Тяговый электропривод в гибридных транспортных средствах. Часть 3. Разработки КТЭО для гибридных транспортных средств в Концерне «РУСЭЛПРОМ»

ООО «Русэлпром-электропривод» совместно с предприятиями-изго­то­ви­те­лями транспортных средств выполнило ряд разработок транспортных средств. Все транспортные средства и КТЭО создавались и создаются на коммерческой основе с заводами-изготовителями транспортной техники; бюджетные средства в рамках инновационных программ не использовались.

Концептуальный макет трактора показан на рисунке 1.
Параметры трактора МТЗ3022Э:
– масса — 11500 кг;
– максимальная скорость — 50 км/ч;
– масса задних навесных орудий — 3500 кг;
– масса передних навесных орудий — 2800 кг;
– радиус качения задних колес — 0,922 м (143 об./мин при 50 км/ч);
– коэффициент редукции заднего ведущего моста — 27,618;
– радиус качения передних колес — 0,706 м (188 об./мин при 50 км/ч);
– коэффициент редукции переднего ведущего моста — 21,2545;
– коробка передач: К1=4,824; К2=2,912; К3=1,762; К4=1,063;
– максимальное усилие на крюке — 54000 Н;
– максимальная мощность дизеля (Det­roit Diesel) — 300 л.с. (при 2200 об./мин);
– максимальная мощность мотор-генератора — 225 кВт (1074 Нм при 2000 об./мин).
– максимальная мощность вала отбора мощности (ВОМ) — 190 кВт.

Рис. 1. Концепт трактора МТЗ3022Э с электромеханической трансмиссией

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.
Компоновка трактора с электромеханической трансмиссией показана на рисунке 2.

Рис. 2. Компоновка макетного образца трактора МТЗ3022Э

Состав КТЭО:
– тяговый асинхронный мотор-генератор (АМГ) переменного тока с силовым преобразователем (СП) с микропроцессорной частотной системой управления;
– тяговый асинхронный двигатель (ТАД) центрального привода с силовым преобразователем с микропроцессорной частной системой управления;
– блок питания и коммутации (БПК и ПК);
– DC/DC-преобразователь питания собственных нужд (системы охлаждения);
– тормозной резистор с чоппером (DC/DC-преобразователем);
– контроллер верхнего уровня (КВУ) с органами управления и отображения информации в кабине тракториста для управления потоками мощности и тягой, связанный по CAN со всеми контроллерами СП, дизеля, внешней ПЭВМ, GPS.
Трактор оборудован сервисной вы­чис­лительной системой (СВС). Пара­мет­ры асинхронных двигателей МГ и ТАД указаны в таблице 1.

МГ и ТАД имеют жидкостное охлаждение, расход воды составляет 20 л/мин.
Силовые преобразователи АМГ и ТАД, ПК и DC/DC-преобразователи объединены в блок силовой электроники (БСЭ). Силовые преобразователи выполнены на базе интегральных трехфазных инверторов напряжения SKAI фирмы SEMIKRON, максимальный фазный ток составляет 300 А (эфф., длительно), номинальное напряжение в звене постоянного тока — 850 В. Для управления используются процессорные контроллеры TMS 320 (частотное управление). БСЭ имеет жидкостное охлаждение, расход воды — 10 л/мин.
В настоящее время:
– успешно завершены полигонные испытания КТЭО в составе макета трактора МТЗ3022Э, включая сопоставительную пахоту;
– по результатам испытаний в 2009 г. выпущена установочная серия (с модернизацией КТЭО) тракторов, проводятся эксплуатационные и сертификационные испытания на машино-испытательных станциях РФ и РБ.

