Российский автопром

Мы занимались машиной грузоподъемностью 90 тонн. Далеко не самая большая (есть 450 тонн), но и не маленькая (есть 30 тонн). Почему такие самосвалы делают с электромеханической трансмиссией, а не с гидромеханической? Оказывается, с ростом мощности все сложнее сделать механику и гидравлику, чтобы она была надежной, простой и с хорошим КПД. Возникают проблемы компоновки.

Кроме того, с ростом массы все острее встает проблема тормозов. В электрической трансмиссии очень просто рассеивать энергию торможения в тормозные резисторы и сдувать тепло вентиляторами. Если же на таком карьерном самосвале тормозить механическими тормозами, то тормозов хватит метров на 500. А так как машины работают в карьерах с затяжными спусками, проблема торможения стоит в них очень остро. Таким образом, электрика (так я буду коротко называть электромеханическую трансмиссию) «заодно» еще и решает проблему с тормозами.

Масса в 90 тонн является в некоторой степени переходной – некоторые производители еще делают машины этой массы на гидравлической трансмиссии, а некоторые, такие как БелАЗ, уже на электрической. Ещё большая масса уже однозначно за электрикой, а более мелкие машины пока за механикой (гидравликой).

Всё уже изобретено до нас и давно работает. Зачем делать ещё?

БелАЗ – (Белорусский автомобильный завод) производит самосвалы, но такие комплектующие, как, например, дизель и электротрансмиссию он зачастую закупает у других организаций. БелАЗу выгодно иметь несколько поставщиков оборудования, чтобы стимулировать конкуренцию, пробовать новые конструкторские решения и иметь страховку на случай сбоя поставок одного из производителей.

Сейчас электротрансмисии для БелАЗов уже изготавливают много фирм, таких как Siemens (Германия), General Motors (США), завод «Электросила» филиала ОАО «Силовые машины» (Россия), пробуют свои силы такие производители как ОДО «СТРИМ» (Беларусь), Русэлпром (Россия) и… «мы».

Мы – это объединение нескольких фирм, в данном проекте под предводительством ЗАО «ПТФК «ЗТЭО» – завода транспортного оборудования, расположенного в Набережных Челнах. На этом заводе изготавливаются и испытываются электродвигатели и генератор для нашей трансмиссии, силовые преобразователи и программное обеспечение делают московские фирмы «НПП ЦИКЛ+» и «НПФ ВЕКТОР», а проектирование тяговых двигателей выполнено в университете МЭИ.

Так как у нас есть опыт в разработке электротрансмиссий для других транспортных средств, было принято решение и установлены договоренности сделать электротрансмиссию для БелАЗа. Договоренности с производителем самосвалов были простые: сделать свою трансмиссию на одну машину. Если она поедет и не будет ломаться в эксплуатации, у нас закупят ещё. Если нет, то не оплатят даже разработку и изготовление этого оборудования. Мы решили, что нужно делать.

Так родился самосвал с нашим комплектом тягового электрооборудования (КТЭО). При этом первая версия нашего оборудования устанавливалась на БУ самосвал в рамках его капитального ремонта. Старую электротрансмиссию с него сняли «на запчасти», а нашу новую туда установили. Вся замена и прокладка проводки, пристыковка к имеющемуся оборудованию самосвала и доделка софта под нюансы конкретной машины – за счет исполнителя.

Как устроена электромеханическая трансмиссия БелАЗа

Для начала немного терминологии. Можно ли считать такой самосвал гибридом? У него же есть и дизель, и электродвигатели. Так вот, согласно данным википедии, гибридный автомобиль — автомобиль, использующий для привода ведущих колёс более одного источника энергии. В данном случае источник энергии один, ДВС, и формально эта машина гибридом не является.

С другой стороны, в англоязычной википедии говорится, что гибридами являются дизельные поезда и подводные лодки, в которых используется та же схема с дизелем, вращающим генератор. Однако поезд может запитываться, помимо дизеля, от внешнего источника энергии (контактного провода), и тогда формально у него получается два источника энергии. А в подводной лодке есть аккумулятор.
Поэтому предлагается не вдаваться в поиск глубинного смысла применительно к этой терминологии и двигаться дальше.

