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交流动力控制开创了电动叉车技术的新时代

点击次数:  提交时间:2012-04-29 09:28:22

1.电动叉车正在逐步替代内燃叉车
现代物流业将成为新世纪国民经济的一个支柱产业。它不仅构成现代供应链、价值链管 理的载体和基础,把生产、流通、消费有机地连接起来,加速社会再生产过程,而且以速度快、时间佳和优选组合完成商品从生产领域向消费领域的转移过程, 最更大限度地节省流通费用。而被誉为“搬运之神”的叉车在物流领域发挥着巨大作用。叉车作为物流产业的一种重要工具,越来越受到人们的关注。最近几年,中国 叉车销售量年均增幅都在30%以上,远远超过了国民经济的增长速度。中国已成为全球叉车市场上活跃的国家之一,受到世界的瞩目。
按照动力方 式来分类,叉车可以分为内燃叉车和电动叉车。电动叉车利用蓄电池作为动力源,使用时无尾气排放,低噪声,操作方便而灵巧,运行平稳。正是由于电动叉车具有 上述特点,国内外用户对电动叉车的需求量不断增加,电动叉车在整个叉车销量中所占比例稳步上升。在发达国家,电动叉车需求远远大于内燃叉车,这与全球重视 环保的因素密切相关。尤其是在港口、仓库以及烟草、食品、轻纺等行业,电动叉车正在逐步替代内燃叉车。
电动叉车是利用蓄电池向叉车提供电源,由 电机将电能转换为机械能。电动叉车一般有3个电机,即行走电机、起升电机和转向电机。行走电机驱动传动系统最终向车轮提供驱动力矩,起升电机直接带动起升 系统液压泵,驱动起升液压系统,而转向电机则在全液压转向的电动叉车中,用来驱动转向泵。随着液压系统的改进,在高配置的电动叉车中,常常采用单泵分流起 升调速的液压系统,将起升电机与转向电机合二为一,采用带优先阀的负荷传感全液压转向器优先供给转向用液压油,其余液压油供给起升系统。

电动叉车由于具有无污染、低噪声等显著优点,随着近年来全社会环保意识的增强,电动叉车技术得到了飞快的发展,产销量呈逐年上升的趋势。传统的电动 叉车以直流电机驱动为主,近年以丰田为首的知名的叉车生产企业开始在电动叉车上用交流动力系统替代传统的直流驱动系统,开创了电动叉车技术的新时代。 交流动力系统具有多种优势:对操作命令反应迅速;动力控制准确;零部件安装尺寸小:电机无换向器和电刷,大大减小了维护保养的工作量;容易实现再生制动: 更加节约能源,延长蓄电池使用时间。这一切促进了电动叉车在设计和功能方面的革新,使驾驶员能够感受到前所未有的操作舒适性和维护方便性,因此交流动力控 制技术被称为是电动叉车的未来技术。而这种技术在今天已日趋成熟,带来了电动叉车技术上的又一次飞跃。目前,在国内叉车市场占主导地位仍然是内燃叉车,但 随着企业环保意识逐渐增强,构建和谐社会,发展绿色物流理念的逐步深入人心,可靠性更高、更清洁的电动叉车得到了越来越多的企业的青睐。2.交流动力控制 誉为新世纪电动叉车的革命性技术直流驱动作为一种比较便宜的驱动方式很早以前就已在电动设备上广泛应用。然而,直流系统本身在性能、维修等方面存在一些固 有的缺陷。20世纪90年代前的电动车辆几乎全是直流电机驱动的。直流电机本身效率低,体积和质量大,换向器和碳刷限制了它转速的提高,最高转速为 6000~8000r/min。其工作原理是:直流电流经碳刷输送至换向器,并传到转子。这种方式有两个明显缺陷:一是所有的电枢电流必须经由碳刷来输 送,电机的性能取决于碳刷的物理尺寸及磨损情况,而且这也会限制电机制动性能的发挥。另外,碳刷容易损坏,必须定期(半年至一年)更换,否则会极大地影响 电机寿命。考虑到这一点,直流电机上往往配置侦测碳刷磨损并发出警告的装置。二是直流电动机的热量主要产生在电动机的内部部件,因此大多数直流电动机都会 同时配备一个风扇用于散热。以上装置无疑增加了电机的成本。因此,选购电动叉车时,选购直流驱动方式的电动叉车主要是考虑了叉车的价 格因素,考虑了直流驱动是一种比较便宜的驱动方式,同时直流驱动应用较早,技术也比较成熟。但如上所述,直流电机也具有很多缺点,这是在采购电动叉车时必 须考虑的技术因素。
