電傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械上的運(yùn)用

周陽(yáng)　黨鋆

摘要：本文對(duì)電傳動(dòng)技術(shù)的概念、電傳動(dòng)系統(tǒng)的分類(lèi)、特點(diǎn)、在工程機(jī)械上的實(shí)際運(yùn)用以及今后的發(fā)展前景進(jìn)行了詳細(xì)的分析，以求使更多的人可以認(rèn)識(shí)并引進(jìn)電動(dòng)化技術(shù)，促進(jìn)工程機(jī)械行業(yè)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：電傳動(dòng)技術(shù)；工程機(jī)械；運(yùn)用

電傳動(dòng)是依靠電力來(lái)傳遞動(dòng)能的傳動(dòng)方式，與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高效的特點(diǎn)，但是對(duì)電機(jī)的要求也相對(duì)較高。隨著大功率的電力電子器件、高效能的電動(dòng)機(jī)的問(wèn)世，電氣設(shè)備控制技術(shù)也得到了超前的發(fā)展，電傳動(dòng)技術(shù)在我國(guó)的工程機(jī)械領(lǐng)域被應(yīng)用的越來(lái)越廣泛，其地位也越來(lái)越顯著。

1 電傳動(dòng)技術(shù)概述

電傳動(dòng)技術(shù)指的是利用電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交通運(yùn)輸車(chē)輛或者生產(chǎn)機(jī)械等設(shè)備運(yùn)行的技術(shù)，通過(guò)把電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)化來(lái)實(shí)現(xiàn)能量之間的轉(zhuǎn)換。其中電能可以以蓄電池、內(nèi)燃機(jī)組或者電網(wǎng)的形式出現(xiàn)，電動(dòng)機(jī)與動(dòng)力源通過(guò)軟連接進(jìn)行了解，可以使傳動(dòng)系統(tǒng)不受空間布置的約束。電動(dòng)機(jī)、工作機(jī)構(gòu)、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)、控制設(shè)備以及電源等共同組成了電傳動(dòng)系統(tǒng)。從20世紀(jì)初的第二次工業(yè)革命，電動(dòng)機(jī)問(wèn)世并開(kāi)始被利用開(kāi)始，電傳動(dòng)技術(shù)一直在應(yīng)用中得以更新和升級(jí)，如今伴隨著高結(jié)溫、大電流、耐高壓、高頻率的模塊化、復(fù)合型的電力電子器件的問(wèn)世，還有交流調(diào)速技術(shù)的發(fā)塊發(fā)展，電傳動(dòng)系統(tǒng)也在朝著智能化和大功率的方向發(fā)展。

2 電傳動(dòng)系統(tǒng)類(lèi)型

電傳動(dòng)系統(tǒng)按照電能轉(zhuǎn)化的不同形式可以分為直一直電傳動(dòng)系統(tǒng)、交一直電傳動(dòng)系統(tǒng)、交一直一交電傳動(dòng)系統(tǒng)和交一交電傳動(dòng)系統(tǒng)。其中直一直電傳動(dòng)系統(tǒng)指的是將直流發(fā)電機(jī)發(fā)出的直流電傳輸給直流電動(dòng)機(jī)的系統(tǒng)，在直一直電傳動(dòng)系統(tǒng)中不存在任何功率轉(zhuǎn)換的裝置。通常是采用對(duì)發(fā)電機(jī)電勢(shì)即電動(dòng)機(jī)電樞端點(diǎn)和電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁等的改變來(lái)進(jìn)行調(diào)速，而且調(diào)速精度較高。交一直電傳動(dòng)系統(tǒng)是指交流發(fā)電機(jī)一直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，是通過(guò)整流器對(duì)交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電進(jìn)行整流逆變成直流電，再將直流電傳輸給直流電動(dòng)機(jī)。這種系統(tǒng)的維修較為簡(jiǎn)便，運(yùn)行也比較可靠。交一直一交電傳動(dòng)系統(tǒng)指的是交流發(fā)電機(jī)一整流器一交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)整流器和逆變器將交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電整流逆變?yōu)榭烧{(diào)頻率的三項(xiàng)交流電，以實(shí)現(xiàn)對(duì)交流電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，是目前應(yīng)用最為廣泛的電傳動(dòng)系統(tǒng)。交一交電傳動(dòng)系統(tǒng)指交流發(fā)電機(jī)一交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)交一交變頻器將由交流發(fā)電機(jī)發(fā)出的三相交流電進(jìn)行轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成為電壓和頻率都不相同的交流電后再傳送到交流電動(dòng)機(jī)。

