Nagyfeszültségű villamoshálózattal rendelkező traktorok

Az utóbbi években megkezdődött és várhatóan a közeljövőben jelentős mértékben terjedni fog a traktorok, a kombájnok és egyéb mezőgazdasági gépek villamosítása. A villamosított traktor, mezőgazdasági gép a nagyfeszültségű eszközök csoportjába tartozik. A nagyfeszültségű villamos áramnak veszélyei vannak, mert az embert áramütés érheti, a zárlat során keletkezett melegedés, a sérült vezetékeken fellépő ívkisülés tüzet okozhat.

Az elmúlt évtizedben elkezdődött a mezőgazdasági mobil gépek villamosítása. Egyre gyakrabban jelenik meg egy nagyfeszültségű villamoshálózattal rendelkező kísérleti traktor. A mobil munkagépek hajtás igényeit is villanymotorokkal kezdik kiszolgálni, az elektronikus szabályozási, vezérlési rendszerek használata mellett.

1. ábra Traktorok villamosításának fő irányai a) soros hibridhajtás; b) párhuzamos hibridhajtás; c) villamos energiaszolgáltatás; d) tiszta villamos hajtás

A traktorok villamosítása alatt azt értjük, hogy az erőátvitel, a vonóerő kifejtés, a munkaeszköz felé az energiaszolgáltatás részben vagy teljesen villamos berendezésekkel valósul meg.
A fejlesztések három fő irányba indultak el (1. ábra)

• hibridhajtás (soros, párhuzamos) dízelmotor- és villamosgép-erőátviteli rendszerek,
• a mezőgazdasági munkagép felé villamosenergia-szolgáltatás,
• tisztán villamos hajtású erőgép kialakítása.

A villamos munkavégzés hatékonyságának biztosítása a traktor kisfeszültségű meglévő egyenáramú 12-24 V-os hálózatával nem valósítható meg, ezért nagyfeszültségű egyenáramú és váltakozó áramú hálózatok létrehozása vált szükségesé. Az ipar területein a korszerű villamos hajtástechnika tömeges alkalmazása elősegítette az újszerű villamos gépek (generátorok, motorok) megjelenését és a szabályozásukhoz használt teljesítményelektronika alkalmazását. Egy készüléken, egy ipari berendezésen belül esetleg többször is megváltoztatjuk a tápforrásból kapott villamos áram jellegét (egyenáramú, váltakozó áramú), feszültségét, fázisszámát és frekvenciáját. Az autótechnika már alkalmazza ezeket a megoldásokat a hibridhajtású és a tiszta villamos hajtású gépjárművek esetén. A traktor- és mezőgéptechnika átveszi ezeket a megoldásokat.

Hibridhajtású traktor

A traktor hajtására, ha mechanikai mellett villamos rendszert is alkalmaznak, akkor erre a megoldásra a hibridhajtás elnevezést szokás használni. Felépítés szerint leggyakrabban soros és párhuzamos hibridhajtást különböztetünk meg.

Soros hibridhajtású traktorok

Azt a megoldást, ahol a dízelmotor csak villamos áramfejlesztőt hajt, és az előállított villamos energiával villanymotor mozgatja a traktort vagy a mobil mezőgazdasági gépet, soros hibridhajtásnak nevezik (1.a ábra). A soros dízel-villamos hajtás előnye, hogy a dízelmotor-generátor egységet jó hatásfok mezőben lehet működtetni, a hajtáslánc egyszerű villanyvezetékből és vezérlő elektronikából áll, a villanymotorok vezérlésével fokozatmentes sebességváltás érhető el, valamint egyszerűen kialakítható a futómű hajtása és a kormányzás megvalósítása.

A soros hibridhajtás igen nagy teljesítményű mezőgazdasági erőgépeknél előnyösen alkalmazható, használatához nem szükségszerű villamos energiát tároló akkumulátor beépítése. Az akkumulátor használata csak akkor előnyös, ha a dízelmotor-generátoros egység állandóan a legjobb hatásfok-tartományban, nagy teljesítménnyel működik, és a traktoros gépcsoport teljesítmény szükséglete jelentősen ingadozik, mint például rakodógép használatakor. Az alacsony terheléskor jelentkező többlet energia tárolását a terhelési csúcsok esetén hasznosítja az erőgép.

