Тяговый электропривод в транспортных средствах

Тяговый электропривод в транспортных средствах

Использование тягового электрического привода в транспортных средствах дает ряд очевидных преимуществ – экономия топлива и снижение вредных выбросов. Кроме того электропривод способен обеспечить качественное улучшение эксплуатационных характеристик: повышение надежности и ремонтопригодности, облегчение управления за счет исключения коробки передач, повышение точностных и динамических характеристик, реализация новых режимов (рекуперация энергии торможения, движение при выключенном ДВС, удержание и плавный старт на уклоне), меньшая зависимость от факторов окружающей среды.

Наиболее актуальным является использование электропривода в так называемых гибридных транспортных средствах или ТС с комбинированной энергоустановкой. Комбинированная энергоустановка может состоять из двух и более источников энергии (двигатель внутреннего сгорания (ДВС), генератор, аккумулятор, буферный конденсаторный накопитель, батарея топливных элементов, и т.д.). Анализ показал, что существенную экономию топлива может дать использование комбинированной энергоустановки и современного электропривода. Комбинированные энергоустановки с ДВС являются наиболее реальным путем достижения высоких показателей транспортных средств в самом ближайшем будущем, при этом удается обеспечить большую дальность пробега и сохранить существующую инфраструктуру заправки.

Наиболее полно эти преимущества раскрываются в общественном и коммерческом (грузовом, промышленном, сельскохозяйственном) транспорте. Наш научно-технический центр совместно с концерном РУСЭЛПРОМ ведет разработку комплектов тягового электрооборудования (КТЭО) для городского автобуса и тракторов на колесном и гусеничном ходу. В данных проектах реализована последовательная кинематическая схема силовой установки, когда ДВС не имеет механической связи с колесами и обеспечивает только вращение асинхронного мотор-генератора (МГ), регулирующего напряжение в звене постоянного тока (ЗПТ). Вращение осей колес обеспечивает привод (приводы в случае нескольких осей или двух бортов) тягового асинхронного двигателя (ТАД), инвертор которого питается от ЗПТ МГ.

Исключение коробки передач, сцепления, карданного вала позволяет, как правило, существенно снизить общую массу силового оборудования. Немаловажным обстоятельством является снижение инерционности вращающихся масс; отметим, что для ряда транспортных средств, особенно тихоходных, из-за больших значений коэффициентов редукции приведенная инерционность вращающихся масс сопоставима, или даже намного превышает инерционность самого транспортного средства. Привлекательной возможностью является более свободная компоновка: не связанные с колесами ДВС и мотор-генератор могут размещаться в произвольных местах на борту транспортного средства, там, где это наиболее удобно.

Комплект тягового электрооборудования городского автобуса "Гибрид-12"

Разработан универсальный комплект тягового электрооборудования для использования в средних городских автобусах. В состав комплекта входит асинхронный мотор-генератор (сопряженный с ДВС), тяговый асинхронный двигатель, буферный накопитель энергии, выполненный на основе суперконденсаторов фирмы Maxwell, блок силовой электроники, контроллеры управления приводами, вспомогательные систем питания и охлаждения.

При разработке тягового электропривода были пройдены этапы математического моделирования как отдельных приводов, так и КТЭО в целом, разработка конкретных схемотехнических и конструкторских решений компонентов КТЭО и вспомогательных систем, синтез алгоритмов управления для реализации оптимальных режимов движения, работы ДВС в режиме максимальной топливной эффективности. Были проведены автономные и комплексные испытания всех узлов КТЭО на стенде. Опытный образец был смонтирован на автобус ЛиАЗ-5292ХХ (Ликинский автобусный завод), в составе которого проводились заводские и полигонные испытания. Экспериментальный образец такого автобуса, демонстрировавшийся на международном автомобильном форуме в Москве 9-12 сентября 2008 г. занял первое место и получил звание «Лучший автобус России 2008 года».