3 電傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的機(jī)械傳動(dòng)相比，電傳動(dòng)系統(tǒng)自身的零部件較少，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。減少了許多中間環(huán)節(jié)，傳動(dòng)鏈相對(duì)較短，因此能夠降低機(jī)械的磨損程度，提高傳動(dòng)的效率。另外，電傳動(dòng)系統(tǒng)的響應(yīng)速度很快，有較好的調(diào)速性能，從零轉(zhuǎn)速向額定轉(zhuǎn)速的轉(zhuǎn)換所用的時(shí)間較短，擁有無(wú)極變速的優(yōu)勢(shì)，不僅能夠提高驅(qū)動(dòng)能力，還能使交通運(yùn)輸車(chē)輛和機(jī)械設(shè)備運(yùn)行得更加平穩(wěn)，使得運(yùn)行成本降低，對(duì)其進(jìn)行的維護(hù)也更加便捷。各個(gè)類(lèi)型的電傳動(dòng)系統(tǒng)的特點(diǎn)如下：

4 電傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械上的運(yùn)用

工程機(jī)械大多是移動(dòng)式設(shè)備，其中最重要的系統(tǒng)是工作驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和行走驅(qū)動(dòng)。以往常用液力傳動(dòng)、機(jī)械傳動(dòng)等傳動(dòng)方式。但是由于工藝水平、材料、技術(shù)等諸多條件的限制，在以往傳動(dòng)方式的運(yùn)行中存在著許多問(wèn)題，更加上如今高效率、高功率密度電力電子器件的發(fā)展，對(duì)傳動(dòng)技術(shù)的要求變得日益嚴(yán)格。使得電傳動(dòng)技術(shù)得以在工程機(jī)械中應(yīng)用開(kāi)來(lái)。

4.1 電傳動(dòng)行走系統(tǒng)

電傳動(dòng)系統(tǒng)中減少了液力變矩器、離合器、傳動(dòng)抽、后橋主變器和變速器等容易受損的部件，結(jié)構(gòu)相比傳統(tǒng)的機(jī)械一液力傳動(dòng)的行走系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化，使傳動(dòng)裝置的壽命和可靠性都得到了提高。大噸位礦用自卸車(chē)、履帶推土機(jī)和大功率平地機(jī)等工程機(jī)械都采用了電傳動(dòng)行走系統(tǒng)。

上圖為典型的工程機(jī)械電傳動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的框圖。發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)對(duì)三項(xiàng)交流電發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使之發(fā)電，并將三相交流電傳輸給功率電子設(shè)備，通過(guò)功率電子設(shè)備的整流和逆變，將三相交流電轉(zhuǎn)變?yōu)榭烧{(diào)頻率的三項(xiàng)交流電再傳輸給交流牽引電機(jī)，使之驅(qū)動(dòng)履帶或者輪胎，實(shí)現(xiàn)工程機(jī)械的行走?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)指令控制工程機(jī)械的啟動(dòng)、前進(jìn)、后退、停止等功能。而且控制系統(tǒng)還可以實(shí)時(shí)的掌握機(jī)械負(fù)載變化的情況，以做出調(diào)整，改善柴油機(jī)的工作狀況，讓系統(tǒng)更加高效、節(jié)能。

4.2 電傳動(dòng)工作系統(tǒng)

