ПЕРСПЕКТИВЫ ПЕРЕВОДА СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ НА ЭЛЕКТРОТЯГУ

PROSPECTS FOR THE TRANSFER OF AGRICULTURAL MACHINERY TO ELECTRIC POWER

Artem Bondarenko

Student of the 2nd year of the direction of preparation 35.03.06 Agroengineering profile «Electrical equipment and electrical technologies» of the Faculty of Engineering, Orenburg State Agrarian University

Russia, Orenburg

Bakhtiyar Abdugaliev

master's student of the 2nd year of the direction of preparation 35.04.06 Agroengineering profile «Electrical technologies and electrical equipment in agriculture» of the Faculty of Engineering, Orenburg State Agrarian University,

Russia, Orenburg

Rayan Gabbasov

master's student of the 2nd year of the direction of preparation 35.04.06 Agroengineering profile «Electrical technologies and electrical equipment in agriculture» of the Faculty of Engineering, Orenburg State Agrarian University,

Russia, Orenburg

Alexey Baikov

Scientific Supervisor, Associate Professor of the Department of Electrical Technologies and Electrical Equipment, Faculty of Engineering, Orenburg State Agrarian University,

Russia, Orenburg

АННОТАЦИЯ

Отражены основные этапы и направления развития электромобилей. Проведен сравнительный анализ применения традиционной сельскохозяйственной техники, работающей на углеводородном топливе, и электрических машин. Сделан вывод о перспективности перевода мобильной сельскохозяйственной техники на электрическую тягу.

ABSTRACT

 The main stages and directions of development of electric vehicles are reflected. A comparative analysis of the use of traditional agricultural machinery operating on hydrocarbon fuels and electrical machines has been carried out. It is concluded that the transfer of mobile agricultural machinery to electric traction is promising.

Ключевые слова: двигатель внутреннего сгорания, электромобиль, электродвигатель.

Keywords: internal combustion engine, electric car, electric motor.

Введение. В настоящее время все чаще на дорогах встречаются электромобили, их количество с каждым годом стремительно увеличивается. Так по данным Международного энергетического агентства (IEA) к концу 2022 года количество электромобилей на дорогах мира превысило 26 млн., что в пять раз больше, чем в 2018 году. Но на данный момент только чуть больше 2% автомобилей на дорогах мира электрические. В сельском хозяйстве динамика перевода техники на электротягу не наблюдается.  В России парк тракторов сельскохозяйственного производства составляет около 200 тыс. ед. и с каждым годом идет его увеличение, но закупка техники на электротяге не происходит. Изучим возможности успешного использования этих устройств в наши дни.

Цель - обосновать необходимость замены двигателей внутреннего сгорания на электродвигатели в сельскохозяйственной технике.

Проблема исследования – насколько экономичны электромобили в сельскохозяйственной эксплуатации.

Объект исследования – двигатели внутреннего сгорания (дизельный и бензиновый) и электродвигатель для сельскохозяйственного транспорта.

Историческая справка. История развития электромобилей начинается с создания электрического двигателя. В 1834 году русским ученым Борисом Семёновичем Якоби был создан первый электродвигатель с вращающимся валом. В 1835 году шотландец Роберт Андерсон на выставке Общества поощрения искусств, мануфактур и торговли показал свою электрифицированную тележку. Но практическая возможность постройки данного транспортного средства появилась в 1889 году, когда замечательный русский инженер-электротехник Михаил Осипович Доливо-Добровольский разработал систему трехфазного тока и опробовал на ней первый трехфазный двигатель переменного тока. Электродвигатель разработанный Доливо-Добровольским остался практически неизменным до настоящего времени. Широкое применение электродвигатели его разработки наши в Великобритании. К 1897 году в Лондоне работали 15 электромобилей, в 1914 по всему миру - около 30000. Это был краткий успех электромобилей.  Вскоре о них забыли. Началась эпоха ДВС.

