Mokomasis funkcinis modelis su elektrinės pavaros technologija

Tradicinių automobilių galia gaunama iš variklio, o elektrinės transporto priemonės naudoja variklių sistemas kaip energijos šaltinį. Degalų elementams, hibridinėms ir grynai elektrinėms transporto priemonėms reikia variklių, kad būtų galima vairuoti ratus. Tinkamo variklio pasirinkimas yra svarbus būdas pagerinti įvairių elektrinių transporto priemonių sąnaudų efektyvumą. Todėl būtina kurti ar patobulinti variklius, kurie gali atitikti įvairius veiklos reikalavimus vairuojant transporto priemonę ir pasižymi ilgaamžiškumo, mažų išlaidų ir didelio efektyvumo savybėmis. Tai taip pat yra veiksmingas būdas pagerinti elektromobilių sąnaudų našumą, kuo greičiau išpopuliarinti jų taikymą ir gerai atlikti energijos taupymo bei išmetamųjų teršalų mažinimo darbą.

Elektrinės pavaros apžvalga

Elektrinių transporto priemonių variklių sistema yra pagrindinė vairavimo transporto priemonės pavara ir svarbi elektrinių transporto priemonių komponentė. Jos vairavimo charakteristikos yra pagrindiniai transporto priemonių vairavimo rodikliai. Pavaros variklio funkcija yra konvertuoti maitinimo šaltinio elektrinę energiją į mechaninę energiją ir valdyti ratus bei darbinius įtaisus per perdavimo įtaisą arba tiesiogiai. Šiuo metu nuolatinės srovės serijos varikliai yra plačiai naudojami elektrinėse transporto priemonėse. Elektrinės transporto priemonės variklio greičio valdymo įtaisas yra nustatytas greičio keitimui ir elektros transporto priemonių krypties keitimui. Elektrinė pavara yra elektromechaninis įrenginys, kuris paverčia elektros energiją į mechaninio judesio energiją, reikalingą darbinio įrenginio funkcionavimui. Pagrindinės elektrinės pavaros sudedamosios dalys yra elektros variklis (arba varikliai), judesio perdavimo sistema ir valdymo sistema.

Elektrinių pavarų klasifikacija ir tipai

Elektrinės pavaros gali būti klasifikuojamos pagal kelis kriterijus:

Pagal variklių skaičių ir paskirtį:

• Grupinė elektros pavara (šiuo metu nebenaudojama): vienas elektros variklis per sudėtingą transmisijų sistemą varė grupę arba visas fabriko mašinas.
• Vieno variklio elektros pavara: kiekvieną darbinį įrenginį varo atskiras elektros variklis.
• Daugiavariklinė elektros pavara: vieno darbinio įrenginio atskirus mechanizmus varo atskirais elektros varikliais. Tokios pavaros pasižymi paprastesnėmis judesio perdavimo sistemomis, tačiau sudėtingesnėmis valdymo sistemomis, kurioms valdyti dažnai naudojami mikroprocesoriai arba kompiuteriai.

Pagal elektros srovės tipą:

• Nuolatinės srovės elektros pavaros.
• Kintamosios srovės elektros pavaros.

Pagal judesio pobūdį:

• Vienos krypties sukamojo judesio pavaros.
• Reversinio sukamojo judesio pavaros.
• Reversinio slenkamojo judesio pavaros.

Pagal judesio perdavimo būdą:

• Elektrinė pavara su reduktoriumi.
• Elektrinė pavara be reduktoriaus.

Pagal automatizavimo laipsnį:

• Rankinio valdymo pavaros.
• Automatizuotosios pavaros.

Pagal valdymo sistemą:

• Atvirosios pavaros: neturi grįžtamojo ryšio.
• Uždarytosios pavaros: turi vieną ar kelis grįžtamojo ryšio kanalus, kurie informuoja apie sistemos išėjimo parametrų būklę.

