Электромеханическая трансмиссия карьерных самосвалов большой грузоподъемности


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 тонн (75318) и 90 тонн (75585), 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 таблице 1 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. 1);

- жидкостное охлаждения всех силовых приборов выполняется посредством циркуляционного насоса с асинхронным двигателем (рис.2), 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.4) 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.3). 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.1)

 

 

Насос

Циркуляционный насос жидкостного охлаждения с асинхронным двигателем (рис. 2)

 

 

СВТГ

Система возбуждения тягового генератора (СВТГ) (рис. 3)

 

 

SKiiP-4

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

 

 

Belaz-240

Общий вид самосвала БЕЛАЗ-240 (75318) на полигоне ОАО «БЕЛАЗ» (рис. 5)

 

 

Belaz-90

Общий вид самосвала БЕЛАЗ-90 (75585) на полигоне ОАО «БЕЛАЗ» (рис. 6)