Prospects for the use of automated and robotized electric drives on mobile energy equipment and agricultural machinery working bodies

Full Text

Введение Первая попытка создать электротрактор в СССР была осуществлена в 1928 г. На колёсном тракторном шасси был установлен электродвигатель переменного тока напряжением 220В, мощностью 14,5 кВт с подачей напряжения от сети к электродвигателю через гибкий кабель длиной 200 - 250 м, наматываемый на барабан. Эта конструкция электротрактора оказалась неработоспособной вследствие своего технического несовершенства. Анализ мирового тренда развития машинных технологий сельскохозяйственного производства показывает, что в них имеет место интенсивное применение электрического привода (на асинхронных и синхронных двигателях, двигателях постоянного тока и т.д.). На сегодняшний день это направление характеризуется применением десятков миллионов электрических машин. Между тем сельхозпроизводство ещё не исчерпало всех возможностей использования электропривода в мобильных энергосредствах (МЭС) и технологических процессах. В связи с этим работы по исследованию и применению автоматизированных электроприводов на сельскохозяйственных мобильных машинах и на их активных рабочих органах, выполняющих тяжелые технологические операции, являются актуальным и перспективным [9, 10, 11, 12]. Описание исследования Система машин и технологий сельскохозяйственного производства имеет широкий спектр объектов разработки. Это, прежде всего, МЭС, их активные рабочие органы, технологическое оборудование и другие технические средства в растениеводстве, садоводстве, животноводстве и т.д. Сегодняшнее развитие электронно-преобразовательной техники позволяет применять на них различные типы электроприводов исполнительных органов сельхозмашин, в том числе и переменного тока, питать их от системы «Дизель-Генератор», аккумуляторов или бортовой сети постоянного тока. Необходимость создания тягового электропривода на сельскохозяйственных МЭС очень активно и повсеместно обсуждается в мировой научной литературе. Вместе с этим внедрение его сдерживается многими барьерами: отсутствием четких технологических и конструктивных требований, отсутствием отвечающей условиям эксплуатации сельхозмашин высокоэффективной элементной базы и другими. Концепция создания тракторов и сельхозмашин с электрическим силовым приводом должна быть определена на ранних этапах их проектирования, при этом в качестве преимуществ применения автоматизирования ЭП должны рассматриваться следующие: 1) улучшение технико-экономических показателей МЭС; 2) снижение динамических нагрузок на узлы трактора и дизеля; 3) уменьшение буксования колес, снижение расхода топлива до 30%; 4) обеспечение бесступенчатого регулирования скорости агрегата; 5) снижение эксплуатационных затрат на техническое обслуживание и ремонт; 6) повышение надежности работы трактора в целом; 7) большой диапазон мощностей двигателей; 8) возможность дистанционного управления; 9) удобство регулирования скорости; 10) широкие возможности автоматизации и интеллектуализации; 11) постоянная готовность к работе; 12) экономичность и возможность реверсирования; 13) упрощение трансмиссий; 14) возможность применения индивидуального привода для каждого механизма. Применение электропривода находится в начальной стадии развития и требует фундаментального подхода к изучению и исследованию различных аспектов этой проблемы: разработка силовых электрических машин, систем их управления, источников питания, функционирование системы «Дизель-Генератор», создание бортовой информационной техники, их адаптация в составе сельхозмашины и т.д. Применение системы «Дизель-Генератор» подразумевает, что мощность двигателя реализуется постоянной по величине во всем тягово-скоростном рабочем диапазоне, а полностью автономный электропривод обеспечивается питанием от аккумуляторных батарей. Электропривод, применяемый в производственных процессах, делят на следующие основные типы: групповой, одиночный, многодвигательный и агрегатированный (действует система рабочих машин, объединенных в общую технологическую линию). Электрические приводы могут быть классифицированы по ряду признаков: по условиям применения (стационарные и передвижные), по способу управления (автоматизированные, частично автоматизированные и неавтоматизированные), по числу скоростей (односкоростные и многоскоростные), по роду используемой электрической энергии (постоянный ток, однофазный и трехфазный) и др. В сельскохозяйственном производстве применяется 14,3 млн. электродвигателей и 2,7 млн. различных производственных