Двигатели внутреннего сгорания появились как альтернатива популярным в 19 веке паровым двигателям. Их преимуществами были малые габариты и быстрый запуск. Первый практически действующий двигатель был построен в 1860 году бельгийским механиком Жаном Этьеном Ленуаром. Он работал на светильном газе, открытом ещё в 1799 году французским инженером Филиппом Лебоном. В 1863 году немецкий конструктор Николаус Аугустус Отто запустил двухтактный двигатель, в пять раз экономичнее двигателя Ленуара.

Изобретателями автомобилей с двигателями внутреннего сгорания считаются немецкие инженеры. Опираясь на двадцатилетний опыт моторостроения к началу 80-х годов XIX столетия немецкий инженер и изобретатель Карл Фридрих Бенц запатентовал акселератор, систему зажигания, карбюратор и водяной радиатор охлаждения. В 1883 году начал производить двухтактный бензиновый карбюраторный двигатель, который  в 1886 году установил на самостоятельно разработанный автомобиль.

В это время два друга Готлиб Даймлер и Вильгельм Майбах, проработав на заводе Отто с 1869 по 1882 год, открыли собственную фирму и в 1885 году создали легкий четырехтактный бензиновый карбюраторный двигатель. В 1886 году его поставили на первый мотоцикл. Автомобиль, созданный ими в 1889 году, был более совершенным, по сравнению с автомобилем Карла Бенца. В настоящее время многие считают Карла Бенца и Готлиба Даймлера создателями первого автомобиля. Имя Вильгельма Майбаха выпало из этой истории. Но именно эти три человека, стоявшие на заре автомобилестроения вписали свои имена в историю. «Бенц», «Майбах» и «Даймлер» - известные компании, выпускающие автомобили уже более 100 лет.

В 60-х годах двадцатого столетия экологические проблемы вышли на первый план. Электромобили становятся всё более востребованными. К концу шестидесятых годов было выпущено несколько моделей. Основой для их создания стали малогабаритные автомобили с ДВС. Основными недостатками данных транспортных средства были: слабая динамика движения, короткий пробег до полной разрядки, высокая стоимость и продолжительное время зарядки. До конца 80-х годов недостатки электромобилей так и не были устранены.

В 1990-х годах в США и Западной Европе принимаются законодательные и регулятивные меры, направленные на улучшение экологической обстановки, вместе с которыми возрождается интерес к электрическим двигателям в автомобилестроении. Реальный прорыв в данной области возник с появлением в начале XXI века аккумуляторов с высокой плотностью заряда.  Известные производители преуспели в создании высокопроизводительных транспортных средств на электрической тяге. Но, тем не менее, главными проблемами электромобилей остаются их короткий пробег на одной зарядке и длительное время зарядки аккумуляторов.

Принцип действия работы электромашины. Самым главным узлом в электротранспорте является электродвигатель. Асинхронный двигатель состоит из двух частей: статора и ротора. Вращающееся магнитное поле образуется в обмотках статора. Оно в свою очередь приводит в движение ротор.

Нельзя забывать тот факт, что в асинхронном двигателе скорость вращения самого ротора будет меньше, чем скорость вращающегося магнитного поля, которое образуется в статоре двигателя. Но и это еще не все. Частота вращения такого двигателя зависит от частоты переменного тока, поступающего на его обмотки. Чем больше частота, тем быстрее будет вращается двигатель. Поэтому, управляя частотой, мы можем управлять вращением двигателя, а, следовательно, и скоростью самого автомобиля.

Главным отличием синхронных двигателей от асинхронных является устройство ротора. У синхронных электродвигателей подвижная часть представлена постоянными или электрическими магнитами. Они служат для создания постоянного магнитного поля, взаимодействующего с вращающимся магнитным полем статорной части.

То есть все управление автомобилем сводится к тому, чтобы преобразовать постоянный ток в переменный трехфазный и возможностью менять частоты переменного трехфазного тока.

