Рішення для електрифікації гірничої промисловості: проектування системи електричного самоскида

Електрифікація кар’єрних перевезень базується на накопиченні енергії великої ємності, важких силових агрегатах, високовольтних розподільних мережах і рідинному охолодженні теплового контролю, щоб замінити традиційні дизельні силові агрегати у важких кар’єрних самосвалах з нульовим рівнем викидів. Оптимальна конструкція системи електричного самоскида збалансовує архітектуру високої напруги, щільність потужності, міцність конструкції, термостабілізацію та швидку зарядку постійним струмом на рівні мегават, щоб забезпечити максимальний час безвідмовної роботи парку, ефективність роботи та зниження загальної вартості володіння в суворих умовах відкритого гірничого виробництва.

З першого погляду

1. Архітектура високовольтної системи електричного самоскида

Архітектура високовольтної системи електричного самоскида служить центральною електричною магістраллю, яка безпечно розподіляє, перетворює та управляє потужністю мегаватного рівня між накопичувачами енергії, тяговими приводами та допоміжними системами.

Щоб забезпечити безперервну подачу електроенергії через суворі рампи транспортування та різноманітні градієнти кар’єрів, сучасна архітектура високовольтного живлення працює при номінальній напрузі системи від 600 В постійного струму до 800 В постійного струму або вище. Сила високої напруги надходить від основного накопичувача тягової енергії безпосередньо в центральний блок розподілу високої напруги, який вибірково живить контролери двигунів головного приводу, допоміжні інверторні блоки, потужні перетворювачі постійного струму та інтерфейси швидкої зарядки мегават. Завдяки розв’язці первинних шляхів живлення за допомогою твердотільних контакторів і швидкодіючих пірозапобіжників ця архітектура ізолює потужні тягові кола від малопотужних допоміжних контурів, мінімізуючи електромагнітні перешкоди та максимізуючи безпеку системи за екстремальних динамічних електричних навантажень.

З інженерної точки зору, розробка архітектури електричних транспортних засобів для важких навантажень вимагає збалансування максимальної подачі струму з вагою кабельного джгута та обмеженнями розсіювання тепла. Кар’єрні самоскиди ультра-класу вимагають безперервної вихідної механічної потужності, що перевищує 1500 кВт, що вимагає пікових фазних струмів понад 2000 А під час транспортування на крутий підйом за умов максимального корисного навантаження. Високовольтні шини, екрановані багатожильні кабелі та важкі автомобільні з’єднувачі повинні підтримувати сувору гальванічну ізоляцію, що постійно контролюється високоточними пристроями контролю ізоляції. У наших польових розгортаннях європейські та глобальні майнінгові клієнти віддають перевагу резервним ізольованим каналам зв’язку та двоконтурним апаратним блокуванням, які запобігають замиканню високовольтного контактора в разі погіршення ізоляції заземлення рами або теплових аномалій.

Крім того, інтеграція передових рішень для електроприводів, таких як 320-тонний кар’єрний самоскид із жорстким приводом змінного струму демонструє, як системи електроприводу змінного струму високої напруги забезпечують плавне безредукторне розподілення крутного моменту, виняткову здатність долати підйоми та високу чутливість до гальмівної потужності. Інтеграція приводів електродвигунів із надійною високовольтною архітектурою дозволяє операторам видобувної промисловості вловлювати значну кінетичну енергію під час уповільнення спуску, повертаючи сотні кіловат-годин назад у масив накопичувачів енергії та зменшуючи загальний знос механічних гальм.

Тягова батарея

Тягова батарея функціонує як основний резервуар для накопичення енергії для електричного самоскида , постачаючи потужність постійним струмом на тяговий автобус транспортного засобу під час прискорення та підйому підйому, одночасно поглинаючи високошвидкісну електричну енергію під час рекуперативного уповільнення спуску по ямах. Високовольтні системи накопичення енергії для важких кар’єрних вантажівок сконструйовано з використанням надміцних призматичних літій-залізо-фосфатних елементів, зібраних у посилені субмодулі з інтегрованою структурою стиснення.

