Elektromos erőforrások és hibrid hajtások erőgépeken

Néhány évvel ezelőtt a John Deere 7530 E Premium traktoron jelent meg elektromos hajtásokat kiszolgálni képes generátor, amely elsősorban a traktor elektromotorral meghajtott belső fogyasztóit (hűtőventilátor, keringtető vízszivattyú, légfékkompresszor, a vezetőfülke szellőzése és klímaberendezése) látta el elektromos árammal. Ezek összesen 5 kW villamos teljesítményt vettek fel és 10 kW villamos teljesítményt a traktor a munkagépeknek és külső fogyasztóknak képes átadni. A traktor motorteljesítményének 7,7%-át tudja elektromos hajtásokon keresztül hasznosítani. Két évvel ezelőtt a minszki traktorgyár rukkolt elő az MTZ/Belarus 3023 típusú dízel-elektromos (hibrid) meghajtású traktorával, amelyre a vezető traktorgyártók is felkapták a fejüket. Az azóta már 30 db-os próbaszériáig eljutó, nyúzópróbákon tesztelt traktor 220 kW (300 LE) teljesítményű dízelmotorja 172 kW-os (235 LE-s) generátort működtet, amelynek a teljesítményének 50%-a külső fogyasztókon keresztül is hasznosítható. A traktor járószerkezete is elektromosan kerül meghajtásra két mechanikus áttétel közbeiktatásával.

A John Deere a korábbi elgondolásaira építve tavaly a JD 6210 RE típusú villamos energiát is szolgáltató traktorával rukkolt ki, amely már a traktor belső fogyasztóinak elektromos meghajtása mellett 20 kW elektromos teljesítményt képes külső fogyasztóknak szolgáltatni.

A tavalyi Agritechnica kiállításon mutatta be a Fendt nagy teljesítményű áramfejlesztő generátorral rendelkező Fendt X Concept traktorát, amely már egy éve nyúzópróbán vesz részt. A traktor a Fendt Vario 722 típus bázisára épül. Erőforrása egy 140 kW (200 LE) teljesítményű hathengeres, 4,9 literes Deutz DCR motor, amely egy 130 kW max. teljesítményű, 700 Volt feszültségen üzemelő generátort hajt meg és a fokozatnélküli Varió hajtóművön keresztül működteti a járószerkezetet. A generátor látja el 12 Voltra letranszformált árammal a traktor belső fogyasztóit (hűtőventilátor, hűtővízszivattyú, klímaberendezés, légfékkompresszor stb.). A traktor hátsó hidraulikus blokkján, a hidraulikus csatlakozások helyén négypólusú 700 Voltos elektromos dugaszaljzat található, ahonnan átvihető az elektromos áram a traktorral üzemeltetett munkagépekre. A traktort elektromos meghajtású futóművel épített Fliegl letolókocsival tesztelik. A szériagyártása 3-4 év múlva várható.

A svájci Sepp Knüsel tulajdonában lévő Rigitrac traktorgyár, amely összkerék-kormányzású és összkerékhajtású speciális hegyi traktorokat gyárt, a Drezdai Műszaki Egyetemmel közösen fejlesztette ki dízel-elektromos (hibrid) hajtású traktorát. A Rigitrac EVD 120 típusú traktor hajtómotorja egy elektronikus befecskendezésű Deutz DCR (Common Rail System) 91 kW (120 LE) teljesítményű dízelmotor, amely – a hajtómű helyére beépített – 85 kW
teljesítményű 400 és 800 V közötti egyenfeszültségen dolgozó generátort hajt meg.
A generátor által termelt áram látja el energiával a négy kerékagyba beépített villanymotort, amely közvetlenül hajtja meg a kerekeket.

