Наверное, все знают, что большие карьерные самосвалы имеют электромеханическую трансмиссию (уже с 1968 года): ДВС вращает генератор, энергия от которого приводит в движение тяговые электродвигатели в задних колесах самосвала. В интернете можно найти много обзорных статей и «тест драйвов» этих машин, но многие технические подробности обычно опускаются. Эта серия статей будет написана с изнаночной стороны, от имени разработчиков электрической трансмиссии: как мы это разрабатывали, на каких контроллерах, на каких двигателях, как отлаживали и запускали машину. Также мы готовы ответить на интересующие вопросы в комментариях. Интересно? Добро пожаловать под кат.
Почему электрический?
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
У нас есть логи реальной эксплуатации самосвала в карьере. Давайте возьмем одну ходку машины вверх-вниз и посчитаем энергию, которую выдает генератор (т.е. дизель), и которая рассеивается в тормозных резисторах. Одна ходка в движении занимает 10 минут, включая подъем, разгрузку и спуск. Ну и потом минут 5 еще ожидание очереди на экскаватор и погрузку. В логах это выглядит вот так:
Здесь на верхнем графике частоты вращения и токи тяговых двигателей (желый и фиолетовый соответственно), а на нижнем мощности генератора и тормозных резисторов (голубым и красным). Пересохраним лог в виде точек и построим тоже самое в экселе:
А теперь проинтегрируем по времени, чтобы получить энергию:
Получили, что на ходку тратится 280МДж энергии, а рассеивается в резисторах на спуске 75МДж. Да, четверть энергии можно было бы съэкономить рекуперацией.
Давайте прикинем батарейку, чтобы огибридить БелАЗ и сохранить эту энергию на спуске. У Теслы батарея на 85кВт*ч, что составляет 306МДж энергии. Этого хватит вполне на в четыре раза более долгий спуск (но надо сказать, что наш карьер был очень мелкий, и вообще говоря есть такие, где по полчаса машины едут и даже более). Только вот по току заряда батарейка не пройдет – как видно из графика мощности, заряжать её нужно с пиковой мощностью мегаватт (местами), ну или со средней мощностью на спуске в 250кВт (если как-то это обеспечить равномерным торможением). Если не заниматься явным убиванием батареи и заряжать её током не более 1C (примерный состав батареи я брал отсюда), то для принятия мощности 250кВт нужно 6-8 таких батареек, т.е. 510кВт*ч, что дает массу батарей что-то типа 3 тонн. Для 90-тонного грузовика не так и много на самом деле.
Хотя можно позаниматься спекуляцией в этом месте и сказать, что Tesla Supercharger заряжает батареи мощностью 120кВт и ничего, и вроде как собираются еще повышать мощность. Да и сама Тесла тормозит с большой мощностью (хотя и очень короткое время). В этом случае, может быть, достаточно и одной батареи Тесла, и ничего там так яростно не деградирует от большого тока заряда (я не специалист химии батарей). Кроме того, при заряде с током, скажем, 3C у батареи уже заметно низкий КПД, и немалая часто того, что мы можем наэкономить в рекуперации, уйдет в нагрев батареи, поднимутся вопросы охлаждения. Но то, что батареек нужно все-таки побольше, показывает следующий абзац.
Давайте посчитаем время жизни батарейки. Водители говорят, что за смену успевают сделать около 20 ходок, а так как машина работает круглые сутки, то давайте возьмем 60 ходок в сутки. Это 60*75МДж энергии, прокачанной туда-сюда из батареи или примерно 0.4 цикла заряда/разряда для шести батареек в сутки. Если взять сценарий времени жизни батарей в 500 циклов, то это чуть менее трех лет эксплуатации и батарею можно выбрасывать. Одна батарея тесла стоит больше миллиона рублей, а мы собираемся поставить таких 6.
Остается посчитать стоимость соляры, которая сжигается впустую. Хоть контроллер дизеля и шлет в своих CAN-данных мгновенный расход топлива, и его можно тоже проинтегрировать, но я не очень верю этим данным и предлагаю воспользоваться удельными показателями. Вот из этой статьи следует, что на производство одного киловатт-часа электроэнергии тратится 200 грамм топлива. У нас в сутки расходуется «на сдув в резисторы» 60*75МДж. Однако не стоит спешить умножать: не всю эту энергию можно спасти. КПД литиевого аккумулятора при токах заряда/разряда 1C примерно 0.8-0.9 (большее значение для LiFePO4), еще КПД преобразователя тоже порядка 0.95, а значит хорошо если 60*75*0.9*0.95*0.95=3655МДж энергии мы сможем вернуть на подъеме и не тратить эквивалентное сжигание соляры. КПД двунаправленного DCDC преобразователя (который преобразует энергию с прыгающей киловольтовой шины машины в то что надо батарейке и обратно) я поставил два раза, так как им нужно сначала зарядить, а потом разрядить батарейку. Теперь умножаем: 3655*0.2/(60*60)*1000=203 килограмм горючки, или 240 литров, или 11 т.р. в сутки на тёплый ветер из резисторов. За три года это 12млн.р. при цене батарей где-то 7 млн.
Также к стоимости батарей еще нужно прибавить их обслуживание и замену неисправных ячеек (простой машины на это время), нужен преобразователь зарядный (тоже плюс миллион, наверное). Также не факт, что зимой батареи обрадуются зарядному току 1C, их нужно будет как-то подогревать или ограничивать зарядный ток, а летом также хорошенько охлаждать.
Кроме того, не посчитаны потери от недогруза машины на эти 3 тонны массы батарей и энергия на их транспортировку вверх-вниз.
К плюсам же батареек можно отнести то, что при подъеме они добросят мощности на колеса, тем самым повысив производительность машины.
