[科普中国]-电气传动

电气传动概述

电气传动（又称电力拖动）是指以电动机为原动机拖动生产机械运动的一种拖动方式，它可以实现电能与机械能之间的转换，并按照生产工艺要求方便地控制电动机输出轴的转矩、角加速度、转速、角位移以及被拖动机械或机俄组合的多种多样的起动、运行、变速、制动等。1

负载与电气传动设备之间的关系在工业、农业、交通运输等部门中，广泛地使用着各种各样的生产机械，这些生产机械大多数采用电动机作为动力源。为了满足不同生产机械的工艺要求，作为动力源的电动机要能够实现起动、停止、正反转、调速及制动等功能，由此构成了电气传动系统，其由三个基本部分组成，如图所示。

电动机是用以实现电能与机械能相互转换的机械。通常是把电能转换成机械能，这时电动机工作在电动状态；但有时电反过来把机械能转换成电能或热能，这时电动机工作在制动状态。

传动机构的主要作用是传递动力，井能实现速度和运动方式的变换。

控制设备是控与变换供给电动机电能的形式与时间，使其适应生产机械需要的没施。控制设备是由各种控制电器按照一定线路组成的。1

电气传动方式电源方式可分为直流传动与交流传动。除特殊情况外，交流传动均采用50Hz交流电源，直流传动则要直流电源。交流-直流的变流装置中，虽然还留有以前的汞弧整流器、电动发电机组和硒整流器等，但新安装的却几乎都采用由电力电子器件组成的高效静止变流装置。

交流传动不仅利用电能方便，而电动机价格低廉、牢固，电容易维护，但在控制性能上则不如直流传动。不过20世纪70年代以来，新器件的出现，大规模集成电路和计算机控制技术的发展以及现代控制理论的应用，为交流电气传动系统的发展创造了有利条件，带有静止逆变器的各种类型的变调速系统，如串级调速系统、变频调速系统、无换向器电动机调速系统及矢量控制调速系统等得到飞速发展。目前，交流电气传动系统已具备了较宽的调速范闹、较高的稳速精度、较快的动态响应、较高的工作效率，可以四象限运行，其静、动特性均可以与直流电动机传动系统媲美，并出现了逐步取代直流电气传动系统的势头。1

传动方式电动机把动力传递到生产机械的方式，称为传动方式。它大体上可分为成组传动、单电动机传动、多电动机传动等了种方式。

（一）成组传动

这是通过皮带轮和皮带等，由一台或几台电动机使一个工厂中的多台机械分别进行成组的传动的方法。这种方法生产率低、劳动条件差，一旦电动机发生故障，将造成成组的生产机械停车。目前这种传动方法正在逐步被淘汰。

（二）单电动机传动

由一台电动机传动一台机械的方法称为单电动机传动。它与成组传动相比，有较多优点，如动力传递装置损耗小，机械可以任意安装，所以便于生产设备的布局等。

（三）多电动机传动

若一台机械有多根转轴，当希望获得任意的转速关系时，只需把这些轴分开，各一配以相应的电动机。这种方法称为多电动机传动。它不仅大大简化了生产机械的传动机钩，而且控制灵活，为生产机械的自动化提供了有利的条件，所以现代电气传动基本均采用这种传动方法。1

控制方式电气传动自动控制方式可分为断续控制和连续控制两大类。断续控制是有级控制，连续控制足无级控制

（一）断续控制

它借助于简单的接触器与继电器等控制电器，实现对控制对象的起动、停车以及有级凋速等控制，它的控制速度慢，控制精度差。随着可编程序控制器的出现，一些复杂的控制已可由可编程序控制器来完成，它具有快速、灵活、适应范丽宽等特点。

（二）连续控制

连续控制系统能经常不断地检查控制对象的工作状态，当输出量与给定量发生偏差时，自动进行调整。连续控制的快速性及控制精度都远远超过了最初的断续控制，并简化了控制系统·减少了电路巾的接点，提高了可靠性，使生产率人大提高。

