasarkan pada motor DC, dan, anehnya, tipe transmisi ini masih diproduksi . Namun, dalam beberapa dekade terakhir, telah terjadi transisi besar-besaran ke motor AC dengan konverter frekuensi karena keandalan total yang lebih besar dan kurangnya kebutuhan untuk melayani bermacam-macam mesin. Dengan demikian, struktur tipikal dari traksi listrik arus bolak-balik dari dump truck tersebut dapat direpresentasikan sebagai berikut:

ICE memutar generator yang menghasilkan listrik. Generator biasanya didasarkan pada mesin sinkron atau asinkron (baca lebih lanjut tentang jenis-jenis mesin listrik dalam artikel ini ). Setelah generator ada konverter, yang membuat konstan dari arus alternator.

Jika generator sinkron, maka konverter adalah penyearah biasa (lebih sering generator multifase dan penyearah dibuat untuk mengurangi riak dari tegangan yang diperbaiki). Juga dalam konverter seperti itu ada unit kontrol patogen, yang mengatur arus dalam belitan eksitasi generator dan dengan demikian menyesuaikan dengan kecepatan mesin yang berbeda dan tenaga yang dihilangkan. Bahkan, exciter semacam itu adalah setengah jembatan transistor IGBT dengan sistem kontrol. Saya juga harus mengatakan bahwa ada generator dengan magnet permanen di mana tidak ada lilitan medan, tetapi biasanya tidak masuk akal untuk kapasitas dan ukuran seperti itu.

Jika generator dibuat berdasarkan mesin asinkron, maka konverter jauh lebih rumit, yaitu terdiri dari inverter penuh dan beroperasi dalam mode kontrol vektor (baca artikel sekali dan dua kali tentang kontrol vektor).

Setelah konverter generator, energi disuplai ke bus DC. Kekuatan mesin pembakaran internal truk sampah seberat 90 ton adalah 700-800 kW, dan untuk nilai ini pada tingkat pengembangan transistor IGBT saat ini, tegangan optimal sekitar 800-1000V pada bus DC. Dengan tegangan yang lebih rendah, arus yang terlalu tinggi diperoleh (dan semakin tinggi arus, semakin tebal kabel, pemanasan dan kerugian), dan dengan tegangan yang lebih tinggi, transistor menjadi terlalu mahal dan lambat dalam hal frekuensi switching.

Tegangan DC kemudian dipasok ke inverter motor listrik traksi (TED), yang merupakan inverter, sama seperti yang digunakan dalam konverter frekuensi konvensional. Fitur desain konverter secara langsung tergantung pada jenis motor traksi yang digunakan. Ada juga banyak pilihan: motor asinkron, sinkron, katup-induktor (dari berbagai jenis). Untuk lebih memahami perbedaan antara mesin, saya merujuk lagi ke artikel ini .

Dalam proyek ini, kami menggunakan motor induksi induktif dengan eksitasi independen. Terutama karena dengan mesin-mesin ini kami memiliki lebih banyak akumulasi pengalaman, desain "jaminan simpanan" dan perangkat lunak tertulis. Selain itu, motor jenis ini mentoleransi kelebihan torsi dibandingkan dengan asinkron, yang penting untuk peralatan penambangan. Secara struktural, mesin dipasang langsung di roda belakang dump truck, di mana gearbox roda juga terhubung ke mereka.

Blok resistor rem digunakan untuk menghilangkan energi pengereman alat berat menjadi panas. Karena daya "pengeringan" ke panas juga perlu diatur, konverter yang tepat ditempatkan di depan resistor pengereman. Biasanya dibuat sesuai dengan skema paling sederhana dalam bentuk satu rak transistor per resistor yang terhubung, di mana daya yang dihamburkan dalam resistor dikendalikan oleh siklus tugas PWM dari transistor ini. Karena kemudahan tata letak dan keamanan pada mesin 90 ton, dua saluran terpisah untuk resistor dibuat.

Tentu saja, semua orang segera mengajukan pertanyaan, mengapa tidak meletakkan baterai dan mengumpulkan energi pengereman, dan kemudian menghabiskannya? Pertanyaannya bagus. Dari sudut pandang konversi energi, tidak ada masalah melakukan ini. Tetapi dalam kenyataan kami, baterai untuk daya seperti itu sangat mahal, lembut (suhu operasi BelAZs dari -50, perlu untuk menyelesaikan masalah pemanasan). Dan dalam bisnis karier, mesin adalah barang habis pakai, yang utama adalah memenuhi rencana dan tidak menghentikan proses produksi. Keandalan, kesederhanaan, dan kemudahan perawatan dari alat berat mengedepankan efisiensi bahan bakar.

