電傳動技術在工程機械上的運用

周陽　黨鋆

摘要：本文對電傳動技術的概念、電傳動系統的分類、特點、在工程機械上的實際運用以及今后的發展前景進行了詳細的分析，以求使更多的人可以認識并引進電動化技術，促進工程機械行業的發展。

關鍵詞：電傳動技術；工程機械；運用

電傳動是依靠電力來傳遞動能的傳動方式，與傳統的機械傳動有結構簡單、高效的特點，但是對電機的要求也相對較高。隨著大功率的電力電子器件、高效能的電動機的問世，電氣設備控制技術也得到了超前的發展，電傳動技術在我國的工程機械領域被應用的越來越廣泛，其地位也越來越顯著。

1 電傳動技術概述

電傳動技術指的是利用電動機驅動交通運輸車輛或者生產機械等設備運行的技術，通過把電能向機械能的轉化來實現能量之間的轉換。其中電能可以以蓄電池、內燃機組或者電網的形式出現，電動機與動力源通過軟連接進行了解，可以使傳動系統不受空間布置的約束。電動機、工作機構、傳動機構、控制設備以及電源等共同組成了電傳動系統。從20世紀初的第二次工業革命，電動機問世并開始被利用開始，電傳動技術一直在應用中得以更新和升級，如今伴隨著高結溫、大電流、耐高壓、高頻率的模塊化、復合型的電力電子器件的問世，還有交流調速技術的發塊發展，電傳動系統也在朝著智能化和大功率的方向發展。

2 電傳動系統類型

電傳動系統按照電能轉化的不同形式可以分為直一直電傳動系統、交一直電傳動系統、交一直一交電傳動系統和交一交電傳動系統。其中直一直電傳動系統指的是將直流發電機發出的直流電傳輸給直流電動機的系統，在直一直電傳動系統中不存在任何功率轉換的裝置。通常是采用對發電機電勢即電動機電樞端點和電動機勵磁等的改變來進行調速，而且調速精度較高。交一直電傳動系統是指交流發電機一直流電動機系統，是通過整流器對交流發電機發出的三相交流電進行整流逆變成直流電，再將直流電傳輸給直流電動機。這種系統的維修較為簡便，運行也比較可靠。交一直一交電傳動系統指的是交流發電機一整流器一交流電動機系統，通過整流器和逆變器將交流發電機發出的三相交流電整流逆變為可調頻率的三項交流電，以實現對交流電機的驅動，是目前應用最為廣泛的電傳動系統。交一交電傳動系統指交流發電機一交流電動機系統，通過交一交變頻器將由交流發電機發出的三相交流電進行轉換，轉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機。

3 電傳動系統的特點

與傳統的機械傳動相比，電傳動系統自身的零部件較少，結構簡單。減少了許多中間環節，傳動鏈相對較短，因此能夠降低機械的磨損程度，提高傳動的效率。另外，電傳動系統的響應速度很快，有較好的調速性能，從零轉速向額定轉速的轉換所用的時間較短，擁有無極變速的優勢，不僅能夠提高驅動能力，還能使交通運輸車輛和機械設備運行得更加平穩，使得運行成本降低，對其進行的維護也更加便捷。各個類型的電傳動系統的特點如下：

4 電傳動技術在工程機械上的運用

工程機械大多是移動式設備，其中最重要的系統是工作驅動系統和行走驅動。以往常用液力傳動、機械傳動等傳動方式。但是由于工藝水平、材料、技術等諸多條件的限制，在以往傳動方式的運行中存在著許多問題，更加上如今高效率、高功率密度電力電子器件的發展，對傳動技術的要求變得日益嚴格。使得電傳動技術得以在工程機械中應用開來。

4.1 電傳動行走系統

電傳動系統中減少了液力變矩器、離合器、傳動抽、后橋主變器和變速器等容易受損的部件，結構相比傳統的機械一液力傳動的行走系統得到了簡化，使傳動裝置的壽命和可靠性都得到了提高。大噸位礦用自卸車、履帶推土機和大功率平地機等工程機械都采用了電傳動行走系統。

上圖為典型的工程機械電傳動行走驅動系統的框圖。發動機通過對三項交流電發電機的驅動，使之發電，并將三相交流電傳輸給功率電子設備，通過功率電子設備的整流和逆變，將三相交流電轉變為可調頻率的三項交流電再傳輸給交流牽引電機，使之驅動履帶或者輪胎，實現工程機械的行走。控制系統根據指令控制工程機械的啟動、前進、后退、停止等功能。而且控制系統還可以實時的掌握機械負載變化的情況，以做出調整，改善柴油機的工作狀況，讓系統更加高效、節能。

