電傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

譚 剛,陳 韜,李 軍,魏 星

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校,650033)

電傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械中的應(yīng)用

譚 剛,陳 韜,李 軍,魏 星

(昆明冶金高等專科學(xué)校,650033)

電傳動(dòng)技術(shù)是工程機(jī)械驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和工作驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的核心。本文首先就電傳動(dòng)技術(shù)的有關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了簡(jiǎn)要介紹，結(jié)合實(shí)例重點(diǎn)介紹了電傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械中的運(yùn)用，并對(duì)電傳動(dòng)技術(shù)在未來(lái)工程機(jī)械中的運(yùn)用問(wèn)題進(jìn)行了展望。

工程機(jī)械；電傳動(dòng)技術(shù)；自動(dòng)控制技術(shù)；智能化

電傳動(dòng)的傳動(dòng)方式是以電能-機(jī)械能為基礎(chǔ)。電能來(lái)源：電網(wǎng)、蓄電池、內(nèi)燃機(jī)組等等，而且動(dòng)力能源、電能機(jī)是軟連接，對(duì)于傳動(dòng)系統(tǒng)的布置是沒(méi)有限制的，具有無(wú)級(jí)變速、空間利用率高、動(dòng)力制動(dòng)行駛安全等特點(diǎn)。伴隨著電氣設(shè)備控制技術(shù)，高性能和高功率發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)的應(yīng)用，此技術(shù)在工程機(jī)械、內(nèi)燃機(jī)車(chē)等領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用。

1 電傳動(dòng)技術(shù)簡(jiǎn)介

1.1 電傳動(dòng)技術(shù)的發(fā)展

電傳動(dòng)技術(shù)由傳動(dòng)機(jī)、工作機(jī)構(gòu)、電源、電動(dòng)機(jī)、控制設(shè)備組成，實(shí)現(xiàn)了電能-機(jī)械能的轉(zhuǎn)變，是電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)交通運(yùn)輸車(chē)輛、生產(chǎn)機(jī)械設(shè)備等的動(dòng)作技術(shù)。20世紀(jì)的二次工業(yè)革命開(kāi)始使用了電傳動(dòng)技術(shù)，直到20世紀(jì)70-80年代仍占有主導(dǎo)地位。后來(lái)因?yàn)橛?jì)算機(jī)等高科技的運(yùn)用，電傳動(dòng)技術(shù)經(jīng)過(guò)近百年的變化也發(fā)生了巨大變化，發(fā)展成為交-交傳動(dòng)系統(tǒng)。

現(xiàn)在的電傳動(dòng)系統(tǒng)是由計(jì)算機(jī)控制的，具有復(fù)雜的閉環(huán)系統(tǒng)，改變了傳統(tǒng)的繼電-接觸開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)。伴隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，新時(shí)代復(fù)合型以及高動(dòng)態(tài)參數(shù)電力電子器件已朝著智能化方向發(fā)展，其運(yùn)用和交流調(diào)整技術(shù)將得到了新的提高。

1.2 電傳動(dòng)系統(tǒng)類型

(1)直流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

發(fā)電機(jī)與電動(dòng)機(jī)之間無(wú)功率變換裝置，此系統(tǒng)發(fā)出的是直流電直接供給電動(dòng)機(jī)。通常采用改變電動(dòng)機(jī)電樞端電壓，或改變電動(dòng)機(jī)勵(lì)磁的方法進(jìn)行調(diào)速。該系統(tǒng)具有良好的調(diào)速能力，一般應(yīng)用于對(duì)調(diào)速精度要求較高的系統(tǒng)中。

(2)交流發(fā)電機(jī)-直流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

此系統(tǒng)應(yīng)用于20世紀(jì)70-90年代。該系統(tǒng)發(fā)出三相交流電后，轉(zhuǎn)變成直流電（整流器轉(zhuǎn)變）后供給直流電動(dòng)機(jī)。具有運(yùn)行可靠，維護(hù)、檢修方便等特點(diǎn)。

(3)交流發(fā)電機(jī)-整流器-交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

此系統(tǒng)應(yīng)用于20世紀(jì)90年代。該系統(tǒng)通過(guò)交流發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電—直流電（整流器轉(zhuǎn)變）—頻率可調(diào)節(jié)的三相交流電（逆變器轉(zhuǎn)變），驅(qū)動(dòng)交流電機(jī)。只需對(duì)逆變器所觸發(fā)的頻率進(jìn)行調(diào)整就可以改變運(yùn)行速度。此系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、運(yùn)行可靠、維修方便等特點(diǎn)。

(4)交流發(fā)電機(jī)-交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

通常適用于大功率、低速的系統(tǒng)，是由交流發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電，經(jīng)過(guò)交-交的變頻器轉(zhuǎn)換成頻率、電壓不一樣的交流電后供給交流電動(dòng)機(jī)。此系統(tǒng)交-交變頻器是由全控整流的晶閘管電路組成的。

1.3 電傳動(dòng)系統(tǒng)特點(diǎn)