Selain itu, biasanya, mobil yang dimuat berjalan menanjak di tambang, dan menjadi kosong lagi, sehingga energi yang dihabiskan untuk naik jauh lebih besar dengan energi yang dihamburkan ke resistor selama penurunan, ada banyak yang bisa diperoleh (dengan mempertimbangkan efisiensi penggerak). Bahkan orang Eropa yang ekonomis hanya mencoba mengganti diesel dengan baterai di mobil semacam itu.

Namun, mari kita hitung

Kami memiliki catatan operasi aktual dump truck di tambang. Mari kita naik dan turunkan mobil dan menghitung energi yang dihasilkan oleh generator (yaitu diesel) dan yang dihamburkan dalam resistor pengereman. Satu gerakan berjalan membutuhkan waktu 10 menit, termasuk pendakian, pembongkaran dan penurunan. Nah, kemudian sekitar 5 menit, masih menunggu dalam antrean untuk excavator dan memuat. Dalam log, terlihat seperti ini:

Di sini, pada grafik atas adalah kecepatan rotasi dan arus motor traksi (kuning dan ungu, masing-masing), dan pada daya yang lebih rendah dari generator dan resistor rem (biru dan merah). Simpan kembali log dalam bentuk poin dan buat hal yang sama di Excel:

Sekarang integrasikan dari waktu ke waktu untuk mendapatkan energi:

Ternyata 280 MJ energi dihabiskan untuk berjalan-jalan, dan dihamburkan dalam resistor pada penurunan 75 MJ. Ya, seperempat energi bisa dihemat dengan pemulihan.

Mari kita perkirakan baterai untuk menghibridisasi BelAZ dan menghemat energi ini saat turun. Tesla memiliki baterai 85kWh, yang merupakan energi 306MJ. Ini akan cukup untuk penurunan empat kali lebih lama (tetapi saya harus mengatakan bahwa tambang kami sangat dangkal, dan secara umum ada beberapa yang mengemudi dengan mobil selama setengah jam atau lebih). Hanya di sini, baterai tidak akan melewati arus muatan - seperti yang dapat dilihat dari grafik daya, baterai harus diisi daya puncak megawatt (di beberapa tempat), atau dengan daya rata-rata pada penurunan 250 kW (jika entah bagaimana ia memberikan pengereman yang seragam). Jika Anda tidak terlibat secara eksplisit membunuh baterai dan mengisi baterai dengan arus tidak lebih dari 1C ( saya mengambil perkiraan komposisi baterai dari sini ), maka untuk menerima daya 250 kW, Anda perlu 6-8 baterai seperti itu, yaitu. 510kW * h, yang memberikan massa baterai sekitar 3 ton. Untuk truk 90 ton, sebenarnya tidak banyak.

Meskipun Anda dapat berspekulasi di tempat ini dan mengatakan bahwa Tesla Supercharger mengisi daya baterai 120kW dan tidak ada, dan itu semacam peningkatan daya. Dan Tesla sendiri melambat dengan kekuatan besar (meskipun waktu yang sangat singkat). Dalam hal ini, mungkin satu baterai Tesla sudah cukup, dan tidak ada yang begitu merendahkan dari arus muatan besar (saya bukan spesialis dalam kimia baterai). Selain itu, saat mengisi daya dengan arus, katakanlah, 3C, baterai sudah memiliki efisiensi yang sangat rendah, dan seringkali cukup dari apa yang dapat kita simpan dalam pemulihan, baterai akan dipanaskan, masalah pendinginan akan meningkat. Tetapi fakta bahwa baterai masih membutuhkan lebih banyak ditunjukkan pada paragraf berikutnya.

Mari kita hitung masa pakai baterai. Pengemudi mengatakan bahwa mereka punya waktu untuk membuat sekitar 20 walker per shift, dan karena alat berat bekerja sepanjang waktu, mari kita ambil 60 walker sehari. Ini adalah 60 * 75MJ energi yang dipompa bolak-balik dari baterai atau sekitar 0,4 siklus pengisian / pemakaian selama enam baterai per hari. Jika kita mengambil skenario masa pakai baterai 500 siklus, maka ini adalah operasi yang kurang dari tiga tahun dan baterai dapat dibuang. Satu baterai Tesla berharga lebih dari satu juta rubel , dan kami akan memasukkan 6 diantaranya.