Блок розподілу живлення високої напруги (PDU)

Високовольтний розподільний блок діє як централізована розподільна коробка, яка безпечно направляє потужність постійного струму високого струму від тягової батареї до інверторів приводного двигуна, блоків рідинного нагріву, компресорів кондиціонера та допоміжних джерел живлення. Він включає в себе автомобільні контактори попереднього заряджання, основні позитивні та негативні контактори, твердотільні датчики струму та напівпровідникові запобіжники високої переривної здатності, призначені для гасіння катастрофічних струмів короткого замикання менш ніж за дві мілісекунди.

Система теплового менеджменту

Система теплового керування підтримує модулі тягової батареї, інвертори силової електроніки та приводні двигуни в межах їх оптимальних робочих температурних вікон незалежно від екстремальних умов навколишнього середовища, починаючи від мінусових температур взимку до спекотного літнього середовища в пустелі. Використовуючи замкнуті контури охолоджуючої рідини з рідким гліколем у поєднанні з теплообмінниками великої місткості, електричними охолоджувачами та нагрівальними елементами з позитивним температурним коефіцієнтом, система запобігає перегріву та запобігає низькотемпературному літієвому покриттю під час швидких циклів заряджання.

Контролер двигуна та приводний двигун

Контролер двигуна перетворює постійний струм від високовольтної шини в трифазний змінний струм змінної частоти для живлення потужного тягового двигуна. Використовуючи передові силові модулі MOSFET з карбіду кремнію або біполярні транзистори з ізольованим затвором у поєднанні з векторними алгоритмами керування, орієнтованими на поле, контролер двигуна забезпечує миттєвий крутний момент на низькій швидкості для градієнтного підйому та плавну безперервну подачу електроенергії по всьому спектру швидкостей.

Порт швидкої зарядки постійного струму

Порт швидкої зарядки постійного струму сприяє поповненню високої потужності електроенергії безпосередньо від автономних автоматичних зарядних станцій або автоматичних пантографних зарядних порталів, встановлених уздовж транспортних доріг. Розроблений для підтримки потужних стандартів системи зарядки мегават, порт містить зарядні кабелі з рідинним охолодженням, роз’єми для сильного струму та автоматизовані блокувальні вимикачі високої напруги, здатні безпечно передавати постійні зарядні струми до 1500 Ампер.

Інтегрований контролер

Інтегрований контролер працює як високорівневий блок керування доменом транспортного засобу, безперервно збираючи дані датчиків по каналах шини мережі контролера для оптимізації алгоритмів розподілу потужності, керування крутним моментом, коефіцієнтів рекуперації енергії та системних блокувань безпеки. Виконуючи детермінізм у реальному часі та стійку до збоїв логіку кінцевого автомата, інтегрований контролер координує послідовності перемикань високої напруги та запобігає шкідливим стрибкам напруги під час фаз швидкого прискорення та сильного уповільнення.

Допоміжні високовольтні системи

Допоміжні високовольтні системи охоплюють усі допоміжні електрифіковані підсистеми, необхідні для функціонування, включаючи високовольтні гідравлічні насоси з приводом від електродвигуна для гідропідсилювача керма та скидання ґрунту, повітряні компресори з двигуном для пневматичного гальмування та високопродуктивні компресори клімат-контролю в кабіні. Робота безпосередньо від високовольтної шини постійного струму через спеціалізовані допоміжні інвертори усуває паразитне механічне гальмування основної системи тяги та максимізує загальну ефективність перетворення енергії системи.

Обслуговування та надійність системи. Високовольтні електричні мережі, що працюють у відкритих шахтах, вимагають суворого щоквартального моніторингу опору ізоляції, протоколів блокування та маркування вручну перед обслуговуванням і регулярних тепловізійних перевірок усіх первинних контактних з’єднань збірних шин для виявлення мікровібраційного погіршення контакту до виникнення резистивного нагрівання.

2. Вибір і конструкція тягової батареї

Вибір тягової батареї та конструкція блоку для електричних самоскидів вимагають оптимального балансу високої об’ємної щільності енергії, виняткової термічної стабільності, надзвичайної стійкості до ударів і тривалого календарного циклу служби.