A soros hibridhajtás egyenáramú kivitelezésére számos régi példa van, de ezek elterjedésére azért nem került sor, mert az egyenáramú villanymotor fordulatszám-szabályozása alacsony hatásfok mellett valósítható meg.

2. ábra Caterpillar D7E típusjelzésű dízel-elektromos soros hibrid dózer 1. dízelmotor; 2. generátor; 3. 3 fázisú villanymotor; 4. véglehajtás; 5. vezérlő elektronika; 6. inverter; 7. kábelezés

A váltakozó áramú soros hibridhajtás hatásfoka magasabb ezért ez terjedt el. Az amerikai Caterpillar gyár elsők között 2010 óta gyárt soros váltakozó áramú villanymotor hajtású hibrid dózert. A 173 kW-os (235 lóerős) Caterpillar D7E típusjelzésű dízel-elektromos soros hibrid dózer felépítését a 2. ábra szemlélteti. Ennek a dózernek előnye a korábbi mechanikus erőátvitelű géphez képest: 10-30% hajtóanyag-megtakarítás, 10%-kal több anyagmozgatás óránként, kevesebb javítás, 50%-kal könnyebb kormányozhatóság, 50%-kal kisebb működési zaj stb.

3. ábra Rigitrac EWD 120 típusjelzésű soros hibrid traktor

A kis teljesítményű univerzális traktorkategóriában is van példa soros hibrid hajtásra. A 3. képen látható „RIGITRAC EWD 120” típusjelzésű dízel-elektromos soros hibridhajtású mezőgazdasági traktort 91 kW teljesítményű dízelmotor és 230/400 VAC váltakozó áramú 85 kW-os generátor működteti. Az AC/DC inverter 650 VDC egyenáramot állít elő, majd ezt a DC/AC inverter 400 VAC szabályozott frekvenciájú váltóárammá alakítja át a hajtómotorok működtetéséhez.

Az összkerékhajtású és négykerék-kormányzású traktort 4 db 33 kW teljesítményű váltakozó áramú kerékagy-villanymotor hajtja. A kerekek hidropneumatikus rugózásúak, a traktor haladási sebessége 0-65 km/h. Ezt a hibrid traktort a svájci Sepp Knüsel családi vállalkozás tulajdonában levő Rigitrac Traktorenbau AG gyártja kis darabszámban.

Párhuzamos hibridhajtású traktorok

A párhuzamos hibrid hajtású traktor esetében a dízelmotor mechanikus erőátvitellel hajtja a traktort, de a hajtásláncra villamos hajtás is rádolgozik (lásd az 1.b ábrát!). A párhuzamos hibrid hajtású traktorokra több kialakítás létezik, amelyeket elsősorban kanalas rakodógépként használnak.

4. ábra Merlo Turbofarmer 40.7 párhuzamos hibrid hajtású teleszkópgémes rakodógép

A Merlo Turbofarmer 40.7 párhuzamos hibrid hajtású teleszkópgémes rakodógép (4. ábra) működését 4 hengeres, 55 kW-os dízelmotor biztosítja, ami generátoron keresztül folyamatosan tölti a 30 kWh kapacitású lítium akkumulátort, amely hálózatról is tölthető. Nagy terhelések esetén az akkumulátorból visszanyert energiával működtetett villanymotor rásegít a gép működésére. Tisztán villamos hajtással is tud üzemelni a rakodógép.