以交流电机为核心的交流驱动系统因其生产效率高、维护成本低被业内专家誉为21世纪电动叉车的革命性技术。全球叉车巨头竞相 推出了性能更佳的交流驱动电动叉车,以丰富自己的产品,满足用户需求,赢得市场份额。国内领先的叉车企业也开始致力于交流技术应用方面的研发,将新型交流 驱动电动叉车作为参与国内乃至全球市场竞争的制胜砝码。
感应电机交流驱动系统是20世纪90年代发展起来的新技术。其原理是将三相交流电输送给 固定的定子绕组,产生旋转的磁场感应闭合的转子绕组产生电流,转子在电磁力的作用下顺着旋转磁场的转动方向旋转。电机控制器采用矢量控制的变频调速方式。 交流电动机为之突出的优势是没有碳刷,也没有直流电动机通常对更大电流方面的限制,这意味着电动机在实际使用中可以得到更多的能量及更大的制动扭力,于是 可以更快的速度运转。其次,交流电动机的热量主要发生在电动机外壳部分的定子线圈,便于冷却与散热。因此,交流电动机比直流电动机所需元件数量大大减少, 没有需要定期更换的易损件,几乎不用维护,更高效,更坚固耐用。近年来,随着交流感应电机变频技术的进步,以及大功率半导体器件和微处理器速度的大幅度提 高,感应电机交流驱动系统与直流电机驱动系统相比,具有效率高、体积小、质量小、结构简单、免维护、易于冷却和寿命长等优点。该系统调速范围宽,而且能实 现低速恒转矩、高速恒功率运转,很好地满足了电动车辆实际行驶所需的转速特性。可以说,正是半导体技术的突飞猛进催生了交流电机的技术革命,使交流电机的 控制能力大大增强;而且,随着电子元件价格不断下跌,交流电机控制器硬件部分的成本得以降低,从而为交流驱动系统的大规模推广应用奠定了基础,创造了条 件。由此可见,选购电动叉车时,选择采用交流驱动系统的叉车具有明显优势。
3.交流驱动系统是叉车行业在激烈市场竞争中的制胜利器
一 直以来,交流电机及控制器多用于固定设备的驱动,2O世纪7O年代开始在欧洲和日本用于行走设备,最早用于火车,后来用于电动行走车辆。交流电机及控制技 术在欧洲和亚洲从研制到成熟经过了约1O年时间,之所以得以迅速发展主要是因为交流控制器的快速发展使得控制器无论从尺寸到成本都有了较大幅度的降低,
国 外叉车企业从1996年起就开始研发、生产交流驱动叉车,现在已经批量生产,处于平稳发展阶段。全球顶尖的叉车企业(如瑞典的BT、芬兰的Rocla、德 国的永恒力、美国的纳科集团、日本的丰田、小松等)几乎都采用了交流驱动系统,设计、生产独具本公司特色的电动叉车。如今,越来越多的叉车企业看好交流驱 动系统叉车的市场前景,不断推出新车型并向用户大力推荐,将其视为在日益激烈的市场竞争中制胜的又一利器。
以丰田公司为例,丰田现已推出多款采 用交流驱动系统的电动叉车。其新型7FBE三轮叉车的许多强化性能都是以先进的交流驱动系统为基础的,该系统对性能所提供的控制水平与以往的任何产品都不 同。例如,交流电源系统所提供的电源控制使得7FBE叉车能够充分利用每一次电池充电潜能。到目前为止,所有的电动叉车都曾经历过随电池电力消耗而性能逐 渐下降的情况。而丰田7FBE三轮叉车因为有了电力保持功能,所以操作者能够享受到“刚充完电”般的强劲动力,其时间要比现有的叉车型号长40%。

近几年在美国也开始被广泛认可和使用。美国交流动力控制技术发展滞后的主要原因是因为电压等级标准的不同,在欧洲和亚洲,普遍采用高电压、低电流的 电机及控制系统,而在美国,采用的是低电压、高电流的电机及控制系统。例如,在欧洲和亚洲1.5t级的蓄电池叉车多用48V电压,而美国1.5t级蓄电池 叉车多用36V电压。最初的交流控制器尺寸较大,成本也较为昂贵,并且不支持美国所采用的电压等级。认识到了交流驱动系统的优越性,美国的叉车和电控开发 部门就以上交流动力控制技术发展的瓶颈问题展开了有针对性的研究,最终使成本、尺寸、电压等级等问题得以很好的解决,因此,交流动力系统叉车在美国得到了 很好的发展。交流电机及控制系统被认为是较高级的电动叉车技术特性之一,目前世界上采用交流动力控制技术的叉车企业主要有丰田、BT、Raymond、永 恒力和克拉克等公司。