Elektrinių variklių tipai elektrinėse pavarose

Elektrinių pavarų galia gali svyruoti nuo vato dalių iki kelių dešimčių megavatų. Dažniausiai naudojami šie elektros variklių tipai:

• Asinchroniniai elektros varikliai: tai pati populiariausia elektros pavarų rūšis. Jie naudojami siurbliams, kompresoriams, ventiliatoriams pramonės ir žemės ūkio įmonėse varyti.
• Sinchroniniai elektros varikliai: naudojami pavarose, perduodančiose judesį 200-300 kW galios siurbliams ir kompresoriams.
• Nuolatinės srovės nuoseklaus ir mišraus žadinimo varikliai: naudojami kėlimo ir traukos mechanizmuose, be asinchroninių elektros variklių.
• Lygiagrečiojo žadinimo nuolatinės srovės varikliai: naudojami metalo apdirbimo staklių, tekstilės, siuvimo prietaisų elektros pavarose.

Elektrinių pavarų istorinė apžvalga

Elektrinių pavarų atsiradimą lėmė Michael Faraday atradimai: 1821 metais jis sukūrė laboratorinį elektros variklio modelį, o 1831 metais atrado elektromagnetinės indukcijos dėsnį. Pirmąją elektros pavarą su elektromagnetų sistema 1834 metais sukonstravo Borisas Jakobis. Ši pavara buvo naudojama 12 vietų keleiviniam kateriui. Pramoninė automatika tampa vis tikslesnė, didėja reikalavimai gaminių kokybei, gamybos įrangos našumui ir patikimumui. Norint atitikti šiuos reikalavimus, labai svarbu, kad naudojamos mašinos turėtų tinkamas charakteristikas. Reikiamą kokybę ir tikslumą gali užtikrinti servo pavaros.

Servo pavaros

Servo pavaros - tai įrenginiai, naudojami tiksliai realizuoti įrenginių ir mašinų komponentų judėjimą, atsižvelgiant į visus jų parametrus. Tai yra pavaros moduliai, atsakingi už roboto rankų ir CNC staklių ašių judėjimą, bet ne tik. Servo pavaros veikia labai tiksliai ir pasižymi dideliu efektyvumu, todėl jas galima naudoti bet kurioje mašinoje, kur reikalingas efektyvumas ir didelis tikslumas. Servo pavara - tai ne tik variklis, o įrenginys, susidedantis iš tokių komponentų kaip servo variklis, servo stiprintuvas, kodavimo kabeliai ir maitinimo kabeliai.

Servo pavaros ir servomechanizmo skirtumai

Servo pavara yra didesnės visumos, servomechanizmo, dalis. Be to, servomechanizme yra pavarų dėžė ir, jei reikia, PLC, galintis atlikti papildomas pažangias funkcijas, tokias kaip įvesties ir išvesties valdymas, ašių sinchronizavimas arba PLCopen standartai. Įdiegus valdiklį, grįžtamojo ryšio įgyvendinimas iš servo stiprintuvo dažnai perkeliamas būtent į PLC. Kiekvienas iš servo stiprintuvo komponentų atlieka svarbų vaidmenį mašinos darbe, todėl labai svarbu tinkamai pasirinkti juos konfigūruojant savo servo stiprintuvą.

Servo pavaros komponentai

Servovariklis

Pagrindinis servo pavaros komponentas yra servovariklis. Techniškai kalbant, tai klasikinis kintamosios srovės asinchroninis variklis su integruotu enkoderiu. Servovariklis yra visos servo pavaros vykdomasis elementas. Jis yra atsakingas už tam tikros mašinos dalies judėjimą. Jis prijungtas prie servo stiprintuvo, atsakingo už variklio nustatytų verčių generavimą. Šis prietaisas maitinamas kintamąja srove.

Enkoderiai

Enkoderiai - tai įrenginiai, verčiantys sukamąjį judesį į elektrinius signalus. Jie suteikia tikslią informaciją apie esamą variklio veleno būklę - jo kampinę padėtį, sukimosi kryptį ir padarytų apsisukimų skaičių.