電傳動(dòng)系統(tǒng)具有：中間環(huán)節(jié)少、零部件少、機(jī)械磨損小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、傳動(dòng)效率高，可靠性強(qiáng)等特點(diǎn)。且系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性，啟動(dòng)力矩大，可以提升車(chē)輛運(yùn)行、機(jī)械設(shè)備的穩(wěn)定性，減少了運(yùn)行

成本。

2 電傳動(dòng)技術(shù)在工程機(jī)械中的運(yùn)用

工程機(jī)械的種類較多，通常使用的是移動(dòng)式設(shè)備。行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和工作驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)則是工程機(jī)械的兩大支柱系統(tǒng)。常用的傳動(dòng)形式主要有：液力、機(jī)械、液壓、混合傳動(dòng)等。由于受工藝、材料、技術(shù)等原因的限制，大功率、噸位大的液力變矩器采用上述驅(qū)動(dòng)方式存在一定困難。而GTO、GTR等的電力電子器件的發(fā)展卻有效推進(jìn)了電傳動(dòng)技術(shù)在大型工程機(jī)械中的運(yùn)用。

2.1 電傳動(dòng)行走系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的機(jī)械-液力傳動(dòng)行走系統(tǒng)比較，取消了液力變矩器、離合器、后橋主變速器等容易損壞的零件，把原來(lái)復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變得簡(jiǎn)單，大大提升了傳動(dòng)裝置的可靠性與使用壽命。目前大噸位礦車(chē)、有履帶的推土機(jī)等大型機(jī)械均運(yùn)用了電傳動(dòng)行走系統(tǒng)。

典型的工程機(jī)械電傳動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)（如圖1所示）：

由發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)的三相交流電被送至功率電子裝置，進(jìn)行整流、逆變，變成可調(diào)節(jié)頻率供給交流電機(jī)后帶動(dòng)履帶、輪胎運(yùn)行，達(dá)到工程機(jī)械行走的目的。

圖1：典型的工程機(jī)械電傳動(dòng)行走驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

圖2：典型的工程機(jī)械電傳動(dòng)工作系統(tǒng)

圖3：某正鏟挖掘機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)主電圖

控制系統(tǒng)發(fā)出指令來(lái)控制功率電子裝置，達(dá)到機(jī)械的前進(jìn)、后退、停止、轉(zhuǎn)動(dòng)等操作，并根據(jù)設(shè)備各系統(tǒng)的工作狀態(tài)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能。同時(shí)，還可以根據(jù)負(fù)載情況改變柴油機(jī)工作狀態(tài)，讓功率和牽引發(fā)電機(jī)相匹配，使系統(tǒng)得到更高的效率。比如：2009年由卡特推出的推土機(jī)（型號(hào)：D7E），由一臺(tái)柴油機(jī)帶動(dòng)另一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)發(fā)電后，通過(guò)整流、逆變后驅(qū)動(dòng)，由左、右兩臺(tái)交流驅(qū)動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)差動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、低驅(qū)輪底盤(pán)。此系統(tǒng)和原有推土機(jī)（型號(hào)：D7）系統(tǒng)對(duì)比，沒(méi)有換檔的齒輪，部件減少了60%；且負(fù)荷需求響應(yīng)速度快，運(yùn)用電傳動(dòng)技術(shù)新型號(hào)的推土機(jī)可減少至少25%的燃油消耗。

另一重型機(jī)械代表：重型礦用電動(dòng)輪自卸卡車(chē)。此車(chē)是大型露天礦山運(yùn)輸設(shè)備，具有運(yùn)輸速度快、工作效率高、載重能力大、運(yùn)營(yíng)成本低等特點(diǎn)。伴隨著我國(guó)礦山開(kāi)采規(guī)模的不斷擴(kuò)大，礦用電動(dòng)輪自卸卡車(chē)的需求量將不斷增加。

2.2 電傳動(dòng)工作系統(tǒng)

典型的工程機(jī)械電傳動(dòng)工作系統(tǒng)（如圖2所示）：

工程機(jī)械一般運(yùn)用自己配置發(fā)動(dòng)機(jī)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)出三相交流電，傳送至功率電子裝置后進(jìn)行整流、逆變，變成頻率可調(diào)節(jié)三

相交流電供給各個(gè)交流的工作電機(jī)，工作電機(jī)驅(qū)動(dòng)工作機(jī)構(gòu)進(jìn)行作業(yè)。

但是對(duì)于移動(dòng)速度不快且工作范圍小的大型機(jī)械自身不帶發(fā)動(dòng)機(jī)和交流發(fā)電機(jī)，常引用外部三相交流電作為能源。比如電鏟，外部三相交流電送至功率電子裝置進(jìn)行整流、逆變后供給交流回轉(zhuǎn)、提升等工作電機(jī)。

控制系統(tǒng)通過(guò)指令對(duì)功率電子裝置輸出，達(dá)到啟動(dòng)、前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向等工作和保護(hù)功能。