Если пока забыть, что в этом самосвале нет батареи, то схема электромеханической трансмиссии соответствует последовательному гибриду: ДВС вращает генератор, и дальше энергия передается электрическим путем. А бывают гибриды параллельные, где есть как механический путь передачи энергии на колеса, так и электрический (пример – Toyota Prius, Lexus RX450h и другие).

Последовательный гибрид проще сделать, так как исключается механика, но при этом теоретически снижается «живучесть» машины, так как нет «резервного» потока передачи энергии на случай отказа одного. Хотя последний пункт спорный, ибо последовательный гибрид настолько проще параллельного, что значительное уменьшение количества деталей и исключение сложных узлов делает такие машины очень надежными.

По структуре электрические трансмиссии для карьерных самосвалов бывают разными. Исторически они были основаны на двигателях постоянного тока, и, как ни странно, такой тип трансмиссии до сих пор выпускается. Однако в последние десятилетия идет массовый переход на двигатели переменного тока с частотными преобразователями в силу большей итоговой надежности и отсутствия необходимости обслуживать коллектор двигателя. Таким образом, типичную структуру электротяги переменного тока такого самосвала можно изобразить так:



ДВС вращает генератор, который вырабатывает электроэнергию. Генератор обычно бывает или на основе синхронной, или асинхронной машины (подробнее о типах электрических машин читайте в этой статье). После генератора стоит преобразователь, который из переменного тока генератора делает постоянный.

Если генератор – синхронный, то преобразователь – это обычный выпрямитель (чаще делают многофазный генератор и выпрямитель, чтобы уменьшить пульсации выпрямленного напряжения). Также в таком преобразователе есть блок управления возбудителем, который регулирует ток в обмотке возбуждения генератора и тем самым подстраивается под разную частоту вращения ДВС и снимаемую мощность. По сути, такой возбудитель – это полумост из IGBT транзисторов с системой управления. Надо также сказать, что бывают генераторы с постоянными магнитами, в которых нет никакой обмотки возбуждения, но они обычно неоправданно дороги для таких мощностей и размеров.

Если генератор сделан на основе асинхронной машины, то преобразователь гораздо сложнее, а именно состоит из полноценного инвертора и работает в режиме векторного управления (про векторное управление читайте статьи раз и два).

После преобразователя генератора энергия поступает на шину постоянного тока. Мощность ДВС самосвала весом 90 тонн составляет 700-800кВт, и для этого значения на современном уровне развития IGBT транзисторов оптимальным является напряжение порядка 800-1000В на шине постоянного тока. При меньшем напряжении получаются слишком большие токи (а чем больше ток – тем толще провода, нагрев и потери), а при большем напряжении транзисторы становятся слишком дорогими и медленными в плане частоты коммутации.

Постоянное напряжение далее поступает на преобразователи тяговых электродвигателей (ТЭД), которые представляют собой инверторы, такие же, какие используются в обычных преобразователях частоты. Особенности конструкции преобразователей напрямую зависят от используемого типа тягового двигателя. Здесь также существует много вариантов: асинхронный двигатель, синхронный, вентильно-индукторный (разных типов). Подробнее за пониманием разницы между двигателями снова отсылаю к этой статье.

Мы использовали в данном проекте вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением. Главным образом потому, что с этими машинами у нас больше накопленного опыта, конструкторского «задела» и написанного ПО. Кроме того, этот тип двигателей хорошо переносит перегрузку по моменту по сравнению с асинхронным, что важно для карьерной техники. Конструктивно двигатели устанавливаются непосредственно в задних колесах самосвала, где к ним также стыкуется колесный редуктор.

Блок тормозных резисторов служит для рассеивания энергии торможения машины в тепло. Так как «сливаемую» в тепло мощность также нужно регулировать, то перед тормозными резисторами стоит соответствующий преобразователь. Он обычно выполнен по простейшей схеме в виде одной транзисторной стойки на каждый подключаемый резистор, где рассеиваемая в резисторе мощность управляется скважностью ШИМ этого транзистора. По причине удобства компоновки и безопасности на машине 90 тонн делается два раздельных канала для резисторов.