• Absoliutiniai enkoderiai: išvesties signalas generuojamas analogine forma. Kiekvienoje kodavimo disko vietoje yra unikalus ją identifikuojantis kodas. Dėl to, kiekviena veleno kampinė padėtis išėjime turi savo kodo reikšmę. Absoliutinis kodavimo diskas taip pat turi papildomą inkrementinį kelią, todėl išėjime taip pat galima generuoti skaitmeninį signalą. Šio tipo įrenginių pranašumas yra tas, kad servo variklio padėtį galima nuskaityti išjungus maitinimą. Absoliutinis enkoderis matuoja santykinę servo variklio padėtį.
• Inkrementiniai enkoderiai: generuoja impulsus išėjime, atitinkančius sukimosi judesį. Jie turi tam tikrą skiriamąją gebą, kuri nurodo, kiek išėjimo impulsų atitinka tam tikrą kampinį poslinkį. Kuo didesnė skiriamoji geba, tuo didesnis matavimo tikslumas. Inkrementinio enkoderio atveju neįmanoma nuskaityti dabartinės jo padėties praradus maitinimą.

Servo stiprintuvas

Servo stiprintuvas yra įrenginys, valdantis variklį naudodamas enkoderio duomenis. Jis naudojamas tam tikram apsisukimų skaičiui atlikti, veleno padėties pakeitimui tam tikru kampu arba jo greičiui keisti. Tai yra I/O terminalas ir STO jungtis, su kuriais galima susisiekti naudojant atitinkamus ryšio protokolus, tokius kaip Modbus RTU. Paprastais žodžiais tariant, servovariklio stiprintuvas yra tas pats, kas paprastam asinchroniniam kintamosios srovės varikliui yra keitiklis. Taip pat galite susidurti su terminu „servo valdiklis“, kai kalbate apie servo stiprintuvą. Tai ne visai teisinga, nes servo valdiklis yra servo stiprintuvo komponentas. Pats servo valdiklis yra atsakingas už valdymo signalų, kuriuos vėliau reikia sustiprinti, perdavimą. Servo stiprintuvas ne visada yra servo variklio pagrindinis blokas. Dažnai jis veikia kartu su PLC, o būtent PLC duoda konkrečias komandas servo stiprintuvui, kurios paverčia jas servo variklio sukimu tam tikru greičiu ir padėtimi. Servo stiprintuvas ir PLC gali bendrauti tarpusavyje ne tik per ryšio protokolus, tokius kaip EtherCAT, Modbus, Profinet, Profibus ir kt., bet ir paprastais signalais, siunčiamais iš PLC I/O terminalo.

Kabeliai

Kiekvienai servo pavarai reikalingi dviejų tipų laidai - maitinimo ir kodavimo kabeliai. Kabeliai turi būti tinkamai parinkti pagal įrenginio parametrus: maitinimo įtampą (230 V arba 400 V), variklio galią arba kodavimo įrenginio tipą (prieauginis arba absoliutinis). Renkantis laidus reikia atkreipti dėmesį į tai, kad jie būtų lankstūs ir ekranuoti. Ekranuoti kabeliai apsaugo nuo elektromagnetinių trukdžių, atsirandančių dėl kabelyje tekančios srovės pulsavimo. Lankstus kabelis, dėl specialaus guminio apvalkalo, yra lankstus ir minkštas, tačiau patvarus. Dėl šių savybių jį lengviau paslėpti spintoje, kad netrukdytų.

Skirtumai tarp servo ir žingsninių variklių

Žingsninio variklio paskirtis, kaip ir bet kurio kito variklio, yra paversti elektros energiją mechanine energija. Variklio rotorius juda valdymo sistemoje generuojamų impulsų pagalba. Žingsninio rotoriaus sukimas tam tikru kampu priverčia valdomą objektą judėti tiksliai nurodytu atstumu. Rotorius susideda iš dviejų diskų su priešingais magnetiniais poliais - šiauriniu ir pietiniu. Įjungus įtampą, rotorių paleidžia statoriaus apvija arba elektromagnetas. Šiuo metu variklis žengia vieną žingsnį. Kuo daugiau rotoriaus polių porų, tuo šis žingsnis bus mažesnis, todėl judesys bus tikslesnis.