Преимущества маршрутного городского автобуса с гибридной энергоустановкой:

  • Снижение в 10 раз уровня выбросов при езде в городском цикле;
  • Экономия топлива на 25 ¸ 50 %;
  • Возможности запуска ДВС, генерации и рекуперации электроэнергии;
  • Снижение мощности ДВС на 25¸30 % при сохранении момента на колесах.
  • Работа в оптимальном по топливной эффективности и выбросам режимах работы ДВС;
  • Повышение комфортности автобуса (шум, вибрация, управляемость);
  • Повышение надежности и ресурса работы автобуса

Основные характеристики силового оборудования:

№ п./п. Наименование параметра Величина
1 Мощность не выходе генератора, кВт, не более 132,5
2 Максимальный момент на валу МГ, Нм (n=2200) 575
3
Максимальная скорость вращения вала МГ, об./мин.
2200
4
Номинальное напряжение звена постоянного тока, В
750
5
Максимальная мощность на валу ТАД, кВт, не более
250
6
Длительная мощность на валу ТАД, кВт, не более
125
7
Максимальный пусковой момент на валу ТАД, Нм
1500
8
Максимальный длительный момент на валу ТАД, Нм
1000
9
Максимальная скорость вращения ТАД, об/мин (при скорости 90 км/час)
4975

Выполнено проектирование комплектов тягового электрооборудования (КТЭО) для городских 9, 12, 15 и 18 м автобусов.

Созданный комплект уже адаптирован под применение в автобусах «Волжанин» (модель Ситиритм-12), Белкоммунмаш (Витовт-42003А), "Богдан-А-70522", а также может легко адаптироваться под применение и в других современных и перспективных автобусах различных производителей, различных модификаций (например, НефАЗ-5299, ПАЗ-3237, МАЗ-103, МАЗ-203).

ЛИАЗ5292ХХ
ЛИАЗ 5292ХХ

Волжанин 627006
Волжанин 627006

Белкоммунмаш 42003А Белкоммунмаш 42003А

Тяговый электропривод колесного пропашного трактора БЕЛАРУС ЭТ-300


БЕЛАРУС 3023 (ЭТ-300)


БЕЛАРУС 3023 (прицеп)


БЕЛАРУС 3023 (пахота)

награда "Агритехника 2009"
Награда DLG на выставке AGRITECHNICA-2009

Совместно с производственным объединением «Минский тракторный завод», являющимся одним из крупнейших предприятий в мире по выпуску колесных тракторов, концерн «РУСЭЛПРОМ» и НТЦЭ "Вектор" создали трактор с электромеханической трансмиссией (ЭМТ) переменно-переменного тока "БЕЛАРУС 3023" (проект "ЭТ-300"). В тракторе применяется последовательная схема с центральным приводом.

Для функционирования системы привода необходимо использование качественной векторной системы управления. Такая система должна обеспечивать оптимальный по потерям режим работы двигателей во всех диапазонах частот вращения, электромагнитных моментов, скольжений, индукций и т.п. Для тяговых приводов необходимо также учитывать критерий максимального использования имеющихся ресурсов, прежде всего напряжения питания и тока, которые ограничиваются установленной мощностью силового преобразователя.

При работе в составе транспортного средства параметры тяговых асинхронных двигателей сильно зависят от режимов его работы. В связи с этим была проделана значительная научно-исследовательская работа и разработана методика экспериментального определения параметров асинхронных двигателей, методика согласования параметров электрических машин и силового преобразователя, позволяющая минимизировать установленную мощность преобразователя. Разработаны структура и методика синтеза оптимальной по потерям векторной системы управления тяговым асинхронным электроприводом. Получены уравнения для векторного управления и идентификации параметров, учитывающие потери в стали, что позволяет создавать электромеханические трансмиссии транспортных средств с высокими энергетическими, массо-габаритными, регулировочными характеристиками, показателями надежности и топливной эффективности.

Применение электромеханической трансмиссии позволяет:

  • улучшить технико-экономические показатели трактора;
  • снизить динамические нагрузки на узлы трактора и дизеля;
  • уменьшить буксование колес;
  • снизить расход топлива на единицу выполненной работы (до 30%);
  • обеспечить бесступенчатое регулирование скорости агрегата;
  • снизить эксплуатационные затраты на техническое обслуживание, ремонт и расходные материалы;
  • повысить надежность работы трактора в целом.

Дополнительно трактор «БЕЛАРУС – 3023» с ЭМТ получил такие преимущества, как:

  • Эффективная, простая и надёжная бесступенчатая коробка передач.
  • Всего два режима, выбираемых вручную (поле или дорога).
  • Автоматическое переключение фрикционной муфтой, обеспечивающей эффективный разгон на транспорте.
  • Возможность работы с высоким КПД во всём диапазоне скоростей движения.
  • Эффективное управление режимами работы дизеля в зависимости от потребляемой мощности.
  • Наличие режимов электрического торможения с передачей энергии движения в дизель.
  • Система удержания трактора на подъеме и спуске.
  • Возможность точного перемещения на заданное малое расстояние.
  • Эффективное водяное охлаждение электропривода.