4.2 電傳動工作系統

上圖為典型的工程機械電傳動工作系統的框圖。工程機械一般會采用自帶的發動機帶動發電機運行從而發電，發電機將產生的三相交流電傳輸到功率電子裝備中。通過功率電子裝置對三相交流電進行整流和逆變，使之成為可調頻率的三相交流電并傳輸給各個交流工作電機，以驅動工作機構進行作業。可是有一些機械自身并不帶有發動機和交流發電機，因此需要利用外部的三相交流電作為源動力，將外部的三相交流電傳輸到功率電子裝置中，通過功率電子裝置進行整流和逆變后在傳輸給工作電機，由工作電機帶動工作機構進行作業。控制系統可以根據質量，對功率電子裝置的輸出進行控制，以實現機械的啟動、回轉、停止、裝卸和升降功能，同時還可以根據設備中各個系統的工作狀態，進行實時的顯示、預警和保護。

5 電傳動技術在工程機械上的應用實例

上圖為某型10m²正鏟挖掘機電傳機系統的主電路圖，其中的工作系統和行走系統都是采用電傳動的方式，屬于典型的交一直一交變流系統。可控硅整流將外部三項交流電轉變為直流電后將其傳輸到直流母線排中，利用直流母線排分別將直流電傳輸到逆變器1、逆變器2和逆變器3中。行走系統分別通過逆變器1和逆變器2將電流供應到行走電機1和行走電機2中。并通過這兩個行走電機驅動挖掘機左、右履帶進行作業。在正鏟挖掘機進行裝卸作業時，會有升降、推壓回轉等動作，這時工作系統就通過2臺提升電機、1臺推壓電機、和2臺回轉電機進行驅動。系統一共設置了三組逆變器，因為挖掘機分為工作時步行走和行走時不工作等多種狀態，因此逆變器1和逆變器2屬于提升推壓工作系統和行走系統所公用的逆變器。根據挖掘機的不同狀態可以切換到不同的驅動電機。例如在進行推壓和提升工作時，就會切換到推壓和提升電機。這時的行走電機就會斷電。當機械要進行回轉動作時，2臺回轉電機就會同時進行驅動，共用一組逆變器。可控硅整流和回饋單元起著整流的作用，在系統進行制動時，驅動電機就會處于再生發電的運行狀態，通過回饋單元使再生功率回饋到交流電網上去。

上圖是某型六輪獨立驅動平地機電傳動主系統的電路圖，其中行走系統采用的是電傳動，工作系統采用的是液壓傳動，這是一個典型的交一直一交變流系統。三項全橋不控整流將交流發電機傳輸的三項交流電轉換為直流電傳輸給直流母線排。之后經由6臺逆變器和輪邊減速機構將直流電分配給各個輪邊電機。當慣性動能通過做功驅動電機工作進行發電時，電能會回饋到直線母線排中，并經過制動電阻，將電能以熱能的形式消耗掉，從而實現下坡減速。

6 電傳動技術在工程機械領域的應用前景

（1）最早應用電傳動技術的是內燃機車，之后電動機技術便在艦船、重型運輸車輛等領域被廣泛運用。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世，變流控制技術也得到了空前的發展，使得高速鐵路動車組和鋒利發電等領域的科學技術也迎來了發展的高峰期，這些技術也一定會推動工程機械領域。電傳動技術的快速發展。

（2）如今人們的環保意識在逐漸提高，對改變以往以犧牲環境為代價的經濟發揮在那模式的呼聲越來越強烈，節能減排已經成為當下以及今后我國社會經濟發展所要追求的目標，成為所有企業都要致力的發展方向。我國工程機械大部分都是使用燃料作為動力的，因此提高工程機械的燃料利用效率，或直接采用更為綠色環保的新型能源成為可節能減排目標的最有效的方法。因此對電力或者柴電混合動力進行利用的電傳動技術必定會成為未來我國工程機械發展的主要方向。

（3）每一個工程建設都在追求以最少的成本收獲最多的效益，要想實現低成本、高效益的目標，將工程機械大型化是不二選擇。被大型化后的電機采用調控技術可以使節能效果大大提高，使用經濟的、技術嫻熟的電傳動方式一定會成為大型機械對傳動方式的第一選擇。例如在前幾年，170t、150t、120t級的礦用電動輪自卸卡車是市場上銷售最為紅火的產品，可是如今市場上最受歡迎的是190t、220t、290t級的礦用電動輪白卸卡車，而且如今最大的礦用電動輪自卸卡車已經達到了400t級。

7 小結

由于電傳動技術工作效率高，調速性能好等特點，使得其在我國工程機械領域得到了普遍的重視和引用，隨著相關技術的發展，電傳動技術還將得到不斷更新和升級，它的應用前景是十分廣闊的。