Pagrindinis skirtumas tarp servo ir žingsninių variklių yra jų kaina. Žingsninis variklis yra daug pigesnis. Nepaisant to, jis turi savo trūkumų. Žingsniniuose varikliuose yra atvirasis grįžtamasis ryšys, todėl netikrinama, ar variklis tikrai apsisuko nustatyta verte - nustatomas tik žingsnių skaičius. Dėl to dinaminio pagreičio metu arba veikdamas dideliu greičiu variklis linkęs prarasti žingsnius. Tai reiškia mažesnį tikslumą. Žingsninio variklio nereikėtų rinktis užduotims, kurioms reikalingas didelis pakartojamumas ir tikslumas.

Elektrinių pavarų funkcijos

Elektrinė pavara yra varomasis įtaisas, daugiausia naudojamas vožtuvų ar kitos panašios įrangos atidarymui ir reguliavimui valdyti. Jos pagrindinės funkcijos:

1. Kontroliuoti vožtuvų atidarymą ir reguliavimą: Elektrinės pavaros gali priimti signalus iš valdymo sistemų (pvz., reguliatorių ar prietaisų) ir paversti juos vožtuvo atidarymo arba reguliavimo veiksmais.
2. Suteikti linijinį arba sukamąjį judesį: Elektrinės pavaros gali užtikrinti linijinį arba sukamąjį judesį, priklausomai nuo jų konstrukcijos ir pritaikymo.
3. Įgyvendinti automatinį reguliavimą: Elektrinės pavaros gali būti derinamos su įvairiais jutikliais ir valdikliais, kad būtų pasiektos automatinio reguliavimo funkcijos.
4. Pateikti grįžtamojo ryšio signalus: Elektrinėse pavarose paprastai yra sumontuoti grįžtamojo ryšio įtaisai, kurie gali pateikti grįžtamąjį ryšį apie tikrąją vožtuvo padėtį valdymo sistemai.
5. Apsaugos funkcija: Šiuolaikinės elektrinės pavaros paprastai integruoja kelias saugos funkcijas, tokias kaip apsauga nuo apribojimų, apsauga nuo sukimo momento ir apsauga nuo perkaitimo.
6. Palaikyti nuotolinio valdymo pultą: Kadangi elektra naudojama kaip varomasis energijos šaltinis, elektrinės pavaros gali perduoti valdymo signalus per kabelius ir palaikyti nuotolinį valdymą.

Alternatyvių pavarų privalumai ir trūkumai

Norint, kad žemės ūkio veikla būtų neutrali CO2 atžvilgiu, būtinas atvirumas technologijoms, naudojančioms alternatyvius pavarų tipus. Kad žemės ūkis taptų tvaresnis, taip pat būtina keisti savo mąstymą. Siekiant efektyviai sumažinti CO2 emisijas, svarbu peržiūrėti visus alternatyvius pavarų variantus, ypač kai kalbama apie perspektyvias technologijas. CLAAS, kaip žemės ūkio technikos gamintojas, vienas iš tikslų yra kurti efektyvius ir tvarius sprendimus, kadangi žemės ūkis veikia tik harmonijoje su gamta. Tuo pačiu metu labai svarbu išlaikyti pusiausvyrą ir rimtai žiūrėti į ūkininkų patiriamą spaudimą mažinti sąnaudas. Dėl šios priežasties nuolat vertinamos inovacijos, siekiant nustatyti, kurios iš jų yra praktiškos, draugiškos klimatui ir finansiškai perspektyvios.

Remiantis Vokietijos federaline aplinkos apsaugos agentūra, mobilių ir stacionarių mašinų vidaus degimo varikliai, įskaitant žemės ūkio mašinų emisijas, 2021 m. sudarė dešimtadalį šiltnamio efektą sukeliančių dujų emisijų žemės ūkyje. Tai atitinka maždaug 0,9 % bendrų emisijų Vokietijoje. Net jei ši dalis atrodo maža, CLAAS svarsto visas galimybes, kaip ją dar labiau sumažinti. Aptariamos trys alternatyvios pavaros: akumuliatoriniai elektriniai sprendimai, vandenilinės pavaros ir aplinkai nekenksmingi skystieji degalai.