2.3 實(shí)例解析

某正鏟挖掘機(jī)電傳動(dòng)系統(tǒng)主電圖（如圖3所示）：

工作及行走系統(tǒng)采用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行（交流發(fā)電機(jī)-整流器-交流電動(dòng)機(jī)系統(tǒng)）。外部的三相交流電流通過(guò)可控硅整流器為直流到直流母線傳送（母線被送往直流逆變器1-3）。步行牽引系統(tǒng)是由逆變器供電，兩個(gè)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)挖掘機(jī)的左、右履帶式；鏟裝在工作時(shí)，有升降、推壓、回轉(zhuǎn)動(dòng)作，由兩電機(jī)驅(qū)動(dòng)，一推電機(jī)，兩臺(tái)旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)的，系統(tǒng)有三組高逆變器。因?yàn)橥诰驒C(jī)工作的時(shí)候不行走，行走的時(shí)候不工作，所以逆變器1-2改是行走系統(tǒng)與提升、搶奪工作系統(tǒng)的共用逆變器，不一樣的狀態(tài)轉(zhuǎn)移的操作是由一個(gè)不同驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作，分別與在逆變器的按壓操作被切換，以提高加壓和起重電動(dòng)機(jī)行走速度；機(jī)械轉(zhuǎn)向是由二臺(tái)回轉(zhuǎn)機(jī)一起工作，二臺(tái)回轉(zhuǎn)電機(jī)用一組逆變器3；可控硅整流及于再生發(fā)電運(yùn)行情況，返回單元后再把功率反饋至交流電網(wǎng)上面。

3 電傳動(dòng)技術(shù)在未來(lái)工程機(jī)械中的運(yùn)用展望

3.1 工程機(jī)械領(lǐng)域

最早開(kāi)始，電傳動(dòng)技術(shù)只運(yùn)用于內(nèi)燃機(jī)車(chē)，之后才在重型車(chē)輛等領(lǐng)域中運(yùn)用。伴隨著絕緣柵雙極晶體管等電力電子器件和變流控制技術(shù)發(fā)展，帶動(dòng)動(dòng)車(chē)等的不斷發(fā)展。這些技術(shù)一定會(huì)大力推進(jìn)電傳動(dòng)技術(shù)在我國(guó)工程機(jī)械領(lǐng)域的廣泛運(yùn)用。

3.2 節(jié)能減排

節(jié)能減排一直是在未來(lái)恒定的問(wèn)題，也是經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主題。在一般的情況下，大多數(shù)工程機(jī)械產(chǎn)品是使用燃料的。如果要達(dá)到節(jié)能目的，其最根本的辦法就是提高燃料的使用率，或者使用無(wú)污染的能源。顯而易見(jiàn)，混合動(dòng)力電驅(qū)動(dòng)技術(shù)是工程機(jī)械未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。

3.3 低成本和高效率工程建設(shè)背景下的需要

如果要想實(shí)現(xiàn)建設(shè)成本低、效率高，其目的是使用大型施工機(jī)械。使用大電機(jī)調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果后非常明顯，使用電傳輸模式經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的成熟電傳動(dòng)方式是重大項(xiàng)目傳輸方式的首選。例如，前幾年占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)120噸、170噸、150噸級(jí)采礦電動(dòng)輪自卸車(chē)，礦山190噸、220噸、290噸電動(dòng)輪自卸車(chē)都廣泛采用了先進(jìn)的電傳動(dòng)技術(shù)。

[1] 吳國(guó)祥、李玉河，《工程機(jī)械智能化與信息化發(fā)展概況》［J］．工程機(jī)械，2013，44(1):2－7

[2] 李學(xué)忠、孫寬，《工程機(jī)械產(chǎn)品的自動(dòng)化與智能化控制》［J］．工程機(jī)械，2009，40(7):49－55

譚剛（1975.3-），男，漢族，云南石屏人，大專學(xué)歷，昆明冶金高等?？茖W(xué)校實(shí)訓(xùn)處，助理工程師

陳韜（1978.4-），男，漢族，云南昆明人，大學(xué)本科，昆明冶金高等專科學(xué)校實(shí)訓(xùn)處，中級(jí)工

李軍（1973.11-）男，彝族，云南石屏人，大專學(xué)歷，昆明冶金高等專科學(xué)校實(shí)訓(xùn)處，助理工程師

魏星（1970,12-），云南昆明，學(xué)歷：本科，昆明冶金高等?？茖W(xué)校電氣學(xué)院，職稱，初級(jí)，研究方向，電工電子技術(shù)。

Application of electric transmission technology in Mechanical Engineering

Tan Gang，Chen Tao，Li Jun，Wei Xing
（Kunming Metallurgy College，650033）

In this paper,the various types of electric drive system corresponding comparison,and describes the development phase of electric drive technology.In general,he use of electric drive technology is basically driven systems engineering machinery street and working drive system. This article describes some of the electric drive system structure and specific examples of the use of electric drive technology in the field of construction machinery in the future were discussed.

Electric Transmission Automatic Mechanical Engineering Technology