4.交流电机与直流电机的结构相比更凸显优势
直流电机具有较好的机械特性,能提供叉车牵引系统所需的低速大扭 矩,速度控制相对简单,能实现较宽范围内的无级调速。但是由于直流电机结构较为复杂,具有换向器和碳刷,电流须经过碳刷来输送,碳刷的结构尺寸和磨损状况 对电机性能影响很大,电机的维护和保养也很麻烦。而交流电机因为没有碳刷和换向器等运动件,也就不像直流电机那样有对最大电流的限制,相对而言维护保养简 单容易,可以降低维护成本。
直流电机和交流电机的原理不同,其结构也有较大的差异,同样功率下,直流电机的外形尺寸要大于交流电机,因为直流电 机需要更多的空间安装换向器和碳刷。在直流电机中,永久磁铁安装于定子的励磁线圈中,电枢绕组安装于转子上,转子旋转时,固有频率的电流始终流过碳刷,而 碳刷与换向器保持紧密接触,产生摩擦。这意味着直流电机的转速比同等的交流电机小,产生的力矩也要小。直流电机的碳刷为易损件,需要定期检查和更换。当蓄 电池电量不足或因叉车爬坡电机电流增高时,都会引起换向器的发热增大,引起电刷的磨损和失效。交流电机相比而言结构简单得多,运动部件少,输出轴支撑在电 机两端的轴承座内,转子是惟一的旋转件,没有碳刷和换向器,这就意味着交流电机的尺寸可以小很多。换句话说,与直流电机同样大小的交流电机可以提供更大的 功率。转子和定子之间不直接接触,气隙的存在使得转子可以以很高的转速运转。交流电机的转速可以比直流电机高3倍,可以给驱动轮提供更大的转矩、更大的加 速度和更高的转速。
交流传动的电动叉车所用电源仍为直流电源,除了控制电路外,其余电路仍为直流电。控制器和换流器将直流电转换为三相交流电供 给电机。直流驱动系统的直流电源通过脉冲调制控制器转变为平均电压,频率是固定的:而交流驱动系统的直流电源通过控制器转变为交流电压,频率是可变的,这 使得交流驱动的调速范围更广。
传统的直流电机控制器是利用高频开关的迅速接通与断开来进行调速,改变开与关的时间比来调节速度与加速度。常见的 有两种控制形式:一种是可控硅整流器(SCR控制器),另一种为晶体管脉冲宽调制控制器(PWM控制器),这两种型式的直流控制器都是将流向电机的电流转 换为固有频率的“开”和“关”特性,“开”的时间越长,流入电机的电流越大,电机产生的电磁力矩也越大,运转的速度也越高。
交流驱动系统将蓄电池提供的直流电流转化为三相交变电流。电机特性可以通过改变三相交流电的正弦波的频率而得到控制,使控制变得更为简单,并且可以得到更宽范围的调节。

直流电机的特性由控制器的输出电压决定,所以当蓄电池的电量不足时,电机输出特性变差。而交流系统就不存在此问题,电机可以在变化的电流和频率之间 调节,因而输出的特性可以维持在良好的状态,受电池电量的影响较小。因此使用交流系统在同样的蓄电池容量下可以比直流电机的使用时间延长25%,有效地提 高了生产效率。
5.交流驱动系统叉车将给用户带来非常显著的效益
一台叉车的总成本并不等于其组成部件的总和,还涉及到其他诸多因素。 对最终用户来说,叉车的总拥有成本包括购买成本以及运行与维护成本,因此选择质量高、性能可靠的产品就显得相当重要。通过对直流与交流驱动系统的原理、结 构和控制理论的分析可以看出,采用交流驱动系统的叉车,整体性能显著提高,故障及元件更换率明显降低,可靠性大大增强,叉车单位时间的生产率更高,操作及 维护成本更低,将给用户带来非常显著的效益。
运行稳定可靠终生、不需维护。交流电机无需换向接触器(前进、后退换向),无碳刷和换向器,节省了 部件,体积更加轻便小巧,运转速度提高了,而且彻底摆脱了定期检测和更换碳刷的麻烦。由此带来的最大好处是:交流电机没有电刷、控制器,因此没有接触器等 易损件,叉车可靠性大为提高采用交流驱动系统,没有了电刷和接触器,可减少更换各电机的接触器和电刷等约70%的维护工作量,仅需进行蓄电池的日常维护即 可,因此电机结构简单,可靠,因维护所造成的误工时间也大为减少,提高了劳动生产率。叉车电机几乎终生不需要维护,极大地增强了叉车的可靠性与稳定性;同 时,在叉车设计时不用考虑预留电机维修空间,甚至可以将电机密封起来,使叉车结构设计更加紧凑。