1. Elektrinės pavaros

Akumuliatorinės elektrinės pavaros įsitvirtino keleivių vežimo srityje ir įrodė, kad yra perspektyvi vidaus degimo variklio alternatyva kasdieniniam naudojimui. Jos taip pat gali būti naudojamos kai kuriose žemės ūkio srityse. Pavyzdžiui, mažas akumuliatorinis elektrinis traktorius gali susidoroti su praktiniais kiemo, lengvų lauko darbų ir komunalinių darbų poreikiais. Tačiau šiuo metu elektros varikliai nėra tinkamas pasirinkimas didesnėms ir galingesnėms mašinoms. Šioms mašinoms reikia didesnės traukos galios, o kai kuriais atvejais jų variklis, išskyrus pačią transporto priemonę, turi varyti ir kitus komponentus, pvz., javų kombaino kūlimo įrenginį. Tam reikėtų itin didelio, sunkaus akumuliatoriaus. 135 kW galios elektriniam traktoriui prireiktų dešimt kartų sunkesnio akumuliatoriaus nei sveria dyzelino bakas įprastam varikliui, todėl mašina taptų tokia sunki, kad važiuodama per lauką sutankintų dirvožemį ir sukeltų ilgalaikę žalą. Akumuliatoriaus talpą sumažinus iki priimtino papildomo svorio, jo veikimo nuotolis būtų per mažas, kad būtų galima naudoti praktikoje.

Tačiau būtų klaida nuvertinti technologijų plėtros tempus. Pastaraisiais metais ypač padidėjo akumuliatorių talpa ir įkrovimo greitis. Nors didelės investicijos į akumuliatorius ir įkrovimo infrastruktūrą iš pradžių sulėtins jų plitimą, finansinės paskatos ir prieinamas pačių pagamintos elektros energijos naudojimas reiškia, kad investicija atsipirks per kelerius metus. Šiuo metu ūkininkui į savo įkrovimo infrastruktūrą reikėtų investuoti 40 000 eurų.

2. Vandenilinės pavaros

Vandenilio kuro elementų, kaip alternatyvios pavaros, naudojimas žemės ūkyje šiuo metu nėra realus pasiūlymas. Žemės ūkio mašinoms per trumpą laiką reikia daug galios - o kuro elementai nėra tam skirti. Tačiau vandeniliniai vidaus degimo varikliai galėtų būti alternatyva ateityje. Skirtingai nuo elektrinės pavaros, jie turėtų pranašumą, nes leistų iš esmės išlaikyti esamą pavarą, nors akivaizdu, kad reikėtų sumontuoti kitą variklį. Tačiau, esama degalų bako talpa turėtų padidėti dešimt kartų, kad būtų galima gabenti reikiamą vandenilio kiekį ir nereikėtų dažnai sustoti papildyti degalų. Šis papildomas vietos poreikis visiškai pakeistų esamą mašinos architektūrą. Infrastruktūra ir logistika kelia papildomų iššūkių: palyginti su dyzelino degaline, ūkyje įrengti vandenilio degalinę yra labai brangu. Be to, vandenilis į ūkį turėtų būti tiekiamas dažnai, skirtingai nei elektra iš elektros lizdo.

3. Skystieji degalai

Alternatyvūs skystieji degalai yra perspektyviausios pavaros technologijos. Juos galima naudoti nemodifikuojant transporto priemonės. Vienas iš pavyzdžių yra HVO (hidrintas augalinis aliejus), pagamintas iš biologinių atliekų ir aliejų. Kitas variantas yra „e-degalai“ (sintetiniai degalai), gaminami iš vandens ir CO2, naudojant elektrą. Nors naudojant alternatyvius skystuosius degalus, kaip ir įprastą dyzeliną, išskiriamas CO2 - juos gaminant iš aplinkos paimamas toks pat CO2 kiekis, todėl anglies dioksido kiekio atžvilgiu jie iš esmės yra neutralūs. Perėjimas prie HVO būtų pats prieinamiausias ir veiksmingiausias sprendimas, nes esamas mašinų parkas gautų naudos. Vidutiniam ūkininkui į degalų saugojimo talpyklą reiktų investuoti tik maždaug 8000 eurų.