A nagy nyomatékú szinkron kerékmotorok egyenként max. 33 kW teljesítmény átvitelére képesek. A kerékmotorokon keresztül fékezhető is a traktor, amikor lejtmenetben motorüzemről generátorüzemre kapcsol át a vezérlés. Egyenlőre az így termelt energia tárolása még korlátozottan lehetséges a traktoron, de folynak a kutatások nagy kapacitású akkumulátorok beépítésére. Hasonló elven dolgozó „elektromos motorféket” használnak a meredek hegyi utakon közlekedő traktorokon is. Lejtmenetben a traktor változó nagyságú árammal gerjeszthető fékgenerátort hajt meg és megnövelt motorfékkel fékezi a vontatmányt.
A hidraulikus lengéscsillapítással ellátott független felfüggesztésű, intelligens rugózású kormányzott kerekekhez kábeleken jut el az elektromos energia. A motor belső fogyasztóinak a meghajtása is elektromosan történik. A kerékmotorok hűtéséről a kerékagy küllős kiképzése gondoskodik. A traktoron nagy teljesítményű elektromos csatlakozót építettek ki a munkagépek meghajtásához, amelyen keresztül akár 80 kW teljesítmény is átvihető a munkagépek hajtására. A Rigitrac EVD 120-as hibrid traktornak is mind a négy kereke kormányzott, ezáltal többféle kormányzási mód mellett jól lehet vele manőverezni.
A traktor direktben meghajtott hidraulikus rendszere képes a hátsó és mellső függesztő szerkezetet megfelelő teljesítménnyel kiszolgálni.
A hátsó és mellső TLT-je elektromos meghajtású. A traktor vezérlése és szabályozása a vezetőülés jobb karfájára telepített szabályzó karokkal történik. A fedélzeti számítógép és monitor pontosan tájékoztatja a vezetőt a terhelésekről és a végzett műveletekről.

A Caterpillar is kifejlesztett kísérleteiben több hibrid hajtást a traktorokhoz és földmunkagépekhez, ahol az előzőhöz hasonlóan a dízelmotor
villamos generátort működtet és a hajtásrendszerek fogyasztói oldalát villanymotorok hajtják meg.

Négy évvel ezelőtt mutatta be a New Holland a NH2-es hidrogénnel üzemelő tüzelőanyag-cellák által termelt villamos árammal hajtott traktorát. Azóta is folyamatosan fejlesztik a konstrukciót Basildonban (UK).
A legújabb tavalyi verzióban már 100 kW teljesítményű villamos hajtás található, amelynek maximális nyomatéka 1200 Nm. Ez 200 LE-s dízelmotor nyomatékának felel meg. A traktor 8,2 kg 350 bárra sűrített hidrogént képes magával vinni, amely 3 órás üzemre elegendő. A fejlesztések a jövőben, a traktoron tárolható hidrogén mennyiségének növelésére irányulnak elsősorban. A tüzelőanyag-cellás áramforrások fejlődésével egyre jobb hatásfokú elektromos meghajtású traktorok fejlesztése várható, akár már belátható időn belül megszülethet az elektromos traktor.

Az elektromos és hibrid hajtások kutatásának és fejlesztésének legfőbb fellegvára Európában a Drezdai Műszaki Egyetem, ahol több tanulmánymodellt is kidolgoztak hibrid hajtású traktorokhoz és arató-cséplő gépekhez.

A hibrid hajtású arató-cséplő gép koncepciójuknál a dízelmotor nagy teljesítményű generátort hajt meg és az így termelt villamos áram működteti a cséplődobot meghajtó villanymotort és a többi működő egységet. A hibrid hajtással a hajtáslánc jelentősen leegyszerűsíthető. Elhagyható a dízelmotornál a tengelykapcsoló, a generátor közvetlenül a motor főtengelyéhez csatlakoztatható. Ugyancsak nincs szükség a hajtáselosztó tengelyre, az ahhoz kapcsolódó ékszíjhajtásokra, a variátorhajtásra és a dobmeghajtásra. A cséplődob belső terében a tengelyre telepített villanymotor révén a generátor áramával közvetlenül hajtható meg a cséplődob, és a fordulatszáma is fokozatmentesen állítható. A beépített hajtáselemek által elfoglalt térfogat jelentős része megtakarítható, ezáltal növelhetők a cséplőrendszer méretei, több hely áll rendelkezésre a magtartály kialakításához is. Hasonló hibrid hajtással működtethetők az axiáldobos rendszerű arató-cséplő gépek többfunkciós dobjai is. Nagy teljesítményű hibrid hajtásrendszerű kombájnoknál a cséplőszerkezet mellett a járószerkezet és több funkcionális egység (szalmarázó, légszállító ventilátorok, vagy a szalmaszecskázó) is elektromosan működtethetők. Kísérleti jelleggel ezekre is találunk egy-egy példát. A fejlesztők azért is fókuszálnak a gabonakombájnokra, mert azoknál a rengeteg ékszíjhajtás vagy a bonyolult hidraulikus körök jelentik az egyik főbb hibaforrást.

Az utóbbi időben egyre több munkagépen is megjelentek az elektromos hajtások, ahol a traktor TLT-jéről működtetett generátorral látják el árammal a fogyasztókat. Ezek a belső elektromos hajtások a hajtásláncok egyszerűsítését teszik lehetővé, és a működés szabályozhatóságát javítják.