В общем, вроде как выгода от батарей по расчету кое-какая есть, но не так разительна, чтобы бежать их срочно ставить. Всё зависит от числа циклов, которые они проживут в этих условиях, а их точно никто не знает.
Можно еще вспомнить про суперконденсаторы. Но с ними что-то совсем получается плохо. Я взял первые попавшиеся из более-менее современых. Одна сборка 125V 63Ф, 60кг, 600 т.р. Нам нужно для одного короткого спуска таких на 75МДж, а значит 150 шт: это 9 тонн веса и 90 млн.р.
Здесь на верхнем графике частоты вращения и токи тяговых двигателей (желый и фиолетовый соответственно), а на нижнем мощности генератора и тормозных резисторов (голубым и красным). Пересохраним лог в виде точек и построим тоже самое в экселе:
А теперь проинтегрируем по времени, чтобы получить энергию:
Получили, что на ходку тратится 280МДж энергии, а рассеивается в резисторах на спуске 75МДж. Да, четверть энергии можно было бы съэкономить рекуперацией.
Давайте прикинем батарейку, чтобы огибридить БелАЗ и сохранить эту энергию на спуске. У Теслы батарея на 85кВт*ч, что составляет 306МДж энергии. Этого хватит вполне на в четыре раза более долгий спуск (но надо сказать, что наш карьер был очень мелкий, и вообще говоря есть такие, где по полчаса машины едут и даже более). Только вот по току заряда батарейка не пройдет – как видно из графика мощности, заряжать её нужно с пиковой мощностью мегаватт (местами), ну или со средней мощностью на спуске в 250кВт (если как-то это обеспечить равномерным торможением). Если не заниматься явным убиванием батареи и заряжать её током не более 1C (примерный состав батареи я брал отсюда), то для принятия мощности 250кВт нужно 6-8 таких батареек, т.е. 510кВт*ч, что дает массу батарей что-то типа 3 тонн. Для 90-тонного грузовика не так и много на самом деле.
Хотя можно позаниматься спекуляцией в этом месте и сказать, что Tesla Supercharger заряжает батареи мощностью 120кВт и ничего, и вроде как собираются еще повышать мощность. Да и сама Тесла тормозит с большой мощностью (хотя и очень короткое время). В этом случае, может быть, достаточно и одной батареи Тесла, и ничего там так яростно не деградирует от большого тока заряда (я не специалист химии батарей). Кроме того, при заряде с током, скажем, 3C у батареи уже заметно низкий КПД, и немалая часто того, что мы можем наэкономить в рекуперации, уйдет в нагрев батареи, поднимутся вопросы охлаждения. Но то, что батареек нужно все-таки побольше, показывает следующий абзац.
Давайте посчитаем время жизни батарейки. Водители говорят, что за смену успевают сделать около 20 ходок, а так как машина работает круглые сутки, то давайте возьмем 60 ходок в сутки. Это 60*75МДж энергии, прокачанной туда-сюда из батареи или примерно 0.4 цикла заряда/разряда для шести батареек в сутки. Если взять сценарий времени жизни батарей в 500 циклов, то это чуть менее трех лет эксплуатации и батарею можно выбрасывать. Одна батарея тесла стоит больше миллиона рублей, а мы собираемся поставить таких 6.
Остается посчитать стоимость соляры, которая сжигается впустую. Хоть контроллер дизеля и шлет в своих CAN-данных мгновенный расход топлива, и его можно тоже проинтегрировать, но я не очень верю этим данным и предлагаю воспользоваться удельными показателями. Вот из этой статьи следует, что на производство одного киловатт-часа электроэнергии тратится 200 грамм топлива. У нас в сутки расходуется «на сдув в резисторы» 60*75МДж. Однако не стоит спешить умножать: не всю эту энергию можно спасти. КПД литиевого аккумулятора при токах заряда/разряда 1C примерно 0.8-0.9 (большее значение для LiFePO4), еще КПД преобразователя тоже порядка 0.95, а значит хорошо если 60*75*0.9*0.95*0.95=3655МДж энергии мы сможем вернуть на подъеме и не тратить эквивалентное сжигание соляры. КПД двунаправленного DCDC преобразователя (который преобразует энергию с прыгающей киловольтовой шины машины в то что надо батарейке и обратно) я поставил два раза, так как им нужно сначала зарядить, а потом разрядить батарейку. Теперь умножаем: 3655*0.2/(60*60)*1000=203 килограмм горючки, или 240 литров, или 11 т.р. в сутки на тёплый ветер из резисторов. За три года это 12млн.р. при цене батарей где-то 7 млн.
Также к стоимости батарей еще нужно прибавить их обслуживание и замену неисправных ячеек (простой машины на это время), нужен преобразователь зарядный (тоже плюс миллион, наверное). Также не факт, что зимой батареи обрадуются зарядному току 1C, их нужно будет как-то подогревать или ограничивать зарядный ток, а летом также хорошенько охлаждать.
Кроме того, не посчитаны потери от недогруза машины на эти 3 тонны массы батарей и энергия на их транспортировку вверх-вниз.
К плюсам же батареек можно отнести то, что при подъеме они добросят мощности на колеса, тем самым повысив производительность машины.
В общем, вроде как выгода от батарей по расчету кое-какая есть, но не так разительна, чтобы бежать их срочно ставить. Всё зависит от числа циклов, которые они проживут в этих условиях, а их точно никто не знает.
Можно еще вспомнить про суперконденсаторы. Но с ними что-то совсем получается плохо. Я взял первые попавшиеся из более-менее современых. Одна сборка 125V 63Ф, 60кг, 600 т.р. Нам нужно для одного короткого спуска таких на 75МДж, а значит 150 шт: это 9 тонн веса и 90 млн.р.
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
— 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.
— 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.
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».
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».
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
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
