工程機械電氣主傳動方式分析

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一、直流調壓調速系統和變流變頻調速系統介紹

1.1直流調壓調速系統

經歷了現代科技發展的變革，對整流器的更新、以晶閘管整流裝置代替了老舊的直流發動機電動機組以及水銀整流裝置等一系列發展，使得直流電氣傳動產生了翻天覆地的變化。直流調速指的是通過人為或是自動對直流電動機的轉速進行改變，從而滿足工作機械的需求，通過改變電動機的參數或電壓改變電動機的機械特性，從而達到改變電動機的機械特性和工作機械特性的交點，讓電動機能夠使穩定運轉的速度發生變化。因為直流發動機具有良好的起動與制動性能，所以其比較適用于在比較廣泛范圍內的平滑調速，在軋鋼機、礦場卷揚機、挖掘機、海洋鉆機、金屬削床機、造紙機、高層電梯等一些需要更高性能可控電力拖動的領域中得到了廣泛的應用。今年來，交流調速系統發展很快，然而直流拖動系統無論是在理論上還是在實踐上都有著比較成熟的技術，并且從反饋閉環控制的角度來看，它又是交流拖動系統的基礎，所以直流調速系統在生產以及生活中起著極為重要的作用。

1.2變流變頻調速系統

變流變頻調速技術是一種以改變交流電動機的供電頻率來達到交流電動機調速目的的技術。電動機有直流電動機和交流電動機。人們想要讓簡單可靠價廉的籠式交流電動機也能像直流電動機那樣調速，定子調速、變極調速、滑差調速、轉子串電阻調速和串極調速等交流調速方式就在這樣的背景下應運而生；并相繼出現了滑差電機、繞線式電機、同步式交流電機等。但其調速性能都無法和直流電動機相比。直到20世紀80年代，由于電力電子技術、微電子技術和信息技術的發展，才出現了變頻調速技術。作為當代電機調速系統的主流，采用變頻調速技術的交流電機以體積小、保護系統齊全、可靠性高、操作簡單快捷等以往調速系統所不具備的優點而受到廣泛地使用和推崇。采用變流變頻調速系統的電動機被廣泛地運用在鋼鐵、有色、石油、紡織、機械、化工、建筑、煤炭、電力、航海、電動機車和養殖等行業之中，并且很受歡迎。隨著我國的數字控制技術以及電力電子技術的發展，交流電機變頻調速系統的應用范圍和比較還會逐漸增加。

二、直流調壓調速系統和變流變頻調速系統各自的優點和缺點

站在技術角度來說，數字化微處理器的功率半導體變流技術使現代直流和交流調速都達到了很高的水平，其技術也相應地較為成熟。

2.1直流調壓調速系統的優點和缺點

直流調速系統通過采用直流電機，以及晶閘管變流的方式，將交流電轉變為直流電。除此之外，直流調速系統還可以通過對電流的線性度以及直流電壓進行改變，從而達到對電流給定速度和轉矩信號，從而便可以對電機的輸入電壓和電流進行改變，實現電動機的調速。直流調壓調速系統的優點主要有：

(1)具有良好的起動與制動功能，對于在大范圍內進行平滑調速有著較大的優勢。

(2)與同功率系統相比，其過載能力較強，通常都在百分之兩百左右。

(3)動態反應快，抗干擾能力強。

(4)在四象限的工況下，同功率的系統元件比較少，所以直流調速系統的可靠性較高。直流調壓調速系統的缺點有：

(1)在對直流電動機進行修理時，費時費力，不僅對技術的要求很高而且成本也比較高。

(2)電機的防護等級很難進行提高。

2.2變流變頻調速系統的優點和缺點

變流變頻調速系統采用的是交流鼠籠電機裝置和交流變頻調速裝置，該系統在進行運行速度的調節時，需要改變頻率。變流變頻調速系統的優點有：

(1)與直流調壓調速系統相比，因為采用了交流鼠籠電機的原故，故維修相對簡單，防護等級也較高。

(2)對電壓等級沒有什么特俗的需求。

(3)該系統的風機、泵類的負載較小，所耗費用不高。

(4)占地面積較小、體積小、重量較輕。例如，美國的某鋼廠通過采用交交變頻同步電機去替代原有的三點樞直流電機，在電機的功率都為12120kW的情況下，交交變頻同步電機對于空間的占用率僅為原來的三分之一。變流變頻調速系統的缺點有：(1)在同功率情況下，其過載能力較低。通常情況下＜150%。(2)在同功率情況下，其起動力較小。(3)與直流調壓調速系統相比，在四象限工況下，變流變頻調速系統的系統可靠性較低，并且造價偏高。

三、交流電機與直流電機的特性

通過分析可以得出交流電機與直流電機具有以下特性：

(1)交流電機擁有固定的基速行譜，其額定速度必須小于這一基速行譜值；而直流電機則可以在一定的基速范圍內被設計成任意一檔速度。

(2)在任何補償的情況下，直流電機的弱磁速度方位與其基速相比總是在1:3～1:5范圍之內。

(3)同機座號的交流電機，最大扭矩與速度的平方呈反比，因而限制的了功率；而同機座號的直流電機，限制功率的原因主要是換向器的換向能力。

(4)如果電機在低速的情況下運營了較長的時間，或是該設備的恒功率運行范圍較大時，使用直流電機會更加具有優勢。

(5)交流電機與直流電機相比，其在輸出最大功率時，速度范圍會比較窄。

(6)同頻率交流電機的轉動慣量與自重與直流電機相比較大，所以交流電機在啟動與制動頻繁場合的機械設備上使用時會受到更多的限制。

四、直流晶閘管變流器和交流頻率變換器的比較直流晶閘管變流器和交流頻率變換器的差異主要體現在以下幾個方面。

(1)由于變頻器通常采用的PWM的控制方式，并且以相對較高的頻率開關，因為產生的電磁干擾較大。

(2)若在使用調速器輸出相同的電流時，變頻器對半導體元器件的需求會增加。

(3)在目前通常使用的功率器件GTO、IGBT等器件的過載能力都相對較低，在不增加調速器容量的情況下，無法滿足過載峰值電流。

(4)在變頻器逆變前，要在其直流母線上通過設置電抗器以及其他平波器件的方式，以增大重量和安裝控件。

五、結語

在目前市場上，消費者容易受到諸如，變頻調速比直流電機更易于維護，耗費的費用更少，結構也相對簡單的說法的影響，從而受到誤導。在上文中我們已經對直流調壓調速系統和變流變頻調速系統進行了詳盡的分析，可以得知這樣的觀點過于片面，沒有足夠的科學依據。在實際上，兩種系統各有各的特長與缺點，其使用也是因情況而定。

作者：何繼賢 呂敏 單位：長沙職業技術學院