Дополнительные опции:

Преимущества с точки зрения комфорта и удобства управления движением:

  • Простота и удобство органов управления коробкой передач;
  • Наличие нескольких режимов управления трансмиссией:
    • задание скорости движения от педали;
    • задание скорости движения от джойстика с возможностью грубой и точной настройки;
    • удержание трактора на месте с возможностью управлять в этом режиме оборотами дизеля от педали;
  • Точное поддержание скорости трактора благодаря наличию GPS;
  • Возможность автоматического и принудительного управления оборотами дизеля при работе с ВОМ;
  • Лёгкость изменения направления движения ;

Опытная партия тракторов МТЗ 3023 (5 шт.) прошла испытания на машино - испытательных станциях в России, Белоруссии и Украине. Широкому потребителю трактор «БЕЛАРУС – 3023» был представлен на крупнейшей сельскохозяйственной выставке AGRITECHNICA-2009, Ганновере, 8 – 14 ноября 2009 г. Трактор удостоен серебряной медали организатора – немецкого сельскохозяйственного общества DLG.

В настоящее время ведется разработка колесных тракторов 150 и 450 л.с.

Тяговый электропривод гусеничного промышленного трактора БЕЛАРУС ЭТ-160Г

В тракторе реализована последовательная кинематическая схема силовой установки, когда ДВС не имеет механической связи с колесами и обеспечивает только вращение асинхронного мотор-генератора (МГ), регулирующего напряжение в звене постоянного тока (ЗПТ). Вращение приводных шестерен гусениц левого и правого борта обеспечивают приводы соответственно левого и правого тяговых асинхронных двигателей (ТАД), инверторы которых питаются от ЗПТ.

В качестве базовой для реализации была выбрана оптимальная по потерям векторная система управления тяговым электроприводом с идентификатором параметров. Особенностями данной системы является оценка в реальном времени всех параметров двигателя и коэффициентов алгоритма управления, претерпевающих существенные изменения в связи с изменениями внешних условий и режимов работы привода. Для настройки идентификатора параметров и определения оптимального по потерям алгоритма управления разработана методика стендовой настройки электропривода.

При разработке и отладке оборудования был решен целый ряд проблем научного и технического характера:

  • повышения точности измерительных каналов (погрешность не более 1%) - нелинейный алгоритм коррекции измерений;
  • компенсации «мертвого» времени в силовых ключах - оригинальный алгоритм и методика пофазной компенсации;
  • определение Lm и идентифицикация потери в стали на разных уровнях тока намагничивания и частоты напряжения статора;
  • решения проблемы электромагнитной совместимости при совместной работе приводов МГ и ТАД.

Ходовые испытания трактора БЕЛАРУС 1502Э подтвердили работоспособность и показатели комплекта тягового электрооборудования, полученные на стенде.

БЕЛАРУС 1502Э

Комплекты тягового электрооборудования для карьерных самосвалов большой грузоподъемности

Перед предприятиями концерна «Русэлпром» (ПАО «НИПТИЭМ» г. Владимир в части разработки и производства преобразователей и систем управления и ООО «Русэлпром-СЭЗ» г. Сафоново в части разработки и производства электрических машин)  была поставлена задача создания комплектов тягового электрооборудования (КТЭО) переменно-переменного тока, предназначенных для применения в карьерных самосвалах БЕЛАЗ грузоподъемностью 240 и 90 тонн, в целом не уступающих, а по ряду показателей превосходящих технические характеристики ведущих мировых производителей, но более привлекательных по стоимости изделия и сниженным издержкам эксплуатации.
Разработчиками был проделан большой объем научно-исследовательских и проектно-конструкторских работ по данной теме, основные результаты которых отражены в статьях и докладах на международных научно-технических конференциях.

В таблице1 представлены основные технические характеристики и режимы работы КТЭО самосвалов грузоподъемностью 240 и 90 тонн.

