工業車輛交流驅動技術概述

文/郝 詢 陳 浩 馬 歡

隨著國家對環保要求提高，工業車輛制造中內燃設備的使用比例開始下降，電動設備的比例快速上升；同時，交流驅動系統由于其高效可靠，低維護成本等優勢逐漸取代直流電機成為工業車輛設備中被廣泛使用的解決方案。本文通過簡述交流驅動系統的歷史發展和基本原理，并結合相關試驗，對比了交流感應電機與串勵及他勵直流電機及驅動器在性能和結構上的優劣，總結了交流驅動系統在工程機械中應用的優勢，為企業實際應用提供了參考。

隨著國家對環保要求提高，工業車輛制造中電動設備的比例快速上升

一、交流感應電機起源和和交流驅動器發展

1887年，聞名世界的發明家和工程師尼古拉·特斯拉發明了世界上第一臺交流感應電機，之后交流感應電機由于其高達90%的電能到機械能的轉換效率，被廣泛用于工業機械應用中。

由于交流感應電機的優勢被不斷發掘，交流驅動技術應運而生。快速發展的微電子技術和功率半導體技術使交流驅動技術的發展成為可能。在20世紀80年代前期，業界供應商開始提供交流感應電機及驅動器的組合來與傳統的直流電機及控制器進行競爭，由于選擇交流電機的方案可以提供更好的轉矩轉速性能及發熱性能、更高的可靠性以及可以調節頻率的驅動單元，只用了數年時間，機床及工業機器人制造商已經開始大量使用此方案。

近20年來，控制技術上的發展（如磁通矢量控制技術等）極大加強了交流電機方案的轉速轉矩性能、效率及動態方面的表現；而隨著半導體技術的不斷發展，效率及可靠性更高的金氧半場效晶體管（MOSFET）及絕緣柵雙極型晶體管（IGBT）被應用于交流驅動器的功率模塊中，也使得交流驅動器具有明顯高于傳統直流驅動器的使用壽命和效率。

圖1： 直流電機及尺寸類似交流感應電機的轉矩轉速曲線

二、交流驅動系統的優勢

交流驅動系統的優勢，可分別從交流電機和交流驅動器兩方面來看。

1.交流電機的優勢

（1）更加優秀的結構

交流感應電機，與其形成競爭的直流有刷電機相較而言，硬件結構遠沒有那么復雜，其簡單的構造帶來了成本更低、可靠性更高及壽命更長等其優點。由于不需要周期性更換電刷和換向器，交流感應電機基本可以做到免維護，同時可以簡單進行密封以對應更加嚴酷的使用環境，達到更高的IP防護等級。此外，因不需要定時檢查和更換電刷，應用設計人員可以更加靈活地選擇電機的固定位置。

（2）更高的轉速

交流感應電機能夠提供更高的加速和減速扭矩，尤其是在直流有刷電機受其換向極限限制無法產生高扭矩的高速區間，這一優勢更加明顯。在項目應用中，尤其是在車輛項目應用中，這一優勢可以讓車輛在高速下制動功率更大。

（3）更高且更穩定的扭矩

圖1分別展示了直流串勵電機、直流他勵電機、交流感應電機的轉矩轉速曲線。可以看出，感應電機和他勵電機在加速過程中具有近乎相同的轉速轉矩曲線，因此兩段曲線是重合的。黃色陰影部分是他勵電機換向極限，是電刷和換向器磨損嚴重的區間，因此他勵在此區間只能間歇運行；而交流感應電機如圖中減速時段的曲線，在此區間仍然可以產生很大的制動轉矩，在轉速為2600rpm時，感應電機產生的轉矩為63Nm，是他勵電機的兩倍。

2.交流驅動器的優勢

（1）更加優秀的控制上限及跟隨特性

交流驅動器在電動車輛應用中擁有明顯的優勢。交流驅動器可以在四個象限下工作，也就是說交流驅動器可以在正反兩個方向直接進行加速或減速。因此，可以去除在許多直流應用中存在的正轉和反轉接觸器，再綜合考慮直流系統中存在的死區，維護需求和噪聲等因素，交流驅動器可以立即且無縫地從加速切換為減速，而不存在他勵電機系統里普遍存在的0.2～0.4秒的延遲。

（2）更長的續航時間

制動過程中的能量再生是交流驅動器的自然特性，在交流系統上實現再生制動不像直流系統中需要額外的接觸器和再生電阻進行配合。同時，交流電機再生制動回饋的效率更高，同工況下反饋的能量更多，為整個系統提供更長的續航時間。

（3）更高的效率和可靠性

交流驅動器能夠完整的利用交流感應電機的全部速度能力區間。雖然典型的感應電機應用一般工作在同步轉速，即1500～1800rpm（此時的功率輸入為一條固定的50～60Hz的交流曲線），但絕大多數感應電機在物理上可以在明顯更高的速度上工作。當由交流驅動器進行控制時，感應電機一般可以2至3倍于同步轉速的速度工作。同時，交流驅動器由于具有閉環速度調節這個自身特性，可以極大提高車輛的運行效率和駕駛員的安全性。驅動器可以根據不同的負載調節電機輸出扭矩以保持轉速，這也就意味著只要在驅動器及電機的能力范圍之內，無論是上坡或者下坡，車輛都可以在不需要駕駛員干預的情況下維持需要的速度。

隨著電力電子學不斷發展以及電子元件成本降低，交流電機及驅動器系統的競爭力會得到進一步加強。

三、結束語

近10年來，隨著具有結構更簡單、體積小、效率高、功率因數高等優點的永磁同步電機的應用，交流感應電機不再是工業車輛系統中效率最佳的選擇，但由于永磁同步電機需要使用大量稀土材料，所以成本相對于交流感應電機明顯更高，且由于永磁同步電機原理限制其在大扭矩應用中的潛在安全性遠不如交流感應電機，所以在可以預見的未來，交流感應電機仍將在工業車輛及其他各行業中大規模使用，并隨著工業自動化的進程得到更廣泛應用，而傳統的直流串勵及他勵電機，也將逐步退出歷史舞臺。