Исследование параметров трактора с электроприводным силовым агрегатом

Показали, что снизить токсичность отработанных газов и повысить эффективность работы тракторов можно с помощью электроприводного силового агрегата для реализации тягового усилия. Коэффициент полезного действия современных электродвигателей достигает в пике 96 процентов, по сравнению с 45 у дизельного двигателя. Подчеркнули, что этот параметр для современных источников электрической энергии равен 85-90 процентам, что открывает возможности для реализации электрической тяги на тракторах.

(Цель исследования) Представить общую концепцию электроприводного силового агрегата для трактора малого тягового класса и оценить его параметры в первом приближении.

(Материалы и методы) Для электропривода трактора в качестве источника электрической энергии выбрали литий-ионные аккумуляторы, показывающие лучшие характеристики энергоемкости – 432-864 килоджоуля на килограмм при удельной стоимости 4200-17400 рублей на килограмм. В ходе анализа типов привода силового агрегата рассмотрели дизельный двигатель Д-120 мощностью 20 киловатт, электродвигатель постоянного тока и асинхронный двигатель с аналогичными параметрами. В качестве основы для расчета взяли трактор ВТЗ-2032 с номинальным тяговым усилием 6000 ньютонов при работе на стерне. (Результаты и обсуждение) Выявили лучшие показатели электропривода вследствие более широкого нагрузочного диапазона характеристик на передачах при снижении удельных затрат на киловатт-час с 24 до 15-16 рублей.

(Выводы) Определили наиболее эффективный двигатель – электрический бесщеточный постоянного тока. Рассчитали, что удельная стоимость его энергии в 1,5-1,8 раза меньше, чем у дизельного двигателя, и составляет 15- 27 рублей на киловатт-час при максимальной эффективности 95 процентов. Установили, что оптимальным решением для питания электропривода будут литий-ионные аккумуляторы. Они отличаются высокой удельной энергоемкостью – 432- 864 килоджоуля на килограмм – и низкой ценой за единицу энергии, составляющей 5-45 рублей за килоджоуль

1. Марков B.А., Девянин C.Н., Быковская Л.И., МарковаИ.Г. и др. Биогаз – перспективное топливо для дизелей // Грузовик. 2018. N5. С. 29-39.

2. Бижаев А.В. Исследование методов добавок воды к топливу в поршневой двигатель внутреннего сгорания // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2015. Т. 9. N1. С. 16-19.

3. Загинайлов В.И., Андреев С.А. История развития, состояние и перспективы применения электромобильной техники в полеводстве // Вестник федерального государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина». 2017. N6(82). C.15-22.

4. Иванов С.А., Бобровников Д.Е. Использование накопителей энергии в тягово-транспортных средствах. М.: Триада. 2018. 124 с.

5. Исаков П.П., Иванченко П.Н., Егоров А.Д. Электроме ханические трансмиссии гусеничных тракторов. Л.: Машиностроение. 1981. 302 с.

6. Майстренко Н.А., Уваров В.П. Потребительские ориентиры эффективного использования перспективных транспортно-технологических средств // Вестник МГАУ имени В.П. Горячкина. 2016. N1. С. 14-15.

7. Zeraoulia M., Benbouzid M.E.H., and Diallo D. Electric motor drive selection issues for HEV propulsionsystems: A comparative study. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2006. N55(6). 756-1764.

8. Burress T.A., Campbell S.L., Coomer C.L., Ayers C.W. Evaluation of the 2010 toyota prius hybrid synergy drive system. Oak ridge national laboratory. – U.S. Department of Energy Vehicle Technologies. March 2011. 79.

9. Строганов В.И., Козловский В.Н. Моделирование систем электромобилей и автомобилей с комбинированной силовой установкой в процессах проектирования и производства: Монография. М.: МАДИ. 2014. 264 с.

10. Иванов А.М., Иванов С.А. Комбинированные энергоустановки с ИКЭ – основа эффективного использования топливно-энергетических ресурсов XXI века // Электротехника. 2003. N12. С. 2-6.

11. Скундин А.М. Литий-ионные аккумуляторы: современное состояние, проблемы и перспективы // Электрохимическая энергетика. 2011. Т. 1. С. 5-15.

12. Деспотули А., Андреева А. Суперконденсаторы для электроники (часть 1) // Современная электроника. 2006. N5. С. 10-14.

13. Tarascon J.-M., Armand M. Issues and challenges facing rechargeable lithium batteries. Nature. 2011. Vol. 414. 359-367.

14. Ivanov D.A., Velikoretskiy A.A., Nekrasov A.S., Papkin I.A. Lithium-ion batteries with forced air cooling: simulation and laboratory tests. International Journal of Engineering and Advanced Technology. 2019. Т. 13. N1. 5552-5558.

15. Бижаев А.В. Проблемы выбора типа привода силового агрегата трактора на электрической тяге // Чтения академика В. Н. Болтинского: Сборник статей. 2020. С. 247-252.

16. Кутьков Г.М., Соловейчик А.А., Сидоров М. В. Теория и расчет полноприводного трактора // Сельскохозяйственные машины и технологии. 2014. Т. 8. N2. С. 8-14.

17. Якушев А.Я., Назирхонов Т.М., Викулов И.П., МарковК.В. Определение основных параметров асинхронного тягового электродвигателя // Известия Петербургского университета путей сообщения. 2019. Т. 16. Вып. 4. С. 592-601.

18. Фаттахов К.М., Фаттахов Р.К. Расчет и построение пусковых характеристик асинхронного двигателя по каталожным данным // Нефтегазовое дело. 2012. N3. С. 25-31.

19. Черняк Ю.В., Гатченко В.А., Каращук С.В. Модель тягового привода электровоза постоянного тока с широтно-импульсным регулированием напряжения тяговых электродвигателей // Вестник Белорусского государственного университета транспорта: Наука и транспорт. 2018. N1(36). С. 28-29.

20. Шухарев С.А. Моделирование работы двигателя постоянного тока // Вестник института тяги и подвижного состава. 2018. N14. С. 7-12.

21. Бижаев А.В., Чумаков В.Л., Путан А.А. Расчетная модель основных параметров рабочего цикла дизеля с использованием различных типов топлив // Доклады ТСХА: Сборник статей. 2020. Выпуск 292. Ч. I. С. 244-247.

22. Дерюшев В.В., Виноградова T.A. Анализ скоростных характеристик современных двигателей. Мир транспорта и технологических машин. 2019. N1(64). С. 3-10.

23. Chau K., Chan C., and Liu C. Overview of permanent-magnet brushless drives for electric and hy-brid vehicles. IEEE Transactions On Industrial Electronics. 2008. 55(6). 2246-2257.

24. Al-Mashakbeh A.S.O. Proportional integral and derivative control of brushless DC motor. European Journal of Scientific Research. 2009. 35(2), 198-203.

25. Hanselman Duane C. Brushless permanent magnet motor design. 2nd ed. 2003. 392.

26. Овчинников И.Е. Вентильные электрические двигатели и привод на их основе. СПб.: КОРОНА-Век. 2016. 336 с.

27. Dolgih A., Martemyanov V., Borikov V. Dependence of the torque-rotor position characteristic from the tape winding current. Przeglad elektrotechniczny. 2019. Vol. 95. N9. 71-75.