Tetap menghitung biaya solarium, yang dibakar sia-sia. Meskipun pengontrol diesel mengirimkan konsumsi bahan bakar instan dalam data CAN-nya, ia juga dapat diintegrasikan, tetapi saya tidak benar-benar percaya data ini dan menyarankan menggunakan indikator spesifik. Ini mengikuti dari artikel ini bahwa 200 gram bahan bakar dihabiskan untuk produksi satu kilowatt-jam listrik. Kami menghabiskan 60 * 75MJ "meniup resistor" per hari. Namun, jangan buru-buru berkembang biak: tidak semua energi ini bisa dihemat. Efisiensi baterai lithium pada arus pengisian / pengosongan 1C adalah sekitar 0,8-0,9 (nilai yang lebih besar untuk LiFePO4), dan efisiensi konverter juga sekitar 0,95, yang berarti baik jika kita dapat mengembalikan energi 60 * 75 * 0,9 * 0,95 * 0,95 * 0,95 = 3655 MJ saat naik dan tidak menghabiskan solarium pembakaran yang setara. Saya mengatur efisiensi konverter DCDC dua arah (yang mengubah energi dari bus kilovolt mobil ke baterai dan sebaliknya) dua kali, karena mereka perlu mengisi daya terlebih dahulu dan kemudian melepaskan baterai. Sekarang kita kalikan: 3655 * 0,2 / (60 * 60) * 1000 = 203 kilogram bahan bakar, atau 240 liter, atau 11 tr. per hari untuk menghangatkan angin dari resistor. Selama tiga tahun, itu adalah 12 juta rubel. dengan harga baterai sekitar 7 juta

Juga, biaya baterai masih perlu ditambahkan ke pemeliharaan dan penggantian sel yang salah (mesin sederhana untuk saat ini), konverter pengisian diperlukan (juga ditambah satu juta, mungkin). Ini juga bukan fakta bahwa di musim dingin baterai akan senang dengan arus pengisian 1C, mereka harus entah bagaimana dipanaskan atau dibatasi oleh arus pengisian, dan di musim panas mereka juga harus didinginkan dengan baik.

Selain itu, kerugian akibat underloading mesin untuk 3 ton massa baterai ini dan energi untuk naik turunnya transportasi tidak dihitung.

Kelebihan baterai termasuk fakta bahwa ketika mengangkat mereka akan menambah daya ke roda, sehingga meningkatkan kinerja mesin.

Secara umum, tampaknya ada beberapa manfaat dari baterai, tetapi tidak begitu dramatis untuk menjalankannya secara mendesak. Itu semua tergantung pada jumlah siklus bahwa mereka akan hidup dalam kondisi ini, dan tidak ada yang tahu pasti.

Anda juga dapat memanggil super kapasitor. Tetapi dengan mereka, sesuatu benar-benar menjadi buruk. Saya mengambil yang pertama yang datang dari lebih atau kurang modern. Satu unit 125V 63F, 60kg, 600 tr Kami membutuhkan satu keturunan pendek seperti 75MJ, yang berarti 150 pcs: ini adalah 9 ton berat dan 90 juta rubel.

Juga, pengontrol tingkat atas tidak ditampilkan dalam diagram struktural. Ini adalah pengontrol terpisah, biasanya dipasang di kabin, yang mengumpulkan sinyal dari kontrol, berkomunikasi dengan mesin pembakaran internal, dengan panel operator, dapat menyalakan semua jenis lampu darurat, dll.

Seperti apa bentuk KTEO?

Set peralatan listrik traksi (KTEO) mencakup dua mesin traksi yang dipasang di roda truk sampah, generator listrik yang terhubung ke mesin diesel, dan kabinet kontrol, yang, pada kenyataannya, berisi trafo pada transistor. Secara opsional, sistem pendingin dapat dimasukkan, pengontrol tingkat atas yang terpisah, semacam panel layar untuk pengemudi, perangkat lunak untuk laptop adjuster untuk mendiagnosis seluruh ekonomi ini. Begini tampilannya:

Sebuah generator terletak di kiri atas, salah satu mesin traksi ada di bawah, kabinet dengan konverter ada di kanan bawah, radiator untuk sistem pendingin dibangun di atasnya. Di kanan atas adalah pengontrol tingkat atas dengan konsol diagnostik kecil.

Semua sampah ini harus memiliki dimensi dan soket penghubung yang diperlukan oleh BelAZ agar sesuai dengan desain truk sampah yang ada.

Spesifikasi kering dari kit kami

- Nilai daya generator traksi, kW: 750
- Nilai daya motor listrik traksi, kW: 320
- Nilai daya dari instalasi resistif rem, kW: 2x600
- Nilai frekuensi rotasi generator traksi, rpm: 1900
- Torsi maksimum pada poros motor traksi: 8490
- Efisiensi nominal generator traksi,%: 95
- Efisiensi nominal motor traksi,%: 94
— :

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

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

-90 , .

, . :