譚 剛,陳 韜,李 軍,魏 星

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校,650033)

電傳動技術(shù)在工程機械中的應(yīng)用

譚 剛,陳 韜,李 軍,魏 星

(昆明冶金高等?？茖W(xué)校,650033)

電傳動技術(shù)是工程機械驅(qū)動系統(tǒng)和工作驅(qū)動系統(tǒng)的核心。本文首先就電傳動技術(shù)的有關(guān)問題進行了簡要介紹，結(jié)合實例重點介紹了電傳動技術(shù)在工程機械中的運用，并對電傳動技術(shù)在未來工程機械中的運用問題進行了展望。

工程機械；電傳動技術(shù)；自動控制技術(shù)；智能化

電傳動的傳動方式是以電能-機械能為基礎(chǔ)。電能來源：電網(wǎng)、蓄電池、內(nèi)燃機組等等，而且動力能源、電能機是軟連接，對于傳動系統(tǒng)的布置是沒有限制的，具有無級變速、空間利用率高、動力制動行駛安全等特點。伴隨著電氣設(shè)備控制技術(shù)，高性能和高功率發(fā)電機、電動機的應(yīng)用，此技術(shù)在工程機械、內(nèi)燃機車等領(lǐng)域得到了廣泛運用。

1 電傳動技術(shù)簡介

1.1 電傳動技術(shù)的發(fā)展

電傳動技術(shù)由傳動機、工作機構(gòu)、電源、電動機、控制設(shè)備組成，實現(xiàn)了電能-機械能的轉(zhuǎn)變，是電動機驅(qū)動交通運輸車輛、生產(chǎn)機械設(shè)備等的動作技術(shù)。20世紀(jì)的二次工業(yè)革命開始使用了電傳動技術(shù)，直到20世紀(jì)70-80年代仍占有主導(dǎo)地位。后來因為計算機等高科技的運用，電傳動技術(shù)經(jīng)過近百年的變化也發(fā)生了巨大變化，發(fā)展成為交-交傳動系統(tǒng)。

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

1.2 電傳動系統(tǒng)類型

(1)直流發(fā)電機-直流電動機系統(tǒng)

發(fā)電機與電動機之間無功率變換裝置，此系統(tǒng)發(fā)出的是直流電直接供給電動機。通常采用改變電動機電樞端電壓，或改變電動機勵磁的方法進行調(diào)速。該系統(tǒng)具有良好的調(diào)速能力，一般應(yīng)用于對調(diào)速精度要求較高的系統(tǒng)中。

(2)交流發(fā)電機-直流電動機系統(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）后供給直流電動機。具有運行可靠，維護、檢修方便等特點。

(3)交流發(fā)電機-整流器-交流電動機系統(tǒng)

此系統(tǒng)應(yīng)用于20世紀(jì)90年代。該系統(tǒng)通過交流發(fā)電機發(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)動交流電機。只需對逆變器所觸發(fā)的頻率進行調(diào)整就可以改變運行速度。此系統(tǒng)具有工作穩(wěn)定、運行可靠、維修方便等特點。

(4)交流發(fā)電機-交流電動機系統(tǒng)

通常適用于大功率、低速的系統(tǒng)，是由交流發(fā)電機發(fā)出三相交流電，經(jīng)過交-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機。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 電傳動系統(tǒng)特點

電傳動系統(tǒng)具有：中間環(huán)節(jié)少、零部件少、機械磨損小、結(jié)構(gòu)簡單、傳動效率高，可靠性強等特點。且系統(tǒng)具有很好的調(diào)速性，啟動力矩大，可以提升車輛運行、機械設(shè)備的穩(wěn)定性，減少了運行

成本。

2 電傳動技術(shù)在工程機械中的運用

工程機械的種類較多，通常使用的是移動式設(shè)備。行走驅(qū)動系統(tǒng)和工作驅(qū)動系統(tǒng)則是工程機械的兩大支柱系統(tǒng)。常用的傳動形式主要有：液力、機械、液壓、混合傳動等。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)展卻有效推進了電傳動技術(shù)在大型工程機械中的運用。

2.1 電傳動行走系統(tǒng)

與傳統(tǒng)的機械-液力傳動行走系統(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，把原來復(fù)雜的結(jié)構(gòu)變得簡單，大大提升了傳動裝置的可靠性與使用壽命。目前大噸位礦車、有履帶的推土機等大型機械均運用了電傳動行走系統(tǒng)。

典型的工程機械電傳動行走驅(qū)動系統(tǒng)（如圖1所示）：

由發(fā)動機帶動發(fā)電機的三相交流電被送至功率電子裝置，進行整流、逆變，變成可調(diào)節(jié)頻率供給交流電機后帶動履帶、輪胎運行，達到工程機械行走的目的。

圖1：典型的工程機械電傳動行走驅(qū)動系統(tǒng)

圖2：典型的工程機械電傳動工作系統(tǒng)