Таблица 1 Технические характеристики КТЭО

КТЭО Б-240

КТЭО Б-090

Основные технические характеристики КТЭО

Номинальная мощность электродвигателя мотор-колеса (тяга/торможение), кВт

700/1200

320/540

Номинальная мощность генератора, кВт

1550

700

Частота вращения электродвигателя, об/мин

0-3000

0 - 4000

Частота вращения дизеля в предельном тяговом режиме, об/мин

1900

1900

Частота вращения дизеля в тормозном режиме, об/мин

900-1500*

900-1500*

Частота вращения двигателя при стоянке, об/мин

800

800

Длительное тяговое усилие, кг

47000

25000

Максимальное тяговое усилие, кг

92000

39000

Диапазон выпрямленного напряжения, В

800-1200

800-1100

Максимальное время переходного процесса от полного тягового усилия до 90% тормозного, с

1

1

Режим работы

S1

S1

Режимы работы самосвала

Основные режимы работы

Тяговый

+

+

Электродинамического торможения

+

+

Движение задним ходом

+

+

Движение выбегом

+

+

Ослабленный тяговый режим («возвращение на базу») – работа на одном мотор-колесе для транспортировки неисправного самосвала на ремонтную базу

+

+

Защита и диагностика

Защита от перегрева тягового генератора, выпрямителя, асинхронных двигателей, силовых преобразователей

+

+

Диагностика ухудшения уровня изоляции токоведущих частей

+

+

Защита от превышения допустимого напряжения

+

+

Защита от перегрузок по току силовых преобразователей и асинхронных двигателей

+

+

Диагностика всех составных частей КТЭО, с определением неисправности до функционального блока, контролем и визуализацией параметров электрооборудования, записью и хранением данных статистических и аварийных данных работы самосвала

+

+

Специфические режимы и возможности

Использование на тягу полной свободной мощности дизеля

+

+

Стабилизация текущего значения скорости при тяге и торможении (круиз-контроль)

+

+

Ограничение скорости движения самосвала

+

+

Плавный сброс нагрузки с дизель-генератора

+

+

Проверка нагрузочных характеристик дизеля при работе на тормозной реостат

+

+

Режимы антипробуксовки и антиблокировки

+

+

Автоматическое регулирование мощности генератора и дизеля

+

+

Аварийный режим работы самосвала при неисправностях в КТЭО

+

+

Режим предотвращения скатывания (удержание самосвала на месте)

+

+

* изменяется в зависимости от температуры

Отдельно отметим следующие особенности силовой части КТЭО:
- в качестве генератора в КТЭО используется синхронная машина с электромагнитным возбуждением, оснащенная двумя группами 3-фазных обмоток на статоре, сдвинутых на 30 градусов, питающих два неуправляемых выпрямителя, выполненных на изолированных диодных модулях на нитрид-алюминиевой керамике, установленных на радиаторы с жидкостным охлаждением. Емкостный фильтр выполнен на пленочных конденсаторах с многослойной ламинированной шиной (рис. 2);

- жидкостное охлаждения всех силовых приборов выполняется посредством циркуляционного насоса с асинхронным двигателем (рис.3), управляемым от собственного IGBT-инвертора (ИПСОХ). Групповое принудительное воздушное охлаждение теплообменников, а также обмоток синхронного тягового генератора (СТГ) и тяговых асинхронных двигателей (ТАД) производится крыльчаткой вентилятора, установленного на валу СТГ. В отличие от КТЭО БЕЛАЗ-240 система охлаждения шкафа преобразователей и системы управления (ШПСУ) КТЭО БЕЛАЗ-90 является чисто воздушной.

- в первых образцах КТЭО использованы интеллектуальные силовые модули 4-го поколения SKiiP-4 фирмы Semikron (рис.5) с увеличенной до +175 оС температурой чипов и в 5 раз повышенной стойкостью к термоциклированию, полученной за счет применения технологии низкотемпературного спекания (вместо традиционной пайки чипов) и прижимной конструкции внутренней шины. Модули оптимизированы под транспортное применение, позволяют снизить потери, повысить надежность и обеспечить расширенные диагностические возможности системы. Параллельно проработаны варианты альтернативного использования в ШПСУ силовых модулей других производителей, положительно зарекомендовавших себя на рынке силовой электроники, в частности, фирмы Infineon.

- Силовой преобразователь системы возбуждения тягового генератора (СВТГ) выполнен по схеме: неуправляемый выпрямитель – понижающий DC/DC преобразователь на IGBT-чоппере с ШИМ (рис.4). Для реализации защитных функций также используются сигналы датчиков перегрева обмоток и подшипниковых узлов СТГ.