Транспортні операції з гірничої промисловості представляють собою унікальний жорсткий цикл, що характеризується безперервним високошвидкісним розряджанням під час транспортування завантаженого вгору з подальшим інтенсивним високошвидкісним регенеративним заряджанням під час повернення порожнього спуску. Вибраний хімічний склад літій-залізо-фосфату забезпечує внутрішню термічну безпеку, чудову структурну стабільність і видатний термін служби, що перевищує 4000-6000 повних циклів заряджання-розряджання на великій глибині розряду. Порівняно з хімічними речовинами нікель-марганець-кобальт, фосфат літію-заліза демонструє значно вищий поріг ініціювання термічного розгону, що робить його хімічним складом, який є кращим для інтенсивних відкритих гірничих робіт, де переважають ризики механічного проколу та тривале теплове навантаження з високим струмом.

Розробка механічного корпусу та модульної матриці для тягової батареї ультракласу вимагає ретельного проектування конструкції. Зовнішній корпус упаковки повинен витримувати серйозні багатоосьові вібраційні навантаження, що перевищують 5G, і структурно-механічні впливи від падаючих уламків каміння. Модулі містяться в корпусах із високоміцної конструкційної сталі або екструдованого алюмінієвого сплаву з внутрішніми конструкційними стільниковими поперечними елементами та вбудованими холодними пластинами рідинного охолодження, розташованими безпосередньо під основами клітин. Щоб запобігти поширенню тепла між сусідніми осередками в разі ізольованого внутрішнього короткого замикання, у кожен модуль акумуляторного модуля вбудовано високоякісні керамічні ізоляційні бар’єри, теплоізоляційні листи з аерогелю та вентиляційні клапани спрямованого скидання тиску.

У фактичному розгортанні клієнтами відкритих кар’єрів загальна корисна потужність енергії повинна бути ретельно розрахована на основі тривалості зміни, топографії шахти, відсоткового рівня підйому дороги та стратегії зарядки. Для рівнинних або крутих підйомів із завантаженими дорогами використовуються потужні акумулятори ємністю від 700 до 1400 кВт-год, щоб забезпечити безкомпромісну багатогодинну автономну роботу. Навпаки, під час спуску з навантаженням у глибоких ямах збір кінетичної енергії дозволяє електричному самоскиду працювати в стані нульового або позитивного енергоспоживання, регенеруючи достатню кількість потенційної енергії під час спуску, щоб повністю зарядити акумуляторну батарею для повернення в гору.

Принцип механічного захисту акумуляторної батареї: у структурних корпусах акумуляторної батареї використовується конструкція підлоги з подвійними стінками в поєднанні з еластомерними амортизаторами вібрації, встановленими між рейками рами шасі та монтажними кронштейнами, що ізолює чутливі внутрішні блоки акумуляторних елементів від скручування рами та високочастотних ударних навантажень під час високошвидкісного руху ґрунтовими дорогами.

3. Конструкція високовольтного блоку розподілу електроенергії (PDU).

Конструкція блоку розподілу живлення високої напруги забезпечує надійний електричний захист, вибіркове перемикання відгалужень і безперервну роздачу струму по всій платформі важкого електричного самоскида.

У кар’єрних самоскидах ультракласу з нульовими викидами високовольтний розподільний блок функціонує як основний центр маршрутизації електроенергії, керуючи потоками електроенергії між модулями зберігання енергії високої ємності, тяговими приводами з двома двигунами, допоміжними гідравлічними системами та інтерфейсами швидкої зарядки. Робота в суворих умовах гірничодобувної промисловості вимагає, щоб PDU витримував безперервну густину струму, що перевищує 1500 ампер, одночасно витримуючи значні стрибки напруги, спричинені індуктивним перемиканням навантаження та раптовою втратою тяги на ґрунтових дорогах. У внутрішньому структурному плані використовуються надміцні мідні шини, покриті нікелем або сріблом для мінімізації контактного опору, розміщені в герметичному корпусі з рейтингом IP67, оснащеному внутрішніми елементами контролю конденсації.

Координація безпеки в PDU базується на багаторівневій захисній матриці, що включає високошвидкісні напівпровідникові піроплавкі запобіжники, автомобільні вакуумні контактори та твердотільні датчики Холла, що визначають струм. Основний ланцюг тяги захищений надшвидкими піроплавкими запобіжниками, здатними переривати струми пошкодження до 30 кА менш ніж за одну мілісекунду, запобігаючи виникненню дугових спалахів і захищаючи чутливі інверторні модулі SiC. Крім того, активний контур блокування високої напруги безперервно контролює механічну цілісність усіх кришок високовольтних роз’ємів, миттєво вимикаючи головні контактори, якщо будь-яка високовольтна клема розмикається або виходить з місця під час роботи або технічного обслуговування.