Конечно, у всех сразу возникает вопрос, почему бы не поставить аккумулятор и не накапливать энергию торможения, а потом расходовать её? Вопрос хороший. С точки зрения преобразования энергии никакой проблемы так сделать нет. Но в наших реалиях аккумуляторы на такую мощность очень дороги, нежны (температуры эксплуатации БелАЗов от -50, надо решать вопрос с подогревом). А в карьерном бизнесе машины – это расходный материал, главное выполнять план и не останавливать процесс добычи. Надежность, простота и ремонтопригодность машины ставятся вперед топливной экономичности.

Кроме того, обычно, груженой машина идет в карьере на подъем, а обратно спускается пустой, поэтому затрачиваемая энергия на подъем гораздо больше с рассеиваемой в резисторы при спуске, много там не нарекуперить (с учетом КПД привода). Даже экономные европейцы только пробуют заменять дизель на батарейки в таких машинах.

Впрочем, давайте посчитаем

Также на рисунке структурной схемы не показан контроллер верхнего уровня. Это отдельный контролер, обычно устанавливаемый в кабине, который собирает сигналы с органов управления, осуществляет связь с ДВС, с панелью оператора, умеет зажигать всякие аварийные лампочки и т.п.

Как выглядит КТЭО?

В комплект тягового электрооборудования (КТЭО) входят два тяговых двигателя, устанавливаемых в колеса самосвала, силовой генератор, стыкуемый с дизелем, и шкаф управления, в котором, собственно, стоят преобразователи на транзисторах. Еще опционально может входить система охлаждения, отдельный контроллер верхнего уровня, какая-то панель индикации для водителя, софт для ноутбука наладчика, чтобы диагностировать всё это хозяйство. Вот так это все выглядит:



Сверху слева генератор, снизу один из тяговых двигателей, снизу справа шкаф с преобразователями, над ним надстроен радиатор системы охлаждения. Сверху справа контроллер верхнего уровня с небольшим диагностическим пультом.

Всё это барахло должно иметь требуемые БелАЗом габариты и присоединительные разъемы, чтобы вставлялось в существующую текущую конструкцию самосвала.

Сухие технические характеристики нашего комплекта

Также в комплект можно отнести тормозные резисторы, хотя обычно они у всех производителей однотипные. Выглядят они так:



Оранжевая секция – это сами резисторы (изоляторы и натянутая между высокотемпературная лента), а круглый бочонок – это мотор с вентилятором. Таким образом, тормозной резистор – это большой фен. При этом двигатель вентилятора – постоянного тока, и подключается он параллельно с тормозным резистором. Получается, что с ростом напряжения на резисторе растет и частота вращения вентилятора, что очень удобно. Поток воздуха от такого резистора при мощности его 1МВт совсем не обжигает, а очень даже приятен, особенно в холодную погоду Только вентилятор на полной мощности шумный донельзя.

Контроллер тяговых двигателей

С контроллерами для тяговых двигателей все интереснее. Так как тяговый электродвигатель карьерного самосвала должен выдавать большой момент на низких и нулевых частотах вращения, то это требует проектирования двигателя и преобразователя на большой фазный ток в случае использования обычной трехфазной обмотки двигателя. И так делают многие другие производители, получая амплитудный фазный ток, измеряемый в килоамперах. Это влечет за собой сложности прокладки такого кабеля (с ногу толщиной), дорогие IGBT ключи, низкую частоту коммутации таких ключей.

