电传动技术在工程机械中的应用

谭 刚,陈 韬,李 军,魏 星

(昆明冶金高等专科学校,650033)

电传动技术在工程机械中的应用

谭 刚,陈 韬,李 军,魏 星

(昆明冶金高等专科学校,650033)

电传动技术是工程机械驱动系统和工作驱动系统的核心。本文首先就电传动技术的有关问题进行了简要介绍，结合实例重点介绍了电传动技术在工程机械中的运用，并对电传动技术在未来工程机械中的运用问题进行了展望。

工程机械；电传动技术；自动控制技术；智能化

电传动的传动方式是以电能-机械能为基础。电能来源：电网、蓄电池、内燃机组等等，而且动力能源、电能机是软连接，对于传动系统的布置是没有限制的，具有无级变速、空间利用率高、动力制动行驶安全等特点。伴随着电气设备控制技术，高性能和高功率发电机、电动机的应用，此技术在工程机械、内燃机车等领域得到了广泛运用。

1 电传动技术简介

1.1 电传动技术的发展

电传动技术由传动机、工作机构、电源、电动机、控制设备组成，实现了电能-机械能的转变，是电动机驱动交通运输车辆、生产机械设备等的动作技术。20世纪的二次工业革命开始使用了电传动技术，直到20世纪70-80年代仍占有主导地位。后来因为计算机等高科技的运用，电传动技术经过近百年的变化也发生了巨大变化，发展成为交-交传动系统。

现在的电传动系统是由计算机控制的，具有复杂的闭环系统，改变了传统的继电-接触开环控制系统。伴随着科学技术的不断发展，新时代复合型以及高动态参数电力电子器件已朝着智能化方向发展，其运用和交流调整技术将得到了新的提高。

1.2 电传动系统类型

(1)直流发电机-直流电动机系统

发电机与电动机之间无功率变换装置，此系统发出的是直流电直接供给电动机。通常采用改变电动机电枢端电压，或改变电动机励磁的方法进行调速。该系统具有良好的调速能力，一般应用于对调速精度要求较高的系统中。

(2)交流发电机-直流电动机系统

此系统应用于20世纪70-90年代。该系统发出三相交流电后，转变成直流电（整流器转变）后供给直流电动机。具有运行可靠，维护、检修方便等特点。

(3)交流发电机-整流器-交流电动机系统

此系统应用于20世纪90年代。该系统通过交流发电机发出三相交流电—直流电（整流器转变）—频率可调节的三相交流电（逆变器转变），驱动交流电机。只需对逆变器所触发的频率进行调整就可以改变运行速度。此系统具有工作稳定、运行可靠、维修方便等特点。

(4)交流发电机-交流电动机系统

通常适用于大功率、低速的系统，是由交流发电机发出三相交流电，经过交-交的变频器转换成频率、电压不一样的交流电后供给交流电动机。此系统交-交变频器是由全控整流的晶闸管电路组成的。

1.3 电传动系统特点

电传动系统具有：中间环节少、零部件少、机械磨损小、结构简单、传动效率高，可靠性强等特点。且系统具有很好的调速性，启动力矩大，可以提升车辆运行、机械设备的稳定性，减少了运行

成本。

2 电传动技术在工程机械中的运用

工程机械的种类较多，通常使用的是移动式设备。行走驱动系统和工作驱动系统则是工程机械的两大支柱系统。常用的传动形式主要有：液力、机械、液压、混合传动等。由于受工艺、材料、技术等原因的限制，大功率、吨位大的液力变矩器采用上述驱动方式存在一定困难。而GTO、GTR等的电力电子器件的发展却有效推进了电传动技术在大型工程机械中的运用。

2.1 电传动行走系统

与传统的机械-液力传动行走系统比较，取消了液力变矩器、离合器、后桥主变速器等容易损坏的零件，把原来复杂的结构变得简单，大大提升了传动装置的可靠性与使用寿命。目前大吨位矿车、有履带的推土机等大型机械均运用了电传动行走系统。

