Технические характеристики электрического самосвала БелАЗ-7558E
Первый экспериментальный образец электросамосвала БелАЗ создан в конце 2022 года на базе 90-тонного серийного самосвала из семейства БелАЗ-7558. Данные самосвалы оснащаются дизель-электрической силовой установкой с электромеханической транcмиссией переменного тока. Новая модель БелАЗ-7558E отличается тем, что вместо дизель-генератора источником энергии являются тяговые батареи корейской фирмы Enertech International. Многотонные батареи, одни из самых тяжелых в мире, расположены между колесами самосвала. Их технология – литий-никель-марганец-кобальт-оксидная, емкость составляет 675 кВт*ч, отдача — 640 кВт.
На фотографии электросамосвала видно, что в его оформлении используется зеленый цвет. Так предприятие подчеркивает экологическую чистоту своей техники, в которой впервые для продукции БелАЗа нет дизельного мотора.
Расчетный запас хода электросамосвала БелАЗ-7558E составляет 2 часа при загрузке 90 тонн и движении на подъем по 10% уклону. Подзарядка батареи занимает 20-25 минут.
Отметим, что в описании электросамосвала БелАЗ-7558E не упоминается возможность рекуперации энергии (очевидно, это связано с необходимостью решения ряда технических задач в трансмиссии). Но в публикациях руководителей БелАЗа об этом говорится. В частности, Николай Викторович Бигель, заместитель главного конструктора НТЦ БелАЗ пишет:
«… в горнодобывающей промышленности имеются предприятия, где транспортировка груза осуществляется сверху вниз. Это позволяет обеспечить более глубокую зарядку батареи за счет рекуперации во время движения с породой на спуск. Предварительная оценка показывает, что возможны ситуации, когда заряженной в начале рабочего цикла батареи хватает на всю смену с последующей зарядкой при пересменке экипажа или в обеденный перерыв. Для такого случая можно говорить не только об экологическом эффекте, но и возможной экономической эффективности»
С практической реализаций рекуперации в 60-тонном швейцарском электросамосвале eDumper можно познакомиться в нашем материале: Электромобиль, который не потребляет электроэнергию
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), филиала ОАО «Силовые машины» (Россия), пробуют свои силы такие (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 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.
Перспективы электрического самосвала БелАЗ-7558E в линейке 90-тонных самосвалов
Испытания электрического 90-тонника должны завершиться в 2022 году, а в 2023 год намечено начало его серийного производства. Стоимость БелАЗ-7558E составит 4 млн рублей РБ — в пересчете около 1.28 млн евро. Ежегодные расходы снизятся на 178 тыc. рублей в год (около 57 тыс. евро). Экономия достигается за счет более низкой стоимости электроэнергии по сравнению с дизельным топливом и снижению расходов на техническое обслуживание техники.
В линейке БелАЗ-7558 много различной современной техники с тысячесильными дизельными двигателями Cummins QST 30-C и КТА 38-С, трансмиссиями Электросила, Русэлпром, Татэлектромаш, Сибэлектропривод и General Electic. Для стартовой модели БелАЗ-75581, которая эксплуатируется на предприятиях РФ с 2013 года, подтвержден высокий КТГ (коэффициент технической готовности) 0.92-0.98.
В разработке самосвалы БелАЗ-75589 с двигателем Weichai 12M33, БелАЗ-75588 с газотурбинным ДВС, обсуждавшийся нами чисто электрический БелАЗ-7558E и дизель-троллейвоз БелАЗ-7558G. Применение этих новых моделей самосвалов позволит заказчикам БелАЗа оптимизировать свои расходы.
Кабина БелАЗ‑75710
Кабина самого большого БелАЗа напоминает рубку океанского лайнера как по своему высокому расположению, так и по насыщенности разнообразными приборами и датчиками. Здесь сосредоточено всё необходимое для безопасной работы самосвала в штатном режиме. Кстати, верхняя площадка самосвала, на которой находится кабина, называется палубой.
Рабочее место водителя БелАЗ‑75710.
Уровень комфорта водителя находится на уровне современных европейских стандартов, и ни о каком ущербе для здоровья водителя при работе на БелАЗ‑75710 говорить не приходится. Даже в самых сложных и суровых климатических условиях.Рабочее место водителя самого большого БелАЗа будет, конечно, попроще, чем в легковом «Мерседесе», но оборудовано всем необходимым. Сиденье снабжено всеми регулировками, в кабине имеются климат-контроль и современная аудиосистема.