электроустановок. Среди всех типов электроприводов асинхронные электроприводы нашли самое широкое применение в сельскохозяйственном производстве. На сегодняшний день их количество в нем исчисляется сотнями миллионов штук. Это объясняется тем, что такой привод имеет простую конструкцию, что обуславливает легкость в эксплуатации и обслуживании, кроме того, такой привод экономичнее из-за высокого КПД машины. Однако такие приводы имеют ограниченное применение в виду стационарных условий их эксплуатации: они могут работать только там, где подведена трехфазная электрическая сеть. Вместе с тем развитие преобразовательной техники позволяет применять на МЭС асинхронные приводы, питая их от аккумуляторов или бортовой сети постоянного тока тракторов и комбайнов. Из всех известных в настоящее время тракторных тяговых приводов наиболее близок к идеальному современный полнопоточный асинхронный ТЭП переменного тока с частотным регулированием. Минимальная структурная схема такого привода содержит асинхронный моторгенератор (АМГ), тяговый асинхронный двигатель (ТАД), блок силовой электроники (БСЭ) с векторным управлением ТАД, контроллер верхнего уровня (КВУ) и автономную станцию электроснабжения (АСЭ). По указанным причинам у трактора «Беларус-3023» из 220 кВт номинальной мощности двигателя на ТАД приходит 183 кВт или 83,1%, а до ведущих колес доходит только Nk = 162,8 кВт или 74%. По сравнению с характеристикой идеального тягового привода на ведущих колесах трактора не добирается 41 кВт мощности. Для обеспечения активного поворота трактора необходимо использовать раздельный электропривод движителей правого и левого бортов. Это уже сейчас может обеспечиваться моторно-колесной и моторно-осевой схемами, а также моторно-бортовой схемой на гусеничных тракторах. Последнее можно реализовать и на колесных тракторах. При этом из механической части трансмиссии дополнительно исключаются межколесные и межосевые дифференциалы, а их функции выполняют «электронные дифференциалы» в системе управления тяговыми двигателями бортов, которые при повороте тяговой машины управляют электроприводами колес (гусениц) по заложенным в управление поворотом алгоритмам, в том числе и движением бортов в разных направлениях. Для достижения максимального эффекта от электропривода на тракторе целесообразно отказаться от локальной модернизации трактора и перейти к разработке основ теории и конструкции базовых моделей электроприводных тракторов, изначально закладывая в них прогрессивные эксплуатационные свойства как с учетом новых земледельческих технологий, так и с учетом экономической, экологической и социальной эффективности. В этом случае на долгосрочную перспективу (10-20 лет и выше) необходимо учитывать возможность применения доводки электрохимических генераторов и резонансных бесконтактных методов передачи электроэнергии. Разрабатываемые автоматизированные и роботизированные электроприводы должны быть приспособлены к сложным природно-климатическим условиям их эксплуатации. Кроме вышеупомянутой компонентной базы для функционирования автоматизированного и роботизированного электропривода необходимо наличие следующих датчиков по функциональному назначению: датчики положения, акселерометры, датчики давления, датчики изгиба, гироскопы, датчики газоанализаторы (водород, углекислый газ, горючие и угарные газы и др.), датчик кислотности жидкостей, датчики освещенности, датчики потока (жидкостей), датчики тока, датчики Холла, датчики-дальномеры, датчики ультразвуковые (обнаружение препятствий), датчики магнетометры/компасы, датчики вибраций, тензометрические датчики и др. Западные фирмы, обладая высоким уровнем технологии производства в электротехнической и машиностроительной отраслях, часто используют высокоскоростные двигатели, снабженные точными подшипниковыми узлами, сложными многоступенчатыми редукторами и механическими передачами. На рис. 1 приведены прогнозная динамика развития удельных мощностей электрических машин в период 2017-2050 гг. Довольно большое число приводов для малых и средних мобильных средств выполнено на основе синхронного привода с возбуждением от высокоэффективных редкоземельных постоянных магнитов (на базе сплава неодим-железо-бор). Рис. 1. Прогнозы развития электрических машин Многие фирмы применяют интегрированные узлы, объединяющие двигатели, преобразователи, механические передачи, системы охлаждения, силовые и электронные управляющие устройства - мехатронные модули движения. Специалисты видят в них перспективу и основное средство удешевления приводных систем, улучшения их показателей. Российские