Teoriškai, HVO degalai jau yra prieinami, o iki 2023 m. pabaigos CLAAS daugumai savo mašinų suteiks patvirtinimą juos naudoti, nors degalinėms Vokietijoje šiuo metu pardavinėti šią tvarią dyzelino alternatyvą draudžiama. Maždaug iki 2030 m. siūlomo „e-degalų" kiekio nepakaks. Biodyzelinas yra dar viena aplinkai nekenksminga skystųjų degalų, kurie jau yra prieinami ir naudojami, rūšis. Tačiau, kad mašinos galėtų veikti naudodamos šiuos degalus, jos turėtų būti modifikuotos, be to, kyla sunkumų, susijusių su jo tvarkymu ir saugojimu.

Atviras požiūris į alternatyvias pavaras

Yra daug įvairių būdų, kaip žemės ūkį, net netolimoje ateityje, paversti neutraliu anglies dioksido atžvilgiu. Kai kurios technologijos jau yra prieinamos, o kitos yra tinkamos naudoti žemės ūkyje. Pagrindinis tvarios ateities reikalavimas - būti atviriems įvairioms technologijoms. Nes tokiam sudėtingam ekonomikos sektoriui, kaip žemės ūkis, su visais jo skirtingais reikalavimais, reikia požiūrių, pritaikytų kiekvienai sričiai. Pirmas žingsnis yra esamas pavaras padaryti dar efektyvesnėmis - tai ir yra nuolatinių pastangų tikslas. CLAAS siekia padidinti žemės ūkio mašinų efektyvumą, o tai reiškia ir aplinkos tvarumą, visoje proceso grandinėje.

Planetinių pavarų mokymo rinkinys

Planetinių pavarų mokymo rinkinys yra skirtas praktiniam mechanikos ir pavarų technologijos mokymui. Ši mokymo sistema leidžia studentams ar mokiniams išsamiai susipažinti su planetinės pavaros konstrukcija, jos veikimo principu, surinkimo ir išardymo procesais bei mechaninių transmisijų darbo analize. Mokymo metu galima tirti pagrindinius pavaros komponentus, jų tarpusavio sąveiką ir sukimo momento perdavimo principus.

Rinkinio aprašymas

Įrenginys pateikiamas kaip savarankiško surinkimo mokymo rinkinys, kuriame visi komponentai pritaikyti praktiniams laboratoriniams darbams. Specialiai suprojektuota detalių sujungimo sistema leidžia surinkti ir išardyti pavarą be specialių presavimo ar ištraukimo įrankių, todėl mokymo procesas yra paprastas ir saugus. Naudojant mechaninius brėžinius arba išsamias surinkimo instrukcijas, mokiniai gali savarankiškai surinkti planetinę pavarą ir atlikti jos funkcinį patikrinimą naudojant rankinį ratą. Tokiu būdu geriau suprantami mechanizmo darbo principai ir transmisijos charakteristikos.

Rinkinyje naudojamos korozijai atsparios detalės, tokios kaip nerūdijančio plieno guoliai ir paviršiumi apdorotos metalinės konstrukcijos dalys. Pavaros korpusas pagamintas iš aliuminio liejinio, o visi komponentai pritaikyti intensyviam mokymui laboratorijose. Mokymo įrenginys suprojektuotas taip, kad eksperimentams nereikėtų naudoti tepimo medžiagų, todėl darbo vieta išlieka švari ir saugi.

Komponentai laikomi specialiame transportavimo dėkle su putplasčio įdėklais, leidžiančiais aiškiai matyti visas detales ir greitai pastebėti trūkstamus elementus. Tokia laikymo sistema užtikrina patogų transportavimą ir tvarkingą įrangos saugojimą mokymo laboratorijose. Sistema gali būti naudojama kartu su skaitmenine mokymosi programine įranga, leidžiančia papildytos realybės technologijos pagalba analizuoti pavaros konstrukciją trimatėje erdvėje, atlikti virtualius surinkimo procesus ir geriau suprasti mechaninių sistemų veikimą.

tags: #mokomasis #funkcinis #modelis #su #elektrines #pavaros