🚧 🎣 🛸 正如我们做的BelAZ。第1部分-铁 🔴 🈶 🧓🏿

也许每个人都知道大型矿用卡车具有机电变速箱（自1968年起）：ICE使发电机旋转，其中的能量用于驱动自卸车后轮中的牵引电动机。在Internet上，您可以找到许多有关这些机器的评论文章和“测试驱动器”，但是通常会省略许多技术细节。这一系列文章将代表电动变速箱的开发者由内而外地写：我们如何开发它，在哪个控制器上，在哪个引擎上，如何调试和启动汽车。我们也准备在评论中回答您的问题。有意思吗欢迎来到猫。

为什么要电？

我们从事了一台起重能力为90吨的机器。不是最大的（450吨），不是最小的（30吨）。为什么这样的自卸车使用电动机械变速器而不使用液压机械变速器？事实证明，随着功率的增加，制造机械和液压系统变得越来越困难，从而使其变得可靠，简单且效率高。存在布局问题。

另外，随着质量的增加，制动器的问题变得越来越严重。在电动变速器中，将制动能量耗散到制动电阻器中并用风扇将热量吹散非常简单。如果在这样的自卸车上用机械制动器制动，则将有500米的制动器，而且由于汽车在具有长下降时间的露天矿中工作，因此制动问题非常严重。因此，电工（我将简称为机电变速器）“同时”也解决了制动器的问题。

90吨的重量在某种程度上是过渡性的-一些制造商仍然使用液压传动装置制造这种重量的机器，而有些制造商（例如BelAZ）已经使用电动装置。对于电工来说，更大的质量肯定是对的，而对于机械师（液压的）来说，较小的机器仍然是。

一切都已经摆在我们面前，并且已经工作了很长时间。为什么还要做更多？

BelAZ-（白俄罗斯汽车厂）生产自卸车，但它经常从其他组织购买柴油和电动变速器等组件。对于BelAZ而言，拥有多个设备供应商以刺激竞争，尝试新的设计解决方案并在其中一家制造商的供应出现故障时购买保险是有益的。

现在，许多公司已经在为BelAZ生产电动变速器，例如西门子（德国），通用汽车（美国），俄罗斯动力机械分公司（俄罗斯）的Electrosila工厂，STRIM ODO（白俄罗斯）等制造商都在努力， Ruselprom（俄罗斯）和...“我们”。

我们是由PTFK ZTEO CJSC领导的这个项目的多家公司的联合会， PTFK ZTEO CJSC是位于Naberezhnye Chelny的运输设备工厂。在该工厂，莫斯科的NPP TsIKL +和NPF VECTOR公司制造并测试了用于传输的电动机和发电机，功率转换器和软件由MPEI大学进行了牵引电动机的设计。

由于我们在开发其他车辆的电动变速器方面拥有丰富的经验，因此做出了决定并达成了为BelAZ生产电动变速器的协议。与自卸车制造商的安排很简单：将您的变速箱放在一台机器上。如果她继续经营下去，他们会再次向我们购买。否则，将不支付该设备的开发和制造费用。我们决定要怎么做。

因此，自卸车诞生于我们的一套牵引电气设备（KTEO）。同时，作为大修的一部分，我们的设备的第一个版本已安装在BU自卸车上。从他那里卸下了旧的电动变速箱，“用作备件”，而我们的新变速箱则安装在了那里。所有更换和接线，对接自卸车的现有设备，以及将软件精加工到特定机器的细微差别-费用由承包商承担。

BelAZ的机电传动如何布置

首先，一些术语。可以将此自卸车视为混合动力车吗？他还拥有柴油发动机和电动机。因此，根据Wikipedia所说，混合动力汽车是一种使用多个能源驱动驱动轮的汽车。在这种情况下，ICE只有一种能源，而且正式地说，这辆车不是混合动力车。

另一方面，英语维基百科说，混合动力是柴油火车和潜水艇，它们使用相同的方案，用柴油机旋转发电机。但是，除了柴油发动机外，火车还可以从外部能源（接触线）供电，然后正式获得两个能源。潜水艇有电池。
因此，建议不要继续寻求与该术语相关的深层含义并继续前进。

如果我们忘记了这辆自卸车没有电池，则机电变速箱的方案对应于顺序混合动力：ICE旋转发电机，然后以电子方式传输能量。而且还有并联混合动力汽车，其中既有将能量传递到车轮又有机械传递能量的机械方法（例如，丰田普锐斯，雷克萨斯RX450h等）。

串联式混合动力车更容易实现，因为排除了机械原理，但是同时，由于在万一发生故障时不存在“备用”能量传输流，因此理论上降低了机器的生存能力。尽管最后一点是有争议的，但由于串联混合动力系统比并联混合动力系统简单得多，因此零件数量的显着减少以及复杂零件的消除使此类机器非常可靠。