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
— Номинальная мощность тягового генератора, кВт: 750 — Номинальная мощность тягового электродвигателя, кВт: 320 — Номинальная мощность тормозной резистивной установки, кВт: 2х600 — Номинальная частота вращения тягового генератора, об/мин: 1900 — Максимальный момент на валу тягового электродвигателя: 8490 — Номинальный КПД тягового генератора, %: 95 — Номинальный КПД тягового электродвигателя, %: 94 — Охлаждение агрегатов КТЭО: воздушное Генератор ГСТ-850 – классический синхронный генератор, с двумя трёхфазными обмотками статора, мощностью 850 кВт (режим S6), номинальная – 750 кВт (режим S1). В ГСТ-850 отсутствует обмотка третьей гармоники, поскольку питание обмотки возбуждения (ОВ) осуществляется с помощью преобразователя обмотки возбуждения (ПОВ) напрямую со звена постоянного тока (ЗПТ).
ДВИТ-320 – вентильно-индукторный двигатель с независимым возбуждением, с тремя трёхфазными обмотками статора, мощностью 320 кВт (режим S1), работа с максимальным моментом в диапазоне частот вращения 0…286 об/мин, работа с постоянством мощности на валу — 380…4050 об/мин.
Шкаф управления ШУ Б-90 конструктивно представляет собой три моноблока, размещенных в одном корпусе.
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.
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.
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».
Подробнее – под спойлером
В магистратуру по данной специальности можно поступать на конкурсной основе на бюджетную форму обучения или на платной основе без конкурса. Иногородним предоставляется общежитие. С программой подготовки кафедры АЭП можно ознакомиться на сайте НИУ МЭИ. Подробнее о правилах поступления, сроках подачи документов и проведения вступительных испытаний можно ознакомиться на сайте приемной комиссии НИУ МЭИ.
Кафедра автоматизированного электропривода НИУ «МЭИ» является ведущей кафедрой по данной специальности в России, имеет более 20 млн. руб. ежегодного объема научно-исследовательских работ, публикует более 20 статей в год в изданиях, индексируемых наукометрическими базами данных Web of Science и Scopus, на кафедре преподают сотрудники ООО «НПФ «ВЕКТОР» и ООО «НПП «ЦИКЛ+» — одни из ведущих предприятий в области разработки электроприводов и гибридных электрических трансмиссий.
Подробнее здесь: www.aep-mpei.ru
Система управления
Как всё это железо управляется? В каждом преобразователе стоит свой контроллер. Контроллер в данной терминологии – это такая плата, в основе которой стоит микроконтроллер (процессор с памятью и периферией на кристалле) и его обвязка. В обвязку обычно входит система тактирования и питания, операционные усилители для АЦП, буферные микросхемы для дискретных входов и выходов, драйверы интерфейсов связи. Контроллеры обычно делаются более-менее универсальными и устанавливаются, в зависимости от задачи, в некоторую базовую плату, которая уже содержит все остальное для реализации конкретного устройства.
Все контроллеры соединены по промышленной сети CAN. Почему CAN? Во-первых, это автомобильный стандарт; во-вторых, он достаточно отказоустойчив и нетребователен к кабелям, а в-третьих – там всего три провода.
В нашей реализации КТЭО используется 5 контроллеров. Два на тяговых двигателях, один на преобразователе генератора, один на преобразователе тормозных резисторов, и один в качестве контроллера верхнего уровня в кабине.
Контроллеры генератора и резистора
В качестве контроллера генератора и тормозного резистора мы используем вот такое изделие, плата на основе motor-control микроконтроллера Texas Instruments TMS320F2810 с частотой 150МГц и 64кСлов флеш-памяти.
На самом деле, с точки зрения задачи управления ключами преобразователя такому контроллеру там делать нечего – справилась бы, простите за выражение, ардуина. Однако эти контроллеры еще опрашивают кучу датчиков температуры, реализуют кое-какую логику по управлению вентиляторами и насосами блока, участвуют в сетевом обмене по CAN, измеряют частоту вращения генератора и т.п. Поэтому для ускорения сроков разработки и для унификации с другим производимым оборудованием было принято использовать такие, избыточные, но проверенные временем контроллеры.
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».
