工业车辆交流驱动技术概述

文/郝 询 陈 浩 马 欢

随着国家对环保要求提高，工业车辆制造中内燃设备的使用比例开始下降，电动设备的比例快速上升；同时，交流驱动系统由于其高效可靠，低维护成本等优势逐渐取代直流电机成为工业车辆设备中被广泛使用的解决方案。本文通过简述交流驱动系统的历史发展和基本原理，并结合相关试验，对比了交流感应电机与串励及他励直流电机及驱动器在性能和结构上的优劣，总结了交流驱动系统在工程机械中应用的优势，为企业实际应用提供了参考。

随着国家对环保要求提高，工业车辆制造中电动设备的比例快速上升

一、交流感应电机起源和和交流驱动器发展

1887年，闻名世界的发明家和工程师尼古拉·特斯拉发明了世界上第一台交流感应电机，之后交流感应电机由于其高达90%的电能到机械能的转换效率，被广泛用于工业机械应用中。

由于交流感应电机的优势被不断发掘，交流驱动技术应运而生。快速发展的微电子技术和功率半导体技术使交流驱动技术的发展成为可能。在20世纪80年代前期，业界供应商开始提供交流感应电机及驱动器的组合来与传统的直流电机及控制器进行竞争，由于选择交流电机的方案可以提供更好的转矩转速性能及发热性能、更高的可靠性以及可以调节频率的驱动单元，只用了数年时间，机床及工业机器人制造商已经开始大量使用此方案。

近20年来，控制技术上的发展（如磁通矢量控制技术等）极大加强了交流电机方案的转速转矩性能、效率及动态方面的表现；而随着半导体技术的不断发展，效率及可靠性更高的金氧半场效晶体管（MOSFET）及绝缘栅双极型晶体管（IGBT）被应用于交流驱动器的功率模块中，也使得交流驱动器具有明显高于传统直流驱动器的使用寿命和效率。

图1： 直流电机及尺寸类似交流感应电机的转矩转速曲线

二、交流驱动系统的优势

交流驱动系统的优势，可分别从交流电机和交流驱动器两方面来看。

1.交流电机的优势

（1）更加优秀的结构

交流感应电机，与其形成竞争的直流有刷电机相较而言，硬件结构远没有那么复杂，其简单的构造带来了成本更低、可靠性更高及寿命更长等其优点。由于不需要周期性更换电刷和换向器，交流感应电机基本可以做到免维护，同时可以简单进行密封以对应更加严酷的使用环境，达到更高的IP防护等级。此外，因不需要定时检查和更换电刷，应用设计人员可以更加灵活地选择电机的固定位置。

（2）更高的转速

交流感应电机能够提供更高的加速和减速扭矩，尤其是在直流有刷电机受其换向极限限制无法产生高扭矩的高速区间，这一优势更加明显。在项目应用中，尤其是在车辆项目应用中，这一优势可以让车辆在高速下制动功率更大。

（3）更高且更稳定的扭矩

图1分别展示了直流串励电机、直流他励电机、交流感应电机的转矩转速曲线。可以看出，感应电机和他励电机在加速过程中具有近乎相同的转速转矩曲线，因此两段曲线是重合的。黄色阴影部分是他励电机换向极限，是电刷和换向器磨损严重的区间，因此他励在此区间只能间歇运行；而交流感应电机如图中减速时段的曲线，在此区间仍然可以产生很大的制动转矩，在转速为2600rpm时，感应电机产生的转矩为63Nm，是他励电机的两倍。

2.交流驱动器的优势

（1）更加优秀的控制上限及跟随特性

交流驱动器在电动车辆应用中拥有明显的优势。交流驱动器可以在四个象限下工作，也就是说交流驱动器可以在正反两个方向直接进行加速或减速。因此，可以去除在许多直流应用中存在的正转和反转接触器，再综合考虑直流系统中存在的死区，维护需求和噪声等因素，交流驱动器可以立即且无缝地从加速切换为减速，而不存在他励电机系统里普遍存在的0.2～0.4秒的延迟。

（2）更长的续航时间

制动过程中的能量再生是交流驱动器的自然特性，在交流系统上实现再生制动不像直流系统中需要额外的接触器和再生电阻进行配合。同时，交流电机再生制动回馈的效率更高，同工况下反馈的能量更多，为整个系统提供更长的续航时间。

（3）更高的效率和可靠性

交流驱动器能够完整的利用交流感应电机的全部速度能力区间。虽然典型的感应电机应用一般工作在同步转速，即1500～1800rpm（此时的功率输入为一条固定的50～60Hz的交流曲线），但绝大多数感应电机在物理上可以在明显更高的速度上工作。当由交流驱动器进行控制时，感应电机一般可以2至3倍于同步转速的速度工作。同时，交流驱动器由于具有闭环速度调节这个自身特性，可以极大提高车辆的运行效率和驾驶员的安全性。驱动器可以根据不同的负载调节电机输出扭矩以保持转速，这也就意味着只要在驱动器及电机的能力范围之内，无论是上坡或者下坡，车辆都可以在不需要驾驶员干预的情况下维持需要的速度。

随着电力电子学不断发展以及电子元件成本降低，交流电机及驱动器系统的竞争力会得到进一步加强。

三、结束语

近10年来，随着具有结构更简单、体积小、效率高、功率因数高等优点的永磁同步电机的应用，交流感应电机不再是工业车辆系统中效率最佳的选择，但由于永磁同步电机需要使用大量稀土材料，所以成本相对于交流感应电机明显更高，且由于永磁同步电机原理限制其在大扭矩应用中的潜在安全性远不如交流感应电机，所以在可以预见的未来，交流感应电机仍将在工业车辆及其他各行业中大规模使用，并随着工业自动化的进程得到更广泛应用，而传统的直流串励及他励电机，也将逐步退出历史舞台。