При конструировании данной машины пошли другим путем и изготовили двигатель 9-ти фазным. Т.е. в нем три независимых сдвинутых трехфазных обмотки. Это позволяет уменьшить токовую нагрузку на каждый провод и ключ, и сделать преобразователь наборным, из однотипных ключей небольшой мощности. Однако с точки зрения системы управления задача усложняется: нужно одним контроллером управлять одновременно 18ю ключами инвертора! И еще дополнительно двумя ключами обмотки возбуждения. При этом так как электрическая машина единая, а трехфазные обмотки индуктивно-связаны, разделить задачу на несколько контроллеров нельзя – требуется синхронизация между всеми таймерами ШИМ, управляющих ключами. На рисунке ниже представлена структура преобразователя тягового двигателя.



Таким образом, был нужен микроконтроллер с минимум 18ю выходами ШИМ (обмоткой возбуждения в силу большой индуктивности можно управлять без применения ШИМ, программно открывая и закрывая ключи в релейном режиме), кучей АЦП, интерфейсом датчика положения ротора (ДПР). И про такой микроконтроллер мы уже писали. Это отечественный микроконтроллер К1921ВК01Т на ARM ядре и частотой 100МГц. Он как раз имеет и 18 ШИМов, и все остальное для управления двигателями. Поэтому мы применили в контроллере именно его, так как разумных альтернатив не так чтобы много.



К слову, для управления тяговыми двигателями используется немного модифицированное для многофазного случая векторное управление, принципы которого подробно описаны в этой статье, а свободная версия ПО, взятая за основу при разработке, находится здесь.

Вот так выглядит открытый шкаф управления с установленными контроллерами. Здесь слева блок тормозного резистора и генератора с двумя контроллерами рядом, далее блоки правого и левого тяговых двигателей. Силовые ключи расположены в глубине, а снаружи видны базовая плата с установленными в нее контроллерами и некоторые силовые шины.



Контроллер верхнего уровня

В качестве контроллера верхнего уровня был разработан отдельный контроллер (для этого и других схожих проектов) на основе двух микроконтроллеров Texas Instruments TMS320F28335. Почему два? Во-первых, в этом устройстве много дискретного и аналогового ввода-вывода, нужно много ножек, во-вторых, нам для некоторых задач нужно было три CAN интерфейса (для разных подсетей автомобиля), а освоенные нами микроконтроллеры имеют только два. Однако конкретно в проекте самосвала второй кристалл не используется (не напаян).



На плате, помимо прочего, можно заметить слот для микро SD карты – туда КВУ сохраняет все логи (весь сетевой обмен) по кругу, стирая старые. Поэтому КВУ выполняет также функции «черного ящика».

Насколько сложно и долго сделать такой КТЭО?

С нуля, без опыта, конечно же нереально. Мы взялись за это потому, что уже делали похожие решения, у нас уже есть опыт в проектировании преобразователей, двигателей, есть освоенное ПО для контроллеров управления и т.п. Т.е. для нас, по сути, это был еще один вариант компоновки того, что мы уже умеем делать. Но так как конструкция так или иначе новая, в процессе испытаний и пусконаладки все равно вылезло несметное число проблем, которые потянули всякие доработки, как аппаратные, так и программные. Но об этом будет подробнее в следующей статье.

По времени разработка заняла примерно два года. От момента начала разговоров о проекте до выкатывания самосвала из цеха своим ходом. Это, на самом деле, очень быстрые темпы. При этом поехать, конечно же, недостаточно. Самое важное, как машина покажет себя в эксплуатации. Какие будут «детские» болезни, какие «взрослые», каков будет ресурс оборудования: это покажет только время. Сейчас машина прошла около 20 000км и продолжает эксплуатироваться.

Заключение

В следующей статье будет рассказано, как проводились испытания оборудования для этого самосвала, будет видео с гудящими приводами, истории об отказах и факапах.

И в качестве небольшой рекламы

Этот проект выполнялся по большей части выпускниками МЭИ. Если Вы хотите узнать больше об электроприводе, гибридных трансмиссиях, системах управления электроприводами и всем вспомогательным оборудованием, изучить применяемые в отрасли микропроцессорные средства, то сообщаем, что кафедра Автоматизированного электропривода (АЭП) НИУ «МЭИ» проводит набор в магистратуру по направлению 13.04.02 «Электроэнергетика и электротехника», программа подготовки – «Электропривод и автоматика».