Учитывая отличия асинхронных двигателей от синхронных, можно подчеркнуть главные достоинства и недостатки каждого варианта. Так, электродвигатели синхронного типа являются более сложными в эксплуатации по следующим причинам:

• для функционирования требуют дополнительного источника постоянного тока (асинхронные модели не имеют такой необходимости);
• внутренние детали силового агрегата подвергаются более интенсивному износу (из-за наличия контактных колец и щёток);
• нуждаются в применения дополнительных механизмов для быстрого пуска (по сравнению с ними индукционные двигатели обладают собственным пусковым моментом).

Если рассматривать асинхронные модели, то они обладают более простой конструкцией и надёжностью эксплуатации. Тем не менее синхронные силовые агрегаты имеют более широкие возможности в плане мощности, являются менее чувствительными к скачкам напряжения, а также являются более простым способом регулирования скорости вращения. Стоимость синхронных электродвигателей несколько выше, чем у асинхронных, из-за чего оснащение ими электротранспорта считается менее выгодным.

Асинхронный двигатель надо чем-то питать. Поэтому, в автомобилях Тесла используется блок-платформа из литий-ионных аккумуляторов. Этот блок из батарей выдает постоянный ток. Такой блок состоит из маленьких простых li-ion батареек. Решетка, которая частично держит батарейки, также является радиатором, по которой бежит антифриз, такой тип радиатора очень эффективен, так как он охлаждает все батарейки равномерно. Все эти батарейки собираются в небольшие модули. Платформа состоит из нескольких таких модулей.

Так как аккумуляторная батарея выдает постоянный ток в электротранспорте требуется установка инвертора. Он не только преобразовывает постоянный ток в переменный, но также и контролирует скорость вращения двигателя и его мощность, а, следовательно, скорость автомобиля и его ускорение.

Сравнения. Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) – это тепловой двигатель, в котором сгорание топлива происходит с окислителем (обычно воздухом) в камере сгорания, являющейся неотъемлемой частью контура потока рабочей жидкости.

В двигателе внутреннего сгорания расширение высокотемпературных и высоконапорных газов, образующихся при сгорании, прикладывает прямую силу к некоторому компоненту двигателя.

Электродвигатель – это электрическая машина, которая преобразует электрическую энергию в механическую. Большинство электродвигателей работают за счет взаимодействия магнитного поля двигателя и электрического тока в проволочной обмотке, создавая силу в виде крутящего момента, приложенного к валу двигателя.

Электродвигатели могут питаться от источников постоянного тока (DC), например, от батарей или выпрямителей, или от источников переменного тока (AC), таких как электросеть, инверторы или электрические генераторы.

Электродвигатели могут быть классифицированы по таким соображениям, как тип источника питания, конструкция, применение и тип выходной мощности. Они могут питаться от переменного или постоянного тока, быть щеточными или бесщеточными, однофазными, двухфазными или трехфазными, с осевым или радиальным потоком и могут иметь воздушное или жидкостное охлаждение [1].

Для сравнения характеристик взят двигатель внутреннего сгорания, работающий на дизельном топливе, так как именно такие двигатели используются в сельскохозяйственной технике.

Характеристика выборного ДВС показана в таблице 1.

Таблица 1

Внешние скоростные характеристики дизельного двигателя

Для определяем крутящий момент двигателя использовалась формула 1:

,                                                                                        (1)

где M - крутящий момент в Н∙м;

P - мощность в кВт;

n - частота вращения, об/мин.

Данные расчетов приведены в таблице 2

Таблице 2

Результаты расчётов крутящего момента дизельного двигателя

Для сравнения ДВС и электрического был взят асинхронных электрических двигателей со следующими характеристиками преставление в таблице 3.

Таблице 3

Изменение мощности электродвигателя

На основании данных сайта «ЭлектроТехИнфо» определяем изменение крутящего момента в зависимости от числа оборотов вала двигателя. Особенностью электрических двигателей можно считать наличие крутящего момента при остановленном валу двигателя. Эта особенность дает возможность электродвигателям совершать работу с минимальной скорости  без предварительного разгона, в отличие от двигателей внутреннего сгорания.

Данные приставлены в таблице 4.

