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