（三）采样控制

由于数控技术的发展，特别是电子计算机的应用，又使控制系统发展到一个新阶段——采样控制。它也是一种断续控制，但是和最初的断续控制不同，它的控制间隔（采样周期）比控制对象的变化周期短得多，因此在客观上完全等效于连续控制。1

电气传动控制系统电气传动控制系统通常由电动机、电力变换装置和控制装置三部分组成。电气传动分成恒速和调速两大类，调速又分交流调速和直流调速两种方式。目前调速系统中最活跃、发展最快的就是交流变频调速技术。直流传动系统由直流电机和晶闸管整流器两部分组成，晶闸管整流器是实现直流电机调速的关键。

直流传动装置从控制原理结构上，可分为开环系统、转速负反馈闭环系统，以及转速、电流双闭环直流调速系统。从装置结构上，可分为不可逆直流调速系统、自然环流可逆直流调速系统、逻辑无环流可逆直流调速系统等。

由交流异步电机或同步电机与变频器组成交流变频传动系统，交流变频调速又分为交直交变频器和交交变频器两种。

异步电机变频调速系统对电动机的控制方式，从不同角度有不同分类方法。从系统控制对象参数来看，大体可分为U/f恒定控制、矢量控制、直接转矩控制等三种主要控制方式。

交直交变频器由整流器和逆变器两部分组成。交交变频技术在钢铁行业中大量使用。交交变频具有如下特点：

（1）交交变频原理基于可逆整流，工作可靠。

（2）流过电动机的电流近似于三相正弦，附加损耗小，脉冲转矩小，电动机属普通交流电动机类，价格较便宜。

（3）电网侧功率因数较低，使用时通常需额外加装无功补偿装置。

（4）当电源为50Hz时，最大输出频率不能超过20Hz，所以相对于4极电动机，最高转速必须限制在600r/min以内。

（5）主回路较复杂，器件多（桥式线路至少需36个晶闸管），小容量时不合算。2

电气传动的优缺点电气传动的优点是能量传递方便（导线柔软、连接方便）、信号传递迅速、标准化程度高、易于实现自动化等。缺点是运动平稳性差，易受外界负载的影响；惯性大、换向慢，电气设备和元件要耗用大量的有色金属，成本高；受温度、湿度、振动、腐蚀等环境影响较大。

电气传动的应用范围由于电动机具有性能优良、高效可靠、控制方便等优点，因此现代化生产中，大多数机械设备都采用电气传动。例如，在工农业生产和交通运输中，机床、轧钢机、起重机、卷扬机、鼓风机、抽水机、纺织机、印染机、印刷机、电动工具和电动车辆等都采用电气传动；在人们的日常生活中，许多家用电器使用微特电动机作为传动装置；在自动控制系统、计算机系统和机器人等高新技术中，大量使用控制电动机作为检测、放大和执行元件。

因此，可以说电气传动系统已广泛应用到现代社会生产和生活的方方面面。目前，电气传动的现状可以概括为两点：

（1）电气传动已成为机械设备的主要传动形式。这是因为电动机与其他原动机相比有许多优点，例如，电能的获得和转换比较经济，传输和分配比较便利，操作和控制容易，特别是易于实现自动与远程控制。

（2）当代科学和技术的新成果广泛应用于电气传动系统中，例如，电力电子学的发展，使半导体变流装置广泛地用作电气传动的电源；微电子学的发展，使电子控制器件和微处理器成为电气传动的主要控制手段；自动控制理论广泛应用于电气传动自动控制系统中，大大提高了系统的性能。

随着现代电力电子技术、自动化技术和计算机技术的发展，电气传动的发展趋势为：

（1）采用新技术不断提高电气传动系统的性能和完善系统的功能。

（2）用交流电气传动取代直流电气传动。

（3）从节能的角度改造电气传动系统，例如，用变频调速装置驱动水泵可以节能。

（4）通过系统集成和技术融合，组成综合自动化系统，以进一步提高生产效率。3