典型的工程机械电传动行走驱动系统（如图1所示）：

由发动机带动发电机的三相交流电被送至功率电子装置，进行整流、逆变，变成可调节频率供给交流电机后带动履带、轮胎运行，达到工程机械行走的目的。

图1：典型的工程机械电传动行走驱动系统

图2：典型的工程机械电传动工作系统

图3：某正铲挖掘机电传动系统主电图

控制系统发出指令来控制功率电子装置，达到机械的前进、后退、停止、转动等操作，并根据设备各系统的工作状态实现保护功能。同时，还可以根据负载情况改变柴油机工作状态，让功率和牵引发电机相匹配，使系统得到更高的效率。比如：2009年由卡特推出的推土机（型号：D7E），由一台柴油机带动另一台交流发电机发电后，通过整流、逆变后驱动，由左、右两台交流驱动马达驱动差动转向系统、低驱轮底盘。此系统和原有推土机（型号：D7）系统对比，没有换档的齿轮，部件减少了60%；且负荷需求响应速度快，运用电传动技术新型号的推土机可减少至少25%的燃油消耗。

另一重型机械代表：重型矿用电动轮自卸卡车。此车是大型露天矿山运输设备，具有运输速度快、工作效率高、载重能力大、运营成本低等特点。伴随着我国矿山开采规模的不断扩大，矿用电动轮自卸卡车的需求量将不断增加。

2.2 电传动工作系统

典型的工程机械电传动工作系统（如图2所示）：

工程机械一般运用自己配置发动机带动发电机发出三相交流电，传送至功率电子装置后进行整流、逆变，变成频率可调节三

相交流电供给各个交流的工作电机，工作电机驱动工作机构进行作业。

但是对于移动速度不快且工作范围小的大型机械自身不带发动机和交流发电机，常引用外部三相交流电作为能源。比如电铲，外部三相交流电送至功率电子装置进行整流、逆变后供给交流回转、提升等工作电机。

控制系统通过指令对功率电子装置输出，达到启动、前进、后退、转向等工作和保护功能。

2.3 实例解析

某正铲挖掘机电传动系统主电图（如图3所示）：

工作及行走系统采用电动驱动系统运行（交流发电机-整流器-交流电动机系统）。外部的三相交流电流通过可控硅整流器为直流到直流母线传送（母线被送往直流逆变器1-3）。步行牵引系统是由逆变器供电，两个电动机驱动挖掘机的左、右履带式；铲装在工作时，有升降、推压、回转动作，由两电机驱动，一推电机，两台旋转电机驱动的，系统有三组高逆变器。因为挖掘机工作的时候不行走，行走的时候不工作，所以逆变器1-2改是行走系统与提升、抢夺工作系统的共用逆变器，不一样的状态转移的操作是由一个不同驱动电机工作，分别与在逆变器的按压操作被切换，以提高加压和起重电动机行走速度；机械转向是由二台回转机一起工作，二台回转电机用一组逆变器3；可控硅整流及于再生发电运行情况，返回单元后再把功率反馈至交流电网上面。

3 电传动技术在未来工程机械中的运用展望

3.1 工程机械领域

最早开始，电传动技术只运用于内燃机车，之后才在重型车辆等领域中运用。伴随着绝缘栅双极晶体管等电力电子器件和变流控制技术发展，带动动车等的不断发展。这些技术一定会大力推进电传动技术在我国工程机械领域的广泛运用。

3.2 节能减排

节能减排一直是在未来恒定的问题，也是经济发展的主题。在一般的情况下，大多数工程机械产品是使用燃料的。如果要达到节能目的，其最根本的办法就是提高燃料的使用率，或者使用无污染的能源。显而易见，混合动力电驱动技术是工程机械未来发展的趋势。

3.3 低成本和高效率工程建设背景下的需要

如果要想实现建设成本低、效率高，其目的是使用大型施工机械。使用大电机调速技术节能效果后非常明显，使用电传输模式经济和技术的成熟电传动方式是重大项目传输方式的首选。例如，前几年占据市场主导120吨、170吨、150吨级采矿电动轮自卸车，矿山190吨、220吨、290吨电动轮自卸车都广泛采用了先进的电传动技术。

[1] 吴国祥、李玉河，《工程机械智能化与信息化发展概况》［J］．工程机械，2013，44(1):2－7

[2] 李学忠、孙宽，《工程机械产品的自动化与智能化控制》［J］．工程机械，2009，40(7):49－55

谭刚（1975.3-），男，汉族，云南石屏人，大专学历，昆明冶金高等专科学校实训处，助理工程师

陈韬（1978.4-），男，汉族，云南昆明人，大学本科，昆明冶金高等专科学校实训处，中级工

李军（1973.11-）男，彝族，云南石屏人，大专学历，昆明冶金高等专科学校实训处，助理工程师

魏星（1970,12-），云南昆明，学历：本科，昆明冶金高等专科学校电气学院，职称，初级，研究方向，电工电子技术。

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