上圖為典型的工程機(jī)械電傳動(dòng)工作系統(tǒng)的框圖。工程機(jī)械一般會(huì)采用自帶的發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)運(yùn)行從而發(fā)電，發(fā)電機(jī)將產(chǎn)生的三相交流電傳輸?shù)焦β孰娮友b備中。通過(guò)功率電子裝置對(duì)三相交流電進(jìn)行整流和逆變，使之成為可調(diào)頻率的三相交流電并傳輸給各個(gè)交流工作電機(jī)，以驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)。可是有一些機(jī)械自身并不帶有發(fā)動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)，因此需要利用外部的三相交流電作為源動(dòng)力，將外部的三相交流電傳輸?shù)焦β孰娮友b置中，通過(guò)功率電子裝置進(jìn)行整流和逆變后在傳輸給工作電機(jī)，由工作電機(jī)帶動(dòng)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)?？刂葡到y(tǒng)可以根據(jù)質(zhì)量，對(duì)功率電子裝置的輸出進(jìn)行控制，以實(shí)現(xiàn)機(jī)械的啟動(dòng)、回轉(zhuǎn)、停止、裝卸和升降功能，同時(shí)還可以根據(jù)設(shè)備中各個(gè)系統(tǒng)的工作狀態(tài)，進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示、預(yù)警和保護(hù)。

5 電傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械上的應(yīng)用實(shí)例

上圖為某型10m²正鏟挖掘機(jī)電傳機(jī)系統(tǒng)的主電路圖，其中的工作系統(tǒng)和行走系統(tǒng)都是采用電傳動(dòng)的方式，屬于典型的交一直一交變流系統(tǒng)?？煽毓枵鲗⑼獠咳?xiàng)交流電轉(zhuǎn)變?yōu)橹绷麟姾髮⑵鋫鬏數(shù)街绷髂妇€排中，利用直流母線排分別將直流電傳輸?shù)侥孀兤?、逆變器2和逆變器3中。行走系統(tǒng)分別通過(guò)逆變器1和逆變器2將電流供應(yīng)到行走電機(jī)1和行走電機(jī)2中。并通過(guò)這兩個(gè)行走電機(jī)驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)左、右履帶進(jìn)行作業(yè)。在正鏟挖掘機(jī)進(jìn)行裝卸作業(yè)時(shí)，會(huì)有升降、推壓回轉(zhuǎn)等動(dòng)作，這時(shí)工作系統(tǒng)就通過(guò)2臺(tái)提升電機(jī)、1臺(tái)推壓電機(jī)、和2臺(tái)回轉(zhuǎn)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)一共設(shè)置了三組逆變器，因?yàn)橥诰驒C(jī)分為工作時(shí)步行走和行走時(shí)不工作等多種狀態(tài)，因此逆變器1和逆變器2屬于提升推壓工作系統(tǒng)和行走系統(tǒng)所公用的逆變器。根據(jù)挖掘機(jī)的不同狀態(tài)可以切換到不同的驅(qū)動(dòng)電機(jī)。例如在進(jìn)行推壓和提升工作時(shí)，就會(huì)切換到推壓和提升電機(jī)。這時(shí)的行走電機(jī)就會(huì)斷電。當(dāng)機(jī)械要進(jìn)行回轉(zhuǎn)動(dòng)作時(shí)，2臺(tái)回轉(zhuǎn)電機(jī)就會(huì)同時(shí)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，共用一組逆變器?？煽毓枵骱突仞亞卧鹬鞯淖饔茫谙到y(tǒng)進(jìn)行制動(dòng)時(shí)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)就會(huì)處于再生發(fā)電的運(yùn)行狀態(tài)，通過(guò)回饋單元使再生功率回饋到交流電網(wǎng)上去。