Traktorokhoz csatlakoztatható külső elektromos erőforrások, a munkagépek meghajtásához

Mivel egyre több munkagépen lehet találkozni már elektronikus hajtásokkal, több gyártó is megjelent a hagyományos traktorok hajtóművébe beépített (ZF) vagy ráépíthető (Caterpillar), ill. a hátsó, vagy mellső TLT-ről (GKN, Raussendorf, Zuidberg) meghajtott áramfejlesztő generátorokkal, amelyekről a munkagépek elektromos fogyasztóit lehet kiszolgálni.

A német ZF sebességváltógyár olyan fokozatnélküli (CVT) sebességváltót fejlesztett ki, amelybe gyárilag betervezett és beépített villamos generátor áramot termel és képes kiszolgálni elektromos energiával a traktorral üzemeltetett elektromos meghajtású munkagépeket. A hajtóműbe integrált generátor nem igényel külön beépítést és konstrukciós átalakításokat a traktorokon. A 2013-as Agritechnica kiállításon több modellt is bemutatott a ZF, köztük a ZF Terramatic TMT 32-es 250–320 LE motorteljesítményű traktorokhoz kifejlesztett fokozatnélküli hajtóművet, amelybe egy 50–70 kW elektromos teljesítményt szolgáltató generátort is integráltak. A hibrid hajtómű már szériaérett konstrukció.

A GKN Walterscheid hajtásrendszereket és kardántengelyeket gyártó multinacionális vállalkozás a traktorok mellső vagy hátsó hidraulikus függesztő szerkezetére kapcsolható, teljesítményleadó tengelyről (TLT-ről) meghajtott olajhűtéssel ellátott generátorral jelent meg 2011-ben a piacon. A ePower Generator egység 100 kW elektromos teljesítményt képes szolgáltatni a traktorhoz kapcsolt, vagy arról üzemeltetett elektromos meghajtású munkagépeknek. A generátor már alacsony TLT-fordulatszám mellett is képes energiát átadni, amely a traktoroknál üzemanyag-megtakarítást eredményez. Az áramforrást az elektromos hajtáslánc vezérléséhez szükséges szabályzó berendezésekkel is felszerelték, amely a traktor vezetőfülkéjéből kezelhető.
A tavalyi Agritechnica kiállításon a Walterscheid a 100 kW teljesítményű ePower generátorának már új generációját mutatta be, amely felhasználóbarát, ISOBUS-kompatibilis vezérlést és terminált kapott, amelyen pontosan beállíthatók és ellenőrizhetők a generátor, ill. az elektronikus hajtások paraméterei.

Hasonló megoldással rukkolt elő a Raussendorf GmbH is. A Power Pack PP45 a traktorok mellső függesztő szerkezetére csatlakoztatható és a mellső TLT-ről meghajtott mobil áramforrás 45 kW kimeneti elektromos teljesítmény előállítására és továbbítására képes.
A berendezés lelke egy 3000 f/min fordulatszámon dolgozó szinkron generátor, amely 1000 f/min TLT-fordulatszámon hajtható meg.
Az előtét hajtómű háromszorosra növeli a fordulatszámot. Az áramátalakítóval is felszerelt mobil áramforrásnak 400 Volt váltóáramú és 700 Volt egyenáramú kimenete van, így kétféle elektromos hálózatú fogyasztókat képes kiszolgálni. Ezentúl 230 V-os váltóáramú csatlakozóval is felszerelték, amelyről kis feszültségű hálózati fogyasztókat (szerszámokat, majori elektromos gépeket stb.) is lehet üzemeltetni. Az áramforrást és a fogyasztókat védő megfelelő védelemmel is felszerelték a rendszert.
A generátort és a vezérlés szekrényét is nedvesség ellen szigetelték, és burkolattal látták el. A konstrukció külön érdekessége, hogy ISOBUS-kommunikációval is rendelkezik, így a traktor belső informatikai rendszeréhez csatlakoztatva folyamatosan követhető a villamos hajtás átviteli teljesítménye, feszültsége, a generátor, ill. a villanymotorok esetleges melegedése, túlterhelése. Ennek az elektromos hajtásrendszernek is kifejezetten előnye a fokozat nélküli teljesítményátvitel és fordulatszám-szabályozás.

Az előzőhöz hasonló, elektromos hajtásrendszereket kínál az STW-Zuidberg cég is, amely a traktorokhoz gyárt függesztő és kapcsoló egységeket, valamint hajtásrendszereket.

Dr. Hajdú József

A cikk szerzője: Dr. Hajdú József