5. ábra ZF-TERRA+ traktor sebességváltójába beépített 70 kW-os váltóáramú generátor és a villamos rendszer fő egységei

Villamos energiát szolgáltató traktorok

A párhuzamos hibrid hajtású traktor speciális kialakítással (1.c ábra) villamos energiát is tud szolgáltatni a mezőgazdasági munkagép felé. A ZF-TERRA+ megoldás a traktor sebességváltójába beépített 70 kW teljesítményű váltóáramú generátor és közbülső 600 VDC egyenáramú rendszert használ (5. ábra). Ez a megoldás nem a hajtásrendszerre dolgozik vissza (akkumulátorral nem is rendelkezik), csak a külső fogyasztók felé szolgáltat villamos energiát. A 600 VDC egyenáramból a teljesítményelektronika előállít 2×400 VAC frekvenciaszabályozót, váltóáramot, 1x 230 VAC 50Hz-es váltóáramot és 1×12 vagy 24 VDC egyenáramot. A John Deere 6210RE, 7030, 7430 és 7530 E-Premium traktoraihoz hasonló rendszert kínál opcióként. A szolgáltatott villamos energia a munkagépek felé 20 kW teljesítménnyel 230 és 400 VAC váltóáram, 4 kW teljesítménnyel 12 vagy 24 VAC egyenáram.

6. ábra John Deere SESAM 300 kW-os elektromos traktor 130 kWh-ás Li-ion akkumulátoros egységgel

Tiszta villamos hajtású traktorok

A tisztán villamos hajtású (csak akkumulátoros) nehéz mezőgazdasági traktorok gyártása és használata csak 40-50 év múlva várható (1.d ábra). A John Deere készített ugyan egy kísérleti 300 kW-os (408 LE-s) nagy traktort (6. ábra), amelynek Li-ion akkumulátoros egysége 130 kWh tároló kapacitású és 670 VDC feszültségű. A házkörüli, majori munkákhoz alkalmazható 50 kW-nál kisebb teljesítményű villamos traktorok viszont várhatóan a közeljövőben megvásárolhatók lesznek.

7. ábra Soros hibrid rendszer leegyszerűsített villamos hálózatának vázlata

Villamosfeszültség-értékek traktorokon

A villamosított traktorokon különböző feszültség szintek találhatók, ezek bemutatására egy soros hibrid rendszer leegyszerűsített villamos hálózatát választjuk (7. ábra).

A traktor dízelmotorja általában háromfázisú szinkrongenerátort hajt, amely 230/400 VAC váltakozó áramot állít elő. Ennek a váltakozó áramnak a feszültségcsúcs értéke 325/568 V. A generátor által előállított váltakozó áramot a nagy teljesítményű AC/DC inverter 600-650 VDC egyenárammá alakítja át. Ennek az egyenáramnak egy kis részét a DC/DC konverter 12 V, vagy 24 V egyenárammá konvertálja, és ezzel töltődik az ólomakkumulátor, illetve a fedélzeti fogyasztók (vezérlő, szabályozó rendszerek, világítás stb.) ezt használják fel. A másik nagyobbik részét a DC/AC inverter 200-400 VAC szabályozott frekvenciájú váltóárammá alakítja a futómű, a kerekek villamos agymotorjainak hajtására.

A 600-650 VDC-os nagyfeszültségű egyenáramú hálózat a traktorhoz kapcsolt mezőgazdasági munkagép igényét is el tudja látni. A munkagép szükségletének megfelelően inverteren keresztül 230/400 V 50 Hz váltakozó áramot és konverteren keresztül 12 vagy 24 VDC egyenáramot szolgáltatva. A párhuzamos hibridhajtás esetében is hasonló szintű villamos feszültségek fordulnak elő.A hibridrendszerek és a tiszta villamos üzemű traktorok villamos energia tárolására alkalmas akkumulátort is tartalmaznak, ennek feszültség értéke 600-800 VDC egyenáram. Ha energiatárolásra nagykapacitású kondenzátor is van a rendszerben, annak egyenáramú fezsültsége 75-1500 VDC értékű.

Tehát a villamosított traktoron előforduló feszültség értékek:

• 12 vagy 24 VDC kisfeszültségű egyenáram,
• 600-650 VDC (75-1500 VDC) nagyfeszültségű egyenáram,
• 230/400 VAC 50 Hz-es háromfázisú váltóáram illetve,
• 200-400 VAC szabályozott frekvenciájú nagyfeszültségű váltakozó áram.

Ezek alapján a villamosított traktor a nagyfeszültségű eszközök csoportjába sorolható.