矿用卡车的电动变速器的结构不同。从历史上看，它们是基于直流电动机的，奇怪的是，这种类型的变速器仍在生产中。但是，近几十年来，由于具有更高的总体可靠性以及无需维修发动机总管，因此已经向具有变频器的交流电动机进行了大规模过渡。因此，这种自卸车的交流电牵引的典型结构可以表示如下：

ICE旋转发电机发电。发电机通常基于同步机或异步机（在本文中了解有关电机类型的更多信息）。在发电机之后有一个转换器，该转换器使交流发电机电流恒定。

如果发电机是同步的，则转换器是常规的整流器（通常使用多相发电机和整流器来减少整流电压的纹波）。同样在这种转换器中，存在病原体的控制单元，该病原体的控制单元调节发电机的励磁绕组中的电流，从而调节到不同的发动机转速和去除的功率。实际上，这种激励器是带有控制系统的IGBT晶体管的半桥。我还必须说，有一些带有永磁体的发电机，其中没有励磁绕组，但是对于这样的容量和尺寸，它们通常不合理地昂贵。

如果发电机是基于异步电机制造的，则转换器要复杂得多，即它由一个成熟的逆变器组成，并以矢量控制模式运行（请阅读有关矢量控制的一两次文章）。

在发电机转换器之后，能量被提供给DC总线。一辆重90吨的自卸汽车的内燃机功率为700-800 kW，对于当前IGBT晶体管发展水平的这个值，直流母线上的最佳电压约为800-1000V。电压越低，获得的电流就越大（电流越高，导线越粗，发热和损耗），电压越高，晶体管的成本就变得越高，开关频率也就越慢。

然后，将直流电压提供给牵引电动机（TED）的逆变器，该逆变器与传统变频器中使用的逆变器相同。变频器的设计特征直接取决于所使用的牵引电机的类型。还有许多选择：异步电动机，同步电动机，阀电感器（各种类型）。有关了解引擎之间差异的更多信息，请再次参考本文。

在该项目中，我们使用了具有独立励磁的感应感应电动机。主要是因为有了这些机器，我们积累了更多的经验，设计了“积压”和书面软件。另外，与异步设备相比，这种类型的电机可以承受扭矩过载，这对于采矿设备很重要。从结构上讲，发动机直接安装在自卸车的后轮中，车轮变速箱也与它们相连。

制动电阻块用于将机器的制动能量耗散为热量。由于还需要调节“排入”热量的功率，因此在制动电阻的前面放置一个合适的转换器。通常根据最简单的方案以每个连接的电阻一个晶体管机架的形式制成，其中电阻器中的功耗由该晶体管的PWM占空比控制。由于90吨机器的布局方便性和安全性，我们制作了两个独立的电阻通道。

当然，每个人都立即提出一个问题，为什么不放电池并积累制动能量，然后再花呢？这个问题很好。从能量转换的角度来看，这样做没有问题。但是，在我们的现实中，用于这种电源的电池非常昂贵，轻巧（BelAZ的工作温度为-50，有必要解决加热问题）。在职业生涯中，机器是消耗品，主要是要完成计划而不是停止生产过程。机器的可靠性，简单性和可维护性提出了燃油效率。

此外，通常情况下，一辆装载好的汽车在采石场上坡，然后再次空下，因此上升过程中消耗的能量随着下降过程中散发到电阻器中的能量而大大增加，这有很多好处（考虑到驱动效率）。即使是经济型的欧洲人，也只是试图用此类汽车中的电池代替柴油。

但是，让我们数一下

我们有采石场自卸车实际运行的日志。让我们上下走一趟车，计算出发电机（即柴油机）产生的能量并消耗在制动电阻中。上走一趟需要10分钟，包括上升，卸载和下降。好了，然后大约5分钟，仍在排队等待挖掘机和装载。在日志中，它看起来像这样：

上面的图表是牵引电动机的转速和电流（分别为黄色和紫色），发电机和制动电阻的功率较低（蓝色和红色）。以点的形式重新保存日志，并在Excel中构建相同的东西：

现在随着时间的推移进行积分以获得能量：

事实证明，步行要花费280 MJ的能量，而在下降75 MJ的电阻中会消耗掉它。是的，恢复可以节省四分之一的能源。

让我们估计一下与BelAZ杂交并节省下来的能量的电池。特斯拉有一个85kWh的电池，即306MJ的能量。这足以使下降时间延长四倍（但我必须说，我们的采石场很浅，通常来说，有些地方开车要半小时或更长时间）。仅在此情况下，电池不会流过充电电流-从功率图可以看出，您需要以兆瓦的峰值功率（在某些地方）或在下降的平均功率为250 kW（如果以某种方式提供均匀的制动）对其进行充电。如果您没有明确地杀死电池并用不超过1C的电流充电（我从这里获取了电池的大致组成），那么要接受250 kW的功率，您需要6-8个这样的电池，即 510kW * h，这使电池的质量约为3吨。对于90吨的卡车来说，实际上并没有那么多。