Таблице 4

Изменение мощности электродвигателя

Удельный расход электроэнергии рассчитывался по формуле 13-24  на стр. 387 учебного пособия Бойко Е.П. «Асинхронные двигатели общего назначения». Его значения можно посмотреть в таблице 5.

Таблица 5

Удельный расход электроэнергии

Результаты и обсуждение. Главной проблемой электротранспорта является долгая зарядка батареи.

Имеется несколько концепций решения данной проблемы.

1) Быстрая зарядка. Станция быстрой зарядки преобразовывает ток из энергосети в постоянный заранее, запасает его в больших батареях — и стремительно выдает напрямую в батарею электромобиля, минуя внутреннее зарядное устройство.

Однако у быстрой зарядки есть явные минусы. При такой высокой скорости зарядки постоянным током электричество не успевает распределяться по ячейкам аккумулятора равномерно. В итоге, когда большая часть ячеек заполнена, но некоторые еще полупусты — процесс сильно замедляется, дальше зарядка идет фактически со скоростью обычной «медленной» зарядки. Более дорогое оборудование, усиленные средства безопасности (они необходимы для работы с таким напряжением), вместительные аккумуляторы для запасания постоянного тока - всё это кардинально увеличивает цену зарядной станции. И главный минус, что быстрая зарядка быстро изнашивает батарею, а также во время нее аккумулятор сильно нагревается. Частый перегрев портит аккумулятор и быстро снижает его емкость [2].

2) Технология, согласно которой батареи на заправках электромобилей будут не заряжаться, а меняться на уже заряженные, что позволит сразу же продолжить поездку. Разряженная батарея оставляется на специальной станции и затем устанавливается в другое авто.

Минусами такой концепции являются, что батареи на различных электротранспортах не унифицированы.

3) Технология водородных топливных элементов. В ближайшем будущем водородные топливные элементы могут широко использоваться в автомобилях. Это решение имеет множество преимуществ, и есть много признаков того, что автомобили на водородном топливе будут становиться все более популярными. Функция топливного элемента – независимо от его типа – заключается в выработке электроэнергии за счет окисления подаваемого на него топлива. Работа водородных топливных элементов, однако, полностью отличается от работы гальванических элементов, к которым относятся батареи и аккумуляторы. В отличие от этих типов компонентов, топливные элементы не нуждаются в подзарядке и могут начать работать практически сразу после подачи топлива [3]. Недостатком водородных топливных элементов является довольно высокая стоимость материалов, используемых для производства катализаторов. Кроме того, эффективность систем такого типа ниже, чем при хранении энергии в аккумуляторах. Процесс производства водорода также требует определенных затрат энергии.

Список литературы:

1. Анализ развития цифровизации энергетических систем в Оренбургской области / А. С. Байков, В. И. Квашенников, В. П. Васюк [и др.] // Совершенствование инженерно-технического обеспечения производственных процессов и технологических систем: материалы национальной с международным участием научно-практической конференции, посвященной 70-летнему юбилею инженерного факультета ФГБОУ ВО Оренбургский ГАУ, Оренбург, 04 февраля 2021 года. – Оренбург: ООО «Типография «Агентство Пресса», 2021. – С. 330-334. – EDN ZXDFOF.
2. Повышение энергоэффективности ветроустановки для зарядки аккумуляторов / В. Г. Петько, И. А. Рахимжанова, Ю. А. Ушаков [и др.] // Аграрная наука Евро-Северо-Востока. – 2023. – Т. 24, № 2. – С. 317-326. – DOI 10.30766/2072-9081.2023.24.2.317-326. – EDN TCWRHP.
3. Использование метана для энергосбережения и повышения энергетической эффективности сельскохозяйственного производства / А. Б. Рязанов, В. Ю. Бибарсов, А. Е. Савельев, Н. А. Двугрошев // Национальные приоритеты развития агропромышленного комплекса: материалы национальной научно-практической конференции с международным участием, Оренбург, 16 декабря 2022 года. – Оренбург: ООО Типография «Агентство Пресса», 2022. – С. 100-103. – EDN UERTQW.