Параметры трактора МТЗ 3023:
– тип трактора — общего назначения;
– колесная формула — 4×4;
– номинальное усилие на крюке — 50 кН;
– ДВС — Detroit Diesel S40E 8.7 LTA M146;
– мощность ДВС, кВт (л.с.) — 220 (300);
– частота вращения ДВС номинальная — 2200 об./мин;
– максимальный крутящий момент ДВС — 1457 Нм;
– коэффициент запаса крутящего момента — 40%;
– удельный расход топлива при эксплуатационной мощности ДВС — 249 г/(кВт∙ч);
– оптимальный расход топлива ДВС — 195 г/(кВт∙ч);
– объем топливного бака — 500 л;
– коробка передач — бесступенчатая электромеханическая с электроприводом переменного тока, два механических диапазона, переключение двух ступеней внутри каждого диапазона с помощью фрикционных гидроуправляемых муфт автоматически или принудительно;
– скорости в диапазонах, км/ч:
 — поле — 0…18;
 — дорога — 0…42 (50);
– реверс — полный;
– передний ведущий мост — с конечными передачами планетарного типа, с самоблокирующимся дифференциалом;
– задний мост — с дифференциалом с фрикционной муфтой блокировки, конечными передачами планетарного типа;
– габаритные размеры (длина/ши-
рина/высота) — 6400/2630/3250 мм;
– масса, кг:
 — конструкционная 11500;
 — эксплуатационная 12500;
 — максимальная 18000;
– база трактора — 3260 мм;
– шины (основная комплектация, передние/задние) — 540/65R30/ 580/70R42;
– минимальный радиус поворота — 5,5 м.
В тракторе МТЗ 3023 применены модернизированные узлы КТЭО макетного образа трактора с центральным приводом, включая модернизированные асинхронные электрические машины (МГ и ТАД), блок силовой электроники, блок коммутаций, КВУ и табло. Блок-схема КТЭО приведена на рисунке 3.

Рис. 3. Блок-схема КТЭО трактора МТЗ 3023

В контроллерах МГ и ТАД применена векторная система управления. Компоновка тягового оборудования на тракторе и фотография блока силовой электроники (крышка снята) приведены на рисунке 4.

Рис. 4. Компоновка тягового оборудования на тракторе и блок силовой электроники

Для обеспечения контроля за различными системами трансмиссии в кабине водителя расположено информационное табло. Оно имеет семь экранов отображения информации и позволяет полностью контролировать работу электромеханической трансмиссии и двигателя внутреннего сгорания.
Алгоритмы управления позволяют осуществлять функцию реверса в автоматическом режиме. Нажав на кнопку на рукоятке джойстика «Движение», можно перемещаться в одном из двух диапазонов, в зависимости от необходимой максимальной скорости движения:
1 — рабочий (0…18 км/ч) и 2 — транспортный (0…42 км/ч). Для простоты агрегатирования трактора с сельхозорудиями заложена функция перемещения с малой скоростью при полном нажатии на педаль акселератора, которая включается кнопкой «Малое перемещение».
С целью обеспечения простоты диагностики и сервиса, упрощения наладки и контроля за параметрами оборудования ООО «Русэлпром-электропривод» разработало сервисную вычислительную систему (СВС) — специальное программное обеспечение для персонального компьютера. СВС служит для задания уставок и настройки параметров системы управления, выборочного отображения текущих значений переменных, сохранения и динамического отображения значений переменных.
ООО «Русэлпром-электропривод», в дополнение к основному оборудованию КТЭО, разработало и поставляет в качестве опций автономную станцию электроснабжения (АСЭ), электропривод переднего вала отбора мощности (ВОМ), и электропривод вентилятора радиатора.
Основные характеристики АСЭ:
– номинальная частота выходного напряжения — 50 ±0,5 Гц;
– номинальное выходное линейное напряжение 3×400 В (схема без нулевого провода);
– номинальное выходное фазное напряжение 3×220 В (схема с нулевым проводом);
– регулируемая уставка выходного напряжения — 5/—10%;
– коэффициент искажения синусоидальности выходного напряжения — не более 5%;
– номинальная активная выходная мощность — 172,5 кВт;
– КПД при номинальной нагрузке — не менее 95%;
– габаритные размеры 1200×800×300 мм;
– масса — 85 кг;
– степень защиты — IP65.
Электромеханический привод переднего ВОМ и привод вентилятора показаны на рисунке 5.