организации в состоянии самостоятельно создать и организовать производство электроприводов, не уступающих мировому уровню [1-8]. Разработки современных отечественных приводов должны базироваться на использовании: · отечественных методик проектирования электрических двигателей для регулируемого привода, позволяющих выявлять их предельные возможности, проектировать активную часть приводов с существенно улучшенными массо-габаритными показателями; · современной электронной силовой и управляющей элементной базы разработчики отечественной, позволяющей заниматься проектированием на высоком техническом уровне; · методики идентификации параметров асинхронных двигателей и определения оптимальных режимов работы; · технологий и производственных мощностей для производства электромеханических и механических элементов привода, т.е. электродвигателей, тормозных, рулевых, охлаждающих и т.д. систем. Для базовых мобильных платформ на автоматизированном электроприводе характерными компоновками являются нижеприведенные две схемы - применение системы «Дизель-Генератор» и системы «Автономных аккумуляторных батарей» (рис. 2). Рис. 2. Концепция мобильной платформы на частотно управляемом электроприводе Однако для применения более перспективных компоновочных схем, использующих автономные аккумуляторные батареи, требуется разработка накопителей энергии с высокой удельной емкостью. В дальнейшем предполагается, что с совершенствованием технологии создания электрохимических источников энергии - топливных элементов - появятся техническо-экономическая целесообразность их применения на МЭС, в том числе с активными рабочими органами на электроприводе. На рис. 3 приведена динамика развития накопителей энергии и топливных элементов. а) б) Рис. 3. Мировые тренды развития автономных источников энергии: а) рост удельной ёмкости аккумуляторов, б) рост удельной мощности топливных элементов Основными стратегическими направлениями при создании и внедрении наукоемких компонентов для электро- и гибридноприводной мобильной техники являются: · выделение наиболее перспективных направлений работ с учетом мирового опыта; · сотрудничество с ведущими инофирмами по организации совместных разработок компонентов, эксплуатации и совместного производства компонентов и транспортной техники; · комплексный подход, подразумевающий привлечение специалистов по системному проектированию, управлению, силовой и управляющей электронике, электроприводу, электрохимии, материаловедению и т.д.; · унификация разрабатываемых компонентов, интегрированных систем для техники различного типажа и размерности. Улучшение качества компонентов и мобильных средств требует разработки четкой программы стандартизации. Необходимо разрабатывать новые стандарты по новой мобильной сельхозтехнике. В дальнейшем эти стандарты будут применяться для эффективного внедрения новых технологий на рынок наиболее эффективным путем. Заключение Анализ мировых тенденций развития инновационных машин и оборудования для аграрно-промышленного комплекса показывает, что в ближайшие 5-10 лет будет наблюдаться интенсивное применение автоматизированных электро- и гибридных приводов на сельскохозяйственных машинах, в том числе и в роботизированных сельскохозяйственных комплексах. Данное направление имеет большие перспективы, связанные с технико-экономической эффективностью, экологической безопасностью, управляемостью, улучшением условий труда, а также повышением технического уровня и качества создаваемых машинных технологий сельскохозяйственного производства. Для успешного применения автоматизированных электроприводов в сельскохозяйственном производстве в ближайшей перспективе должны решаться проблемы по созданию и организации промышленного производства высокоэффективных электрических машин, автономных энергоисточников - созданию энергоемких аккумуляторных батарей, супер конденсаторов, электрохимических источников энергии (топливных элементов), внедрению концептуально нового резонансного способа передачи электроэнергии, высокоэффективной и высокоточной силовой электроники и преобразовательной техники, высокозащищённой виброустойчивой бортовой вычислительной и навигационной техники.

About the authors

Z. A Godzhaev

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

Email: fic51@mail.ru
Dr.Eng.

A. YU Izmajlov

Federal Scientific Agro-Engineering Center VIM

Academician of the Russian Academy of Sciences

YU. F Lachuga

Russian Academy of Sciences

Academician of the Russian Academy of Sciences

YU. H SHogenov

Russian Academy of Sciences

Dr.Eng.

References

Supplementary files