工業(yè)車輛交流驅(qū)動技術(shù)概述

文/郝 詢 陳 浩 馬 歡

隨著國家對環(huán)保要求提高，工業(yè)車輛制造中內(nèi)燃設(shè)備的使用比例開始下降，電動設(shè)備的比例快速上升；同時，交流驅(qū)動系統(tǒng)由于其高效可靠，低維護成本等優(yōu)勢逐漸取代直流電機成為工業(yè)車輛設(shè)備中被廣泛使用的解決方案。本文通過簡述交流驅(qū)動系統(tǒng)的歷史發(fā)展和基本原理，并結(jié)合相關(guān)試驗，對比了交流感應(yīng)電機與串勵及他勵直流電機及驅(qū)動器在性能和結(jié)構(gòu)上的優(yōu)劣，總結(jié)了交流驅(qū)動系統(tǒng)在工程機械中應(yīng)用的優(yōu)勢，為企業(yè)實際應(yīng)用提供了參考。

隨著國家對環(huán)保要求提高，工業(yè)車輛制造中電動設(shè)備的比例快速上升

一、交流感應(yīng)電機起源和和交流驅(qū)動器發(fā)展

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

由于交流感應(yīng)電機的優(yōu)勢被不斷發(fā)掘，交流驅(qū)動技術(shù)應(yīng)運而生。快速發(fā)展的微電子技術(shù)和功率半導(dǎo)體技術(shù)使交流驅(qū)動技術(shù)的發(fā)展成為可能。在20世紀80年代前期，業(yè)界供應(yīng)商開始提供交流感應(yīng)電機及驅(qū)動器的組合來與傳統(tǒng)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(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速性能及發(fā)熱性能、更高的可靠性以及可以調(diào)節(jié)頻率的驅(qū)動單元，只用了數(shù)年時間，機床及工業(yè)機器人制造商已經(jīng)開始大量使用此方案。

近20年來，控制技術(shù)上的發(fā)展（如磁通矢量控制技術(shù)等）極大加強了交流電機方案的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩性能、效率及動態(tài)方面的表現(xiàn)；而隨著半導(dǎo)體技術(shù)的不斷發(fā)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(yīng)用于交流驅(qū)動器的功率模塊中，也使得交流驅(qū)動器具有明顯高于傳統(tǒng)直流驅(qū)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(yīng)電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線

二、交流驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢

交流驅(qū)動系統(tǒng)的優(yōu)勢，可分別從交流電機和交流驅(qū)動器兩方面來看。

1.交流電機的優(yōu)勢

（1）更加優(yōu)秀的結(jié)構(gòu)

交流感應(yīng)電機，與其形成競爭的直流有刷電機相較而言，硬件結(jié)構(gòu)遠沒有那么復(fù)雜，其簡單的構(gòu)造帶來了成本更低、可靠性更高及壽命更長等其優(yōu)點。由于不需要周期性更換電刷和換向器，交流感應(yīng)電機基本可以做到免維護，同時可以簡單進行密封以對應(yīng)更加嚴酷的使用環(huán)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(yīng)用設(shè)計人員可以更加靈活地選擇電機的固定位置。

（2）更高的轉(zhuǎn)速

交流感應(yīng)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(chǎn)生高扭矩的高速區(qū)間，這一優(yōu)勢更加明顯。在項目應(yīng)用中，尤其是在車輛項目應(yīng)用中，這一優(yōu)勢可以讓車輛在高速下制動功率更大。

（3）更高且更穩(wěn)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(yīng)電機的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速曲線。可以看出，感應(yīng)電機和他勵電機在加速過程中具有近乎相同的轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)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(qū)間，因此他勵在此區(qū)間只能間歇運行；而交流感應(yīng)電機如圖中減速時段的曲線，在此區(qū)間仍然可以產(chǎn)生很大的制動轉(zhuǎn)矩，在轉(zhuǎn)速為2600rpm時，感應(yīng)電機產(chǎn)生的轉(zhuǎn)矩為63Nm，是他勵電機的兩倍。

2.交流驅(qū)動器的優(yōu)勢

（1）更加優(yōu)秀的控制上限及跟隨特性

交流驅(qū)動器在電動車輛應(yīng)用中擁有明顯的優(yōu)勢。交流驅(qū)動器可以在四個象限下工作，也就是說交流驅(qū)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(yīng)用中存在的正轉(zhuǎn)和反轉(zhuǎn)接觸器，再綜合考慮直流系統(tǒng)中存在的死區(qū)，維護需求和噪聲等因素，交流驅(qū)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(tǒng)里普遍存在的0.2～0.4秒的延遲。

（2）更長的續(xù)航時間

制動過程中的能量再生是交流驅(qū)動器的自然特性，在交流系統(tǒng)上實現(xiàn)再生制動不像直流系統(tǒng)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(tǒng)提供更長的續(xù)航時間。

（3）更高的效率和可靠性

交流驅(qū)動器能夠完整的利用交流感應(yīng)電機的全部速度能力區(qū)間。雖然典型的感應(yīng)電機應(yīng)用一般工作在同步轉(zhuǎn)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(shù)感應(yīng)電機在物理上可以在明顯更高的速度上工作。當由交流驅(qū)動器進行控制時，感應(yīng)電機一般可以2至3倍于同步轉(zhuǎn)速的速度工作。同時，交流驅(qū)動器由于具有閉環(huán)速度調(diào)節(jié)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(qū)動器可以根據(jù)不同的負載調(diào)節(jié)電機輸出扭矩以保持轉(zhuǎn)速，這也就意味著只要在驅(qū)動器及電機的能力范圍之內(nèi)，無論是上坡或者下坡，車輛都可以在不需要駕駛員干預(yù)的情況下維持需要的速度。

隨著電力電子學(xué)不斷發(fā)展以及電子元件成本降低，交流電機及驅(qū)動器系統(tǒng)的競爭力會得到進一步加強。

三、結(jié)束語

近10年來，隨著具有結(jié)構(gòu)更簡單、體積小、效率高、功率因數(shù)高等優(yōu)點的永磁同步電機的應(yīng)用，交流感應(yīng)電機不再是工業(yè)車輛系統(tǒng)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(yīng)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(yīng)用中的潛在安全性遠不如交流感應(yīng)電機，所以在可以預(yù)見的未來，交流感應(yīng)電機仍將在工業(yè)車輛及其他各行業(yè)中大規(guī)模使用，并隨著工業(yè)自動化的進程得到更廣泛應(yīng)用，而傳統(tǒng)的直流串勵及他勵電機，也將逐步退出歷史舞臺。