Развитые средства защит и самодиагностики позволяют предупреждать аварийные ситуации, локализовывать места их возникновения до функционального элемента. Такой подход, а также модульная конструкция силовых элементов и блоков существенно сокращают временные затраты на устранение неисправностей.

Основными особенностями системы управления КТЭО являются:

- оптимизированная по КПД адаптивно-векторная система управления тяговыми приводами позволяет существенно повысить качество управления самосвалом во всех режимах его работы, существенно повысить общий КПД системы «силовой преобразователь – двигатель» в зависимости от скорости движения и нагрузки. Она обеспечивает максимально полное использование возможностей силовой электроники и электрических машин, тем самым минимизируя стоимость КТЭО при заданном уровне предельной механической характеристики. В результате, КПД трансмиссии с данным КТЭО достигает 88%, а погрешность отработки заданного момента не превышает 5% во всем диапазоне скоростей и нагрузок.

- Система управления приводом инвариантна к более чем 2-х кратным изменениям активных сопротивлений и индуктивностей электрических машин, возникающим в процессе эксплуатации КТЭО, учитывает процессы в стали магнитопроводов, обеспечивает предельное значение быстродействия контура регулирования момента в условиях наложенных на систему физических ограничений, надежно работает при очень широком диапазоне регулирования переменных в области ослабления поля (более 15:1), что позволяет сформировать требуемую тяговую и тормозную характеристики самосвала вплоть до 65 км/час.

- Для повышения надежности функционирования инверторов ТАД в предельных режимах реализован частотно-зависимый температурный дерейтинг. Данная функция контролирует максимальную величину выходного тока инвертора (электромагнитного момента двигателя) в зависимости от текущего значения выходной частоты и температуры подложки IGBT-модуля таким образом, чтобы не было превышено предельное значение температуры кристаллов. Функция реализована на основе динамической тепловой модели силовых модулей и позволяет достигнуть максимального использования возможностей силовых ключей в пределах выбранного типоразмера. Проверка функционирования выполнена для всего спектра выходных частот инвертора, в том числе при работе с заторможенным валом, когда разница между средними и пиковыми значениями температуры кристаллов достигает 50˚С.

- Трехконтурная система регулирования возбуждением СТГ настроена на отработку ступенчатого наброса/сброса номинальной нагрузки в звене постоянного тока (ЗПТ) за 50мс по критерию компромисса между быстродействием и уровнем пульсаций напряжения ЗПТ.

- Контроллер верхнего уровня (КВУ) по шине CAN управляет контроллером дизеля и контроллерами силовых преобразователей. Управление оборотами дизеля осуществляется с использованием алгоритмов оптимизации потребления топлива в зависимости от условий движения и загрузки. Алгоритмы управления движением включают функции антибукса, антиюза и противоотката при остановке на уклоне.

- В качестве опции КТЭО может поставляться со встроенной системой управления микроклиматом (СУМК) ШПСУ, предназначенной для повышения надежности работы оборудования в условиях воздействия экстремально низких температур окружающей среды, их резких перепадов и проникновения влаги внутрь герметичного корпуса шкафа, например при его открытии или разгерметизации во влажной среде. Основными задачами СУМК являются: диагностика температуры и влажности внутри ШПСУ при работе и простое самосвала; выявление и автоматическое устранение последствий воздействия резких перепадов температур и влаги. Программно-аппаратные средства СУМК включают в себя встроенный подогрев, пассивные и активные элементы влаговыведения, систему управления потоком охлаждающего воздуха, алгоритм просушки силовых элементов КТЭО (силовых модулей, ТАДов, СТГ, УВТРов) на безопасно-низком напряжении, алгоритм холодного старта и безопасного выхода в рабочие режимы.

 

DC

Многослойная ламинированная шина (рис.2)

 

 

Циркуляционный насос жидкостного охлаждения с асинхронным двигателем (рис. 3)

 

 

СВТГ

Система возбуждения тягового генератора (СВТГ) (рис. 4)

 

 

SKiiP-4

Интеллектуальные силовые модули 4-го поколения SKiiP-4 фирмы Semikron (рис. 5)

 

 

Belaz-240

Общий вид самосвала БЕЛАЗ-240 на полигоне ОАО «БЕЛАЗ» (РБ)

 

 

Belaz-90

Общий вид самосвала БЕЛАЗ-90 (75585) на полигоне ОАО «БЕЛАЗ» (РБ)