工程机械电气主传动方式分析

工程机械电气主传动方式分析

靳新伟

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摘要：工程机械电气主传动方式主要有直流调压调速系统和变流变频调速系统两种，现对这两种方式的特点进行介绍并进行相应的比较，以期为相关人员提供有 益参考。

关键词：直流调压调速系统；变流变频调速系统； 工程机械；电气传动

随着我国计算机一级半导体元件技术的不断提高，现代电气的调速方式也在不断地更新换代，交流变频调速方式便是其中的一员。变频调速在分类上又有交——直——交型、交——交型、 电压源型、脉宽调制型、 电流源型、VVVF 型、矢量型等等方式。但是在传统的直流调速F-D机组系统也通过过渡形成了晶闸管模拟式、晶闸管部分数字式和全数字式系统。想要探讨直流调压调速系统和变流变频调速系统这两类被广泛应用的调速方式的优劣，则必须要通过具体设备的使用工况和工艺要求而定。

一、直流调压调速系统和变流变频调速系统介绍

（一）直流调压调速系统

经历了现代科技发展的变革，对整流器的更新、以晶闸管整流装置代替了老旧的直流发动机电动机组以及水银整流装置等一系列发展，使得直流电气传动产生了翻天覆地的变化。直流调速指的是通过人为或是自动对直流电动机的转速进行改变，从而满足工作机械的需求，通过改变电动机的参数或电压改变电动机的机械特性，从而达到改变电动机的机械特性和工作机械特性的交点，让电动机能够使稳定运转的速度发生变化。因为直流发动机具有良好的起动与制动性能，所以其比较适用于在比较广泛范围内的平滑调速，在轧钢机、矿场卷扬机、挖掘机、海洋钻机、金属削床机、造纸机、高层电梯等一些需要更高性能可控电力拖动的领域中得到了广泛的应用。

（二）变流变频调速系统

变流变频调速技术是一种以改变交流电动机的供电频率来达到交流电动机调速目的的技术，电动机有直流电动机和交流电动机。人们想要让简单可靠价廉的笼式交流电动机也能像直流电动机那样调速，定子调速、变极调速、滑差调速、转子串电阻调速和串极调速等交流调速方式就在这样的背景下应运而生；并相继出现了滑差电机、绕线式电机、同步式交流电机等。但其调速性能都无法和直流电动机相比。直到20世纪80年代，由于电力电子技术、微电子技术和信息技术的发展，才出现了变频调速技术。作为当代电机调速系统的主流，采用变频调速技术的交流电机以体积小、保护系统齐全、可靠性高、操作简单快捷等以往调速系统所不具备的优点而受到广泛地使用和推崇。

二、直流调压调速系统和变流变频调速系统各自的优点和缺点

站在技术角度来说，数字化微处理器的功率半导体变流技术使现代直流和交流调速都达到了很高的水平，其技术也相应地较为成熟。

（一）直流调压调速系统的优点和缺点

直流调速系统通过采用直流电机，以及晶闸管变流的方式，将交流电转变为直流电。除此之外，直流调速系统还可以通过对电流的线性度以及直流电压进行改变，从而达到对电流给定速度和转矩信号，从而便可以对电机的输入电压和电流进行改变，实现电动机的调速。

直流调压调速系统的优点主要有：

（1）具有良好的起动与制动功能，对于在大范围内进行平滑调速有着较大的优势。

（2）与同功率系统相比，其过载能力较强，通常都在百分之两百左右。

（3）动态反应快，抗干扰能力强。

（4）在四象限的工况下，同功率的系统元件比较少，所以直流调速系统的可靠性较高。

直流调压调速系统的缺点有：

（1）在对直流电动机进行修理时，费时费力，不仅对技术的要求很高而且成本也比较高。

（2）电机的防护等级很难进行提高。

（二）变流变频调速系统的优点和缺点

变流变频调速系统采用的是交流鼠笼电机装置和交流变频调速装置，该系统在进行运行速度的调节时，需要改变频率。

变流变频调速系统的优点有：

（1）与直流调压调速系统相比，因为采用了交流鼠笼电机的原故，故维修相对简单，防护等级也较高。

（2）对电压等级没有什么特俗的需求。

（3）该系统的风机、泵类的负载较小，所耗费用不高。

（4）占地面积较小、体积小、重量较轻。

变流变频调速系统的缺点有：

（1）在同功率情况下，其过载能力较低。通常情况下<150%。

（2）在同功率情况下，其起动力较小。

（3）与直流调压调速系统相比，在四象限工况下，变流变频调速系统的系统可靠性较低，并且造价偏高。

三、交流电机与直流电机的特性

通过分析可以得出交流电机与直流电机具有以下特性：

（1）交流电机拥有固定的基速行谱，其额定速度必须小于这一基速行谱值；而直流电机则可以在一定的基速范围内被设计成任意一档速度。

（2）在任何补偿的情况下，直流电机的弱磁速度方位与其基速相比总是在1：3~1：5范围之内。

（3）同机座号的交流电机，最大扭矩与速度的平方呈反比，因而限制的了功率；而同机座号的直流电机，限制功率的原因主要是换向器的换向能力。

（4）如果电机在低速的情况下运营了较长的时间，或是该设备的恒功率运行范围较大时，使用直流电机会更加具有优势。

（5）交流电机与直流电机相比，其在输出最大功率时，速度范围会比较窄。

（6）同频率交流电机的转动惯量与自重与直流电机相比较大，所以交流电机在启动与制动频繁场合的机械设备上使用时会受到更多的限制。

四、直流晶闸管变流器和交流频率变换器的比较

直流晶闸管变流器和交流频率变换器的差异主要体现在以下几个方面。

（1）由于变频器通常采用的PWM的控制方式，并且以相对较高的频率开关，因为产生的电磁干扰较大。

（2）若在使用调速器输出相同的电流时，变频器对半导体元器件的需求会增加。

（3）在目前通常使用的功率器件GTO、IGBT 等器件的过载能力都相对较低，在不增加调速器容量的情况下，无法满足过载峰值电流[3]。

（4）在变频器逆变前，要在其直流母线上通过设置电抗器以及其他平波器件的方式，以增大重量和安装控件。

五、结语

在目前市场上，消费者容易受到诸如，变频调速比直流电机更易于维护，耗费的费用更少，结构也相对简单的说法的影响，从而受到误导。在上文中我们已经对直流调压调速系统和变流变频调速系统进行了详尽的分析，可以得知这样的观点过于片面，没有足够的科学依据。在实际上，两种系统各有各的特长与缺点，其使用也是因情况而定。

参考文献

[1]张柳芳，直流晶闸管变流器和交流频率变换器的比较设计[J].新探平顶山师专,2008(5).

[2]陈伯时，电力拖动自动控制系统[M].机械工业出版社,2012.

[3]陈国显. PWM变频调速及软开关电力变换技术[J].冶金自动化,2012.