Європейські клієнти, що займаються видобутком корисних копалин, і глобальні автопарки великої вантажопідйомності зосереджуються на модульних конструкціях PDU, які полегшують швидку польову діагностику та заміну компонентів. Завдяки інтелектуальній твердотільній логіці перемикання та локалізованій діагностиці шини CAN сучасні PDU постійно повідомляють про кількість циклів контактора, оцінки опору контактів, підвищення температури в місцях з’єднання шин і значення опору ізоляції в режимі реального часу на головний контролер домену автомобіля, що забезпечує прогнозне технічне обслуговування до відмови апаратного забезпечення.

Щоб максимізувати надійність під час важких навантажень, досліджуйте конструкції важких транспортних засобів, такі як потужний кар'єрний самоскид AC Drive підкреслює важливість надійних розподільних мереж високої напруги, розроблених для максимального часу безвідмовної роботи в складних позашляхових умовах.

Протокол безпеки технічного обслуговування PDU: Групи технічного обслуговування повинні перевірити загальний стан нульової напруги на всіх тестових клемах PDU за допомогою каліброваних вимірювачів високої напруги та встановлювати вручну високовольтні сервісні роз’єми, перш ніж відкривати сервісні кришки PDU, щоб запобігти випадковому контакту з накопиченою ємнісною енергією в банках шин постійного струму інвертора.

4. Конструкція системи електричної трансмісії для електричного самоскида

Конструкція системи електричної трансмісії поєднує в собі тягові двигуни з високим крутним моментом, вдосконалені контролери двигунів і потужну планетарну редукторну передачу для забезпечення плавної безперервної безперервної тягової сили.

Замінює традиційні дизельні двигуни та складні багатошвидкісні автоматичні коробки передач на конфігурації з прямим приводом або двомоторними електротягами. Електричні тягові двигуни, розроблені для кар’єрних вантажівок, як правило, використовують синхронні двигуни з постійними магнітами або асинхронні двигуни змінного струму, що характеризуються високою щільністю потужності, винятковим ККД понад 95 % і широким діапазоном швидкості постійної потужності. Архітектура з подвійним двигуном забезпечує незалежне керування крутним моментом кожного заднього колеса, забезпечуючи електронне блокування диференціала, динамічний контроль тяги та точне векторне розподілення крутного моменту, що значно покращує стійкість автомобіля та керованість на брудних або слизьких дорогах.

У контролері двигуна використовуються передові силові напівпровідникові модулі з карбіду кремнію, що працюють на високих частотах перемикання, для перетворення живлення постійного струму від батареї в точний трифазний вихід змінного струму. Технологія карбіду кремнію значно знижує втрати при перемиканні в порівнянні з традиційними кремнієвими IGBT, дозволяючи вищу щільність потужності в компактних корпусах з рідинним охолодженням. Контролер двигуна виконує орієнтоване на поле керування з алгоритмами ослаблення поля, забезпечуючи максимальний крутний момент при нульових обертах за хвилину для запуску повністю завантажених вантажівок на крутих 15% підйомах дороги, водночас плавно переходячи на постійну вихідну потужність для високошвидкісного транспортування по площі.

Рекуперативне відновлення енергії гальмування є важливою експлуатаційною перевагою конструкції електричної трансмісії. Під час спуску або уповільнення тягові двигуни діють як потужні електричні генератори, перетворюючи кінетичну енергію в постійний струм високої напруги, який заряджає бортову тягову батарею. Ця здатність динамічного гальмування забезпечує точне безконтактне керування швидкістю уповільнення, практично усуваючи знос механічних робочих гальм, знижуючи витрати на заміну фрикційних вкладишів і значно знижуючи рівень робочого шуму на території шахти.