Рис. 5. Привод переднего ВОМ и привод вентилятора с радиатором в сборке на раме трактора МТЗ 3023

Основные характеристики привода ВОМ:
– номинальная мощность — 55 кВт;
– номинальный момент на валу — 105 Нс;
– номинальный ток — 90 А;
– КПД двигателя — не менее 93%;
– срок службы — 10 лет.
Привод переднего ВОМ контейнерного типа позволяет устанавливать его как на трактор, так и на передние навесные орудия.
Наличие на тракторе электрического привода вентилятора системы охлаждения позволяет точно регулировать поток воздуха через радиатор, не допуская перегрева дизеля при его работе в режимах оптимальных по топливной эффективности (при снижении оборотов дизеля) и, при необходимости, включать режим реверса для продувки и очистки радиатора. Максимальная мощность электропривода вентилятора — 20 кВт.
АСЭ, привод ВОМ и привод вентилятора питаются от звена постоянного тока блока силовой электроники с помощью управляемых силовых преобразователей (инверторов).
Преимущества, достигнутые в тракторе с КТЭО:
– эффективная, простая и надежная 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 всем диапазоне скоростей движения;
– эффективное управление режимами работы дизеля, в зависимости от потребляемой мощности;
– режимы электроторможения 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: электропривод вентилятора ДВС; электропривод переднего ВОМ; автономная станция электроснабжения.
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 GPS;
– возможность автоматического и принудительного управления оборотами дизеля при работе с ВОМ;
– легкость изменения направления движения.
Опытная партия тракторов МТЗ 3023 (5 шт.) прошла испытания на машино-испытательных станциях в России, Белоруссии и Украине. Широкому потребителю трактор МТЗ 3023 был представлен на крупнейшей сельскохозяйственной выставке AGRITECHNICA-2009, которая состоялась в Ганновере 8—14 ноября 2009 г. Трактор был удостоен серебряной медали организатора этого показа — немецкого сельскохозяйственного общества DLG.

Разработки тракторов с электромеханической трансмиссией в РУП МТЗ не ограничиваются моделью трактора с дизельным двигателем мощностью 300 л.с. — достаточно упомянуть ведущиеся в настоящее время работы по колесным и гусеничным сельскохозяйственным и промышленным тракторам мощностью 150, 160, 450 л.с.
В Минпромторге РФ имеется важнейший инновационный проект «Трактор», предусматривающий создание колесных сельскохозяйственных тракторов классической компоновки классов 5—7 с автоматической трансмиссией. Концерн «Русэлпром» готов выступить контрагентом у российских тракторных заводов при реализации этого проекта в части разработки, изготовления и испытаний опытных образцов, серийного производства полного комплекта тягового электрооборудования для автоматической электромеханической трансмиссии.

Применение электрической трансмиссии в тракторах имеет много преимуществ. Особенно это касается мощных, энергонасыщенных тракторов. В такой технике обычная механическая трансмиссия сложна и дорога, особенно в производстве — достаточно упомянуть только стоимость коробок передач, число которых в мощных тракторах доходит до нескольких десятков. Электромеханическая трансмиссия полностью решает эту проблему за счет всего двух режимов работы (двух передач) — рабочего и транспортного. Немаловажным обстоятельством для тракторных заводов является получение комплекта устройств КТЭО в качестве комплектующих, что существенно упрощает производственный и сборочный процесс.
Альтернативой электромеханической трансмиссии является гидравлическая (различных типов). Однако следует отметить, что гидротрансмиссия требует при изготовлении точной механической обработки (что недешево и нелегко осваивается на отечественных предприятиях); требуется высококачественное масло и жесткая процедура проведения технического обслуживания (что также непросто реализовать); КПД гидротрансмиссии ниже, чем электромеханической; наконец, ресурс работы гидротрансмиссии невелик. В таблице 2 приведены сравнительные показатели трансмиссий, применяемых в сельскохозяйственных тракторах. В совокупности, все эти факторы однозначно свидетельствуют в пользу применения в тракторах более простой конструктивно, более надежной, не требующей больших эксплуатационных затрат, имеющей больший ресурс, и, следовательно, более перспективной электромеханической трансмиссии.

* Примечание. В разработке устройств КТЭО и транспортных средств принимали участие сотрудники Концерна «Русэлпром» и предприятий — изготовителей конкретной транспортной техники