Villamos áram élettani hatása és a baleset megelőzése

Az elektrotechnikai eszközöknél alkalmazott villamos áramnak veszélyei vannak, mert az embert áramütés érheti, a zárlat során keletkezett melegedés, a sérült vezetékeken fellépő ívkisülés tüzet okozhat. Az akkumulátorok zárlata, túlterhelése esetén mérgező gázok szabadulhatnak fel, robbanás veszély állhat fel, kémiai égés is létrejöhet.

A nagyfeszültségű villamos hálózat alkatrészeit flexibilis védőcsőben elhelyezett kettős szigeteléssel ellátott elektromos vezetékek kötik össze. A nagyfeszültségű rendszerre a vezetékek feltűnő külsőszíne is figyelmeztet. A legnagyobb körültekintéssel elhelyezett vezetékek szigetelése mechanikusan megsérülhet és az áramütés veszélye létre jöhet. A villamosított traktorok elektromos hálózata bonyolult védelemmel van ellátva, az elektromos hibákból bekövetkezhető károk megelőzése, elhárítása érdekében.

1. táblázat Áramerőség hatása az emberre a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság IEC alapján

A 25 VAC váltóáramnál és a 60 VDC egyenáramnál nagyobb feszültség ártalmas lehet az emberi szervezetre. Az emberi szervezeten átfolyó áram erőségének hatását az 1. táblázat ismerteti. Az átfolyó áramerőség nagysága „Ohm törvénye szerint” a feszültséggel növekszik, az emberi test ellenállásával pedig csökken.

Az emberi test ellenállása: kézről kézre kb. 1.000 Ω, egy kézről mindkét lábra kb. 750 Ω,, mindkét kéztől mindkét lábhoz kb. 500 Ω, mindkét kéztől a törzsig kb. 250 Ω.

8. ábra Nagyfeszültségű helyekre figyelmeztető jelképek a) áramütés veszélye; b) feszültség alatt szerelést végezni tilos; c) nagyfeszültség miatt karbantartási információk és védőeszközök alkalmazása kötelező

Az áramütést elektrotechnikai eszközökkel ellátott mezőgazdasági gépeken végzett szerelési munkák során el kell kerülni. Az áramütés veszélyére és a biztonsági előírások betartására a traktor elektromos berendezésein elhelyezett matricák jelképei figyelmeztetnek (8. ábra).

Az áramütés elkerülése érdekében a következő általános szabályokat mindenféleképpen be kell tartani:

• a nagyfeszültség alatt lévő alkatrészeken szerelést végezni szigorúan tilos,
• a munka megkezdése előtt feszültség mentesíteni kell a traktort a gépkönyv előírása alapján, az elektromos főkapcsoló segítségével,
• a főkapcsolót kikapcsolt helyzetben le kell zárni, egy kulccsal rendelkező lakattal,
• a lakatkulcsot a szerelésért felelős tegye zsebre,
• a villamos hálózatban levő kondenzátorokat ki kell sütni, ha ezt a rendszer automatikusan nem végzi el és célszerű 10÷15 percet várni a szerelőmunka megkezdésével,
• a munka végeztével a felelős személy kapcsolja vissza a feszültséget a traktor villamos hálózatára.

Ha mégis áramütést ér egy személyt, akkor a következő sorrendben célszerű a mentést elvégezni:

1. a villamos áramkört azonnal meg kell szakítani, vagy a vezetékről leválasztani a balesetet szenvedett személyt,
2. telefonálni a mentőknek,
3. ha szükséges megkezdeni az újra élesztést,
4. folyadékot csak a mentőorvos itathat az eszméletét vesztett személlyel.

A nagyfeszültségű villamoshálózattal rendelkező traktor üzemeltetéséhez villamos ismeretekkel rendelkező szakképzett traktoros szükséges. A karbantartási, javítási munkák elvégzéséhez nem csak mechanikai, villamos szerelési ismeretekkel kell a munkásnak rendelkeznie, hanem az áramütési baleset elhárításában is jártasságot kell felmutatnia.

Dr. Varga Vilmos
SZIE Gépészmérnöki Kar,
Járműtechnika Tanszék,