上圖是某型六輪獨(dú)立驅(qū)動(dòng)平地機(jī)電傳動(dòng)主系統(tǒng)的電路圖，其中行走系統(tǒng)采用的是電傳動(dòng)，工作系統(tǒng)采用的是液壓傳動(dòng)，這是一個(gè)典型的交一直一交變流系統(tǒng)。三項(xiàng)全橋不控整流將交流發(fā)電機(jī)傳輸?shù)娜?xiàng)交流電轉(zhuǎn)換為直流電傳輸給直流母線排。之后經(jīng)由6臺(tái)逆變器和輪邊減速機(jī)構(gòu)將直流電分配給各個(gè)輪邊電機(jī)。當(dāng)慣性動(dòng)能通過(guò)做功驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作進(jìn)行發(fā)電時(shí)，電能會(huì)回饋到直線母線排中，并經(jīng)過(guò)制動(dòng)電阻，將電能以熱能的形式消耗掉，從而實(shí)現(xiàn)下坡減速。

6 電傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械領(lǐng)域的應(yīng)用前景

（1）最早應(yīng)用電傳動(dòng)技術(shù)的是內(nèi)燃機(jī)車(chē)，之后電動(dòng)機(jī)技術(shù)便在艦船、重型運(yùn)輸車(chē)輛等領(lǐng)域被廣泛運(yùn)用。如今，絕緣柵雙極晶體管等大功率、高效能的電力電子器件逐漸問(wèn)世，變流控制技術(shù)也得到了空前的發(fā)展，使得高速鐵路動(dòng)車(chē)組和鋒利發(fā)電等領(lǐng)域的科學(xué)技術(shù)也迎來(lái)了發(fā)展的高峰期，這些技術(shù)也一定會(huì)推動(dòng)工程機(jī)械領(lǐng)域。電傳動(dòng)技術(shù)的快速發(fā)展。

（2）如今人們的環(huán)保意識(shí)在逐漸提高，對(duì)改變以往以犧牲環(huán)境為代價(jià)的經(jīng)濟(jì)發(fā)揮在那模式的呼聲越來(lái)越強(qiáng)烈，節(jié)能減排已經(jīng)成為當(dāng)下以及今后我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展所要追求的目標(biāo)，成為所有企業(yè)都要致力的發(fā)展方向。我國(guó)工程機(jī)械大部分都是使用燃料作為動(dòng)力的，因此提高工程機(jī)械的燃料利用效率，或直接采用更為綠色環(huán)保的新型能源成為可節(jié)能減排目標(biāo)的最有效的方法。因此對(duì)電力或者柴電混合動(dòng)力進(jìn)行利用的電傳動(dòng)技術(shù)必定會(huì)成為未來(lái)我國(guó)工程機(jī)械發(fā)展的主要方向。

（3）每一個(gè)工程建設(shè)都在追求以最少的成本收獲最多的效益，要想實(shí)現(xiàn)低成本、高效益的目標(biāo)，將工程機(jī)械大型化是不二選擇。被大型化后的電機(jī)采用調(diào)控技術(shù)可以使節(jié)能效果大大提高，使用經(jīng)濟(jì)的、技術(shù)嫻熟的電傳動(dòng)方式一定會(huì)成為大型機(jī)械對(duì)傳動(dòng)方式的第一選擇。例如在前幾年，170t、150t、120t級(jí)的礦用電動(dòng)輪自卸卡車(chē)是市場(chǎng)上銷(xiāo)售最為紅火的產(chǎn)品，可是如今市場(chǎng)上最受歡迎的是190t、220t、290t級(jí)的礦用電動(dòng)輪白卸卡車(chē)，而且如今最大的礦用電動(dòng)輪自卸卡車(chē)已經(jīng)達(dá)到了400t級(jí)。

7 小結(jié)

由于電傳動(dòng)技術(shù)工作效率高，調(diào)速性能好等特點(diǎn)，使得其在我國(guó)工程機(jī)械領(lǐng)域得到了普遍的重視和引用，隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，電傳動(dòng)技術(shù)還將得到不斷更新和升級(jí)，它的應(yīng)用前景是十分廣闊的。