圖3：某正鏟挖掘機電傳動系統(tǒng)主電圖

控制系統(tǒng)發(fā)出指令來控制功率電子裝置，達到機械的前進、后退、停止、轉(zhuǎn)動等操作，并根據(jù)設(shè)備各系統(tǒng)的工作狀態(tài)實現(xiàn)保護功能。同時，還可以根據(jù)負(fù)載情況改變柴油機工作狀態(tài)，讓功率和牽引發(fā)電機相匹配，使系統(tǒng)得到更高的效率。比如：2009年由卡特推出的推土機（型號：D7E），由一臺柴油機帶動另一臺交流發(fā)電機發(fā)電后，通過整流、逆變后驅(qū)動，由左、右兩臺交流驅(qū)動馬達驅(qū)動差動轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、低驅(qū)輪底盤。此系統(tǒng)和原有推土機（型號：D7）系統(tǒng)對比，沒有換檔的齒輪，部件減少了60%；且負(fù)荷需求響應(yīng)速度快，運用電傳動技術(shù)新型號的推土機可減少至少25%的燃油消耗。

另一重型機械代表：重型礦用電動輪自卸卡車。此車是大型露天礦山運輸設(shè)備，具有運輸速度快、工作效率高、載重能力大、運營成本低等特點。伴隨著我國礦山開采規(guī)模的不斷擴大，礦用電動輪自卸卡車的需求量將不斷增加。

2.2 電傳動工作系統(tǒng)

典型的工程機械電傳動工作系統(tǒng)（如圖2所示）：

工程機械一般運用自己配置發(fā)動機帶動發(fā)電機發(fā)出三相交流電，傳送至功率電子裝置后進行整流、逆變，變成頻率可調(diào)節(jié)三

相交流電供給各個交流的工作電機，工作電機驅(qū)動工作機構(gòu)進行作業(yè)。

但是對于移動速度不快且工作范圍小的大型機械自身不帶發(fā)動機和交流發(fā)電機，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行整流、逆變后供給交流回轉(zhuǎn)、提升等工作電機。

控制系統(tǒng)通過指令對功率電子裝置輸出，達到啟動、前進、后退、轉(zhuǎn)向等工作和保護功能。

2.3 實例解析

某正鏟挖掘機電傳動系統(tǒng)主電圖（如圖3所示）：

工作及行走系統(tǒng)采用電動驅(qū)動系統(tǒng)運行（交流發(fā)電機-整流器-交流電動機系統(tǒng)）。外部的三相交流電流通過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，兩個電動機驅(qū)動挖掘機的左、右履帶式；鏟裝在工作時，有升降、推壓、回轉(zhuǎn)動作，由兩電機驅(qū)動，一推電機，兩臺旋轉(zhuǎn)電機驅(qū)動的，系統(tǒng)有三組高逆變器。因為挖掘機工作的時候不行走，行走的時候不工作，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)移的操作是由一個不同驅(qū)動電機工作，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機行走速度；機械轉(zhuǎn)向是由二臺回轉(zhuǎn)機一起工作，二臺回轉(zhuǎn)電機用一組逆變器3；可控硅整流及于再生發(fā)電運行情況，返回單元后再把功率反饋至交流電網(wǎng)上面。

3 電傳動技術(shù)在未來工程機械中的運用展望

3.1 工程機械領(lǐng)域

最早開始，電傳動技術(shù)只運用于內(nèi)燃機車，之后才在重型車輛等領(lǐng)域中運用。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，帶動動車等的不斷發(fā)展。這些技術(shù)一定會大力推進電傳動技術(shù)在我國工程機械領(lǐng)域的廣泛運用。

3.2 節(jié)能減排

節(jié)能減排一直是在未來恒定的問題，也是經(jīng)濟發(fā)展的主題。在一般的情況下，大多數(shù)工程機械產(chǎn)品是使用燃料的。如果要達到節(jié)能目的，其最根本的辦法就是提高燃料的使用率，或者使用無污染的能源。顯而易見，混合動力電驅(qū)動技術(shù)是工程機械未來發(fā)展的趨勢。

3.3 低成本和高效率工程建設(shè)背景下的需要

如果要想實現(xiàn)建設(shè)成本低、效率高，其目的是使用大型施工機械。使用大電機調(diào)速技術(shù)節(jié)能效果后非常明顯，使用電傳輸模式經(jīng)濟和技術(shù)的成熟電傳動方式是重大項目傳輸方式的首選。例如，前幾年占據(jù)市場主導(dǎo)120噸、170噸、150噸級采礦電動輪自卸車，礦山190噸、220噸、290噸電動輪自卸車都廣泛采用了先進的電傳動技術(shù)。

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

[2] 李學(xué)忠、孫寬，《工程機械產(chǎn)品的自動化與智能化控制》［J］．工程機械，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?？茖W(xué)校實訓(xùn)處，中級工

李軍（1973.11-）男，彝族，云南石屏人，大專學(xué)歷，昆明冶金高等?？茖W(xué)校實訓(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，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