Принцип роботи трансмісії: динамічне електричне уповільнення використовує генерацію зворотного крутного моменту, орієнтовану на поле, перетворюючи тяговий двигун на генератор змінного струму під час спуску. Отримана трифазна електрична потужність випрямляється інверторним модулем і направляється назад у тягову батарею зі швидкістю, що перевищує 1000 кВт, перетворюючи потенційну енергію в корисну накопичену потужність.

5. Розробка системи управління температурою батареї

Конструкція системи управління температурою батареї регулює температуру ядра накопичувача енергії за допомогою активного рідинного охолодження, циркуляції рідини теплового насоса та попереднього нагріву в холодну погоду для забезпечення безпеки та продуктивності.

Підтримка температури елементів тягової батареї в межах оптимального робочого вікна від 20 °C до 35 °C є важливою для збереження працездатності літій-іонної батареї, максимальної ефективності заряду/розряду та запобігання прискореній деградації клітин. У важких кар’єрних перевезеннях безперервний розряд високого рівня C під час крутого підйому в гору створює значне внутрішнє джоулеве нагрівання в елементах і з’єднувальних шинах. Без активного керування температурою температура клітини швидко перевищить критичні пороги безпеки, викликаючи терморегулювання або постійну втрату ємності.

Сучасні архітектури керування температурою використовують холодні пластини непрямого рідинного охолодження, інтегровані безпосередньо в структурну структуру батарейних модулів. Мікроканальні алюмінієві охолоджувальні пластини, покриті термоінтерфейсними матеріалами, контактують із великими плоскими поверхнями призматичних осередків, забезпечуючи рівномірний відбір тепла через усі паралельні групи осередків. У контурі охолодження циркулює вода-гліколевий теплоносій у співвідношенні 50/50, що приводиться в дію високоефективними високовольтними насосами охолоджуючої рідини зі змінною швидкістю. Під час літньої роботи з високим навантаженням рідина проходить через активний теплообмінник холодоагент-охолоджувач (охолоджувач), що працює від електричного спірального компресора, щоб підтримувати температуру основного модуля нижче 35°C, навіть якщо температура навколишнього повітря перевищує 45°C.

Під час видобутку взимку з мінусовою температурою температура система автоматично переходить у режим попереднього підігріву. Нагрівачі рідини з позитивним температурним коефіцієнтом високої напруги або контури рекуперації тепла теплового насоса нагрівають циркулюючу рідину перед початком роботи автомобіля або заряджання. Попереднє нагрівання елементів батареї принаймні до 15°C запобігає небезпечному літієвому покриттю на графітових анодах під час швидкої швидкої зарядки постійним струмом, забезпечуючи тривалий календарний термін служби батареї та безпечну швидку зарядку в холодному кліматі.

Інженерне надійне управління температурою та керування приводом є ключовими для загальної продуктивності транспортування. Розширені транспортні платформи для майнінгу, такі як ультракласні рішення для електричних самоскидів , демонструють, як високоефективні рідинні теплові контури та інтеграція електроприводу змінного струму забезпечують стабільну роботу в екстремальних умовах навколишнього середовища.

Порада щодо перевірки теплової системи. Технічні спеціалісти з технічного обслуговування повинні раз на два роки перевіряти концентрацію рідини рефрактометром на контурах охолоджуючої рідини та перевіряти перепади тиску в пластині з мікроканалами, щоб запобігти внутрішньому забрудненню твердими частинками або деградації гліколю, що негативно впливає на ефективність теплопередачі.

Висновок

Успішна електрифікація важких гірничих перевезень залежить від бездоганної інтеграції високовольтної архітектури системи, конструкції тягової батареї високої щільності, твердотільного захисту розподілу електроенергії, ефективних електричних силових агрегатів і надійного управління температурою рідини. Замінивши дизельні двигуни на високоефективні електродвигуни та високошвидкісні регенеративні системи накопичення енергії, оператори шахт можуть досягти значної економії палива, зменшити викиди парникових газів на місці до нуля, усунути тверді частки дизельного палива у відкритих виробках і знизити загальні витрати на технічне обслуговування протягом життєвого циклу. У міру того, як хімічний склад акумуляторів розвивається, а мегаватні зарядні мережі розвиваються, платформи великої місткості електричних самоскидів продовжуватимуть встановлювати нові стандарти продуктивності, довговічності та стабільності роботи на сучасних відкритих гірничодобувних роботах у всьому світі.