尽管您可以在这个地方推测，并说Tesla Supercharger可以为120kW电池充电，但没有任何充电，这会增加功率。特斯拉本身会以强大的力量减速（尽管时间很短）。在这种情况下，也许一块特斯拉电池就足够了，并且没有什么能因大充电电流而剧烈地退化（我不是电池化学专家）。此外，当使用3C的电流充电时，电池的效率已经明显降低，而且通常我们可以节省的回收电量通常会充到电池中，从而引发冷却问题。但是下一节将显示电池仍需要更多电量的事实。

让我们计算一下电池寿命。司机说他们每个班次有时间做20个助行器，而且由于机器是全天候工作的，所以每天要载60个助行器。这是从电池来回抽出的能量* 60 * 75MJ，或者每天六个电池大约进行0.4次充电/放电。如果我们假设电池寿命为 500次循环，那么这将少于三年的运行时间，并且电池可能会被丢弃。一块特斯拉电池的价格超过一百万卢布，我们将投放其中的六块。

计算白费日光浴的成本尚需计算。尽管柴油控制器在其CAN数据中发送即时燃油消耗量，但它也可以集成，但是我并不真正相信这些数据并建议使用特定的指标。从本文可以得出，每生产1千瓦时的电力要花费200克燃料。我们每天花费60 * 75MJ“吹入电阻器”。但是，不要急于增加：并非可以节省所有这些能量。在1C的充电/放电电流下，锂电池的效率约为0.8-0.9（LiFePO4的值较大），转换器的效率也约为0.95，这意味着如果我们能以60 * 75 * 0.9 * 0.95 * 0.95 = 3655 MJ的能量返回能量，则可以花相当于燃烧的日光浴室。我设置了双向DCDC转换器的效率（该转换器将汽车跳跃的千伏公交车的能量转换为电池，反之亦然）的效率设置为两次，因为它们需要先充电再放电。现在我们乘以：3655 * 0.2 /（60 * 60）* 1000 = 203公斤燃料，或240升，或11 tr。每天从电阻器中取暖风。三年来，这是1200万卢布。电池价格约700万

同样，电池的成本仍然需要增加其维护和更换故障电池的成本（这次是一台简单的机器），需要一个充电转换器（可能还要加上一百万个）。在冬天，电池对1C的充电电流会感到满意，这也不是事实，它们需要以某种方式加热或受充电电流的限制，在夏天，它们也应该很好地冷却。

此外，未计算这3吨电池组因机器不足而造成的损失以及其上下运输的能量。

电池的优点包括这样的事实，即在举升时它们会为车轮增加动力，从而提高机器的性能。

通常，似乎可以从电池中获得一些好处，但并不急于紧急运行。这完全取决于它们在这些条件下将经历的循环数，而且没人能确定。

您还可以召回超级电容器。但是，有了它们，事情变得完全糟透了。我采用了或多或少来自现代的第一个。一个组件125V 63F，60kg，600 tr 我们需要短暂下降到75MJ，这意味着需要150个pc：这是9吨的重量和9000万卢布。

同样，顶层控制器未在结构图中显示。这是一个单独的控制器，通常安装在驾驶室中，该控制器收集来自控件的信号，与内燃机通信，与操作员面板进行通讯，可以点亮各种应急灯等。

KTEO是什么样的？

这套牵引电气设备（KTEO）包括两个安装在自卸车车轮上的牵引发动机，一个连接到柴油发动机的发电机和一个控制柜，该控制柜实际上包含晶体管上的变压器。（可选）可以包括冷却系统，单独的顶级控制器，用于驾驶员的某种显示面板，用于调节器的便携式计算机的软件，以诊断整个经济状况。看起来是这样的：

发电机位于左上方，其中一个牵引发动机位于底部，右下方是装有转换器的机柜，右上方装有冷却系统散热器。右上角是带有小型诊断控制台的顶级控制器。

所有这些垃圾应具有BelAZ所需的尺寸和连接插座，以适合现有的现有自卸车设计。

我们套件的干燥规格

-牵引发电机的额定功率，kW：750
-牵引电动机的额定功率，kW：320
-制动电阻装置的额定功率，kW：2x600
-牵引发电机的额定旋转频率，rpm：1900
-牵引电机轴上的最大扭矩：8490
-牵引发电机的额定效率，％：95
-牵引电机的额定效率，％：94
— :

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

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

-90 , .

, . 他们看起来像这样：