制动强烈、效率都更高、还可以可实现能量再生。 电动叉车制动主要有两种方式:传统的接触式摩擦制动和非接触式再生制动。再生制动是一种非接触性制动,比传统的制动系统大大简化。不论驾驶者通过踩刹车踏 板刹车,还是转换行驶方向刹车,电动机均会处于发电机状态,其电磁转矩将成为制动性质的转矩。这意味着刹车片的磨损降至最低。而机械磨损大大下降,也就减 少了叉车维护费用,使运行成本更低。同时,再生制动使得交流电动机在行驶与制动上的效率都更高。刹车或换向时,会有再生能量产生。刹车越强烈,再生的能量 越多。能量再生是电动机作为发电机向蓄电池充电的过程。交流驱动系统在叉车滑行(此时加速踏板松开)、制动、改变行驶方向时(当方向开关从一个方向换为相 反方向时)都可以实现能量的再生。此时叉车所产生的惯性能量被回充于蓄电池中,延长了蓄电池单班使用时间和使用寿命。交流驱动系统的蓄能装置则会在刹车或 换向时自动启动,将能量回送给蓄电池,使电池工作时间延长,寿命也更长。虽然某些直流驱动叉车上也有再生制动,但必须在强烈的刹车时才能启用,这也意味着 再生的部分能量在刹车时转化成了热量。而几乎在所有的情况下,交流电机均会产生能量再生,并且持续作用直至叉车完全静止,显然比直流电机的能量再生效率更 高。

动力更强劲、生产效率显著提高。交流电机最高转速比直流电机提高很多,动力更强劲。而且,交流电机可以将获得的再生能量回馈给蓄电池,既延长了电池 的使用时间,又可以将这些能量用于提高叉车的整体性能。其结果是叉车在行驶中启动更快,加速/减速性能大大提高,缩短了达到最高速度的时间与行走距离。交 流电机转子与定子之间几乎没有直接接触元件,机械摩擦大为减小,因而产生的热量少。另外,交流电机的电枢绕组固定于与壳体座连接的定子上,电枢绕组产生的 热量可以通过电机壳散发到周围空气中。而直流电机转子上的电枢绕组产生的热量无法散发到空气中,所以直流电机更容易过热。研究表明,在大多数 的实际使用中,叉车自启动至停止的一次搬运作业距离很少长于20米。而交流电机优秀的加速性能使得在如此短的距离内实现叉车全速运转成为可能,叉车的工作 效率显著提高。
可输出更大的功率。扭矩和转速由于电枢与电机主轴不接触,交流电机的转速可以比同功率的直流电机高3倍,可以提供更大的驱动力矩。加速性能更好,并且系统允许最高转速远远高于直流驱动系统。
编 程与控制能力强、灵敏度高。随着半导体技术的飞速发展,变频调速技术取得了突破性发展,可以实时控制交流电机的运转,使交流电机的控制能力大大增强,获得 了同直流电机一样的调速性能。交流驱动采用速度力矩控制,控制的灵敏度提高,从而带来叉车操作效率提高;采用加速踏板释放制动功能(即叉车行走时油门稍一 松,再生制动就起作用),前进过程中换向为倒车时可以平稳过渡,提高了叉车的稳定性与可靠性。同时,采用CAN总线( CAN是现场总线的一种),好处是:分布式节点不受安装位置的限制;模块化结构,系统拓展容易,可实现功能特性的无缝添加或修改;实现了总线接口标准化, 使系统集成更简单,单元设计更灵活。
操作更方便、舒适,叉车总体设计有更大的自由度。交流驱动系统在提高叉车驾驶员操作舒适方面所起到的作用与 众不同。由于交流电机比直流电机小巧轻便,这使得叉车的设计相对更灵活。例如,利用这一灵活性,丰田叉车公司采用独特的低重心设计,从而开发出能够减轻驾 驶员疲劳、舒适性能优越的7FB系列电动叉车。交流电机与直流电机相比,同样功率外形尺寸大为减小,使得叉车设计师有更充裕的空间去考虑提高操作舒适性, 并可使叉车结构更紧凑,提高其机动性。
6.交流电动叉车的发展前景
据了解,高安全性、高可靠性和使用性能好的高水平产品,装备先进电 子技术的机电一体化的大型叉车,向通用化、标准化、系列化方向发展的变型产品等,是市场前景看好的产品。因此,叉车企业今后要重点更新0.5~16吨内燃 平衡重叉车系列,积极发展电瓶叉车、液化石油汽叉车等环保型叉车和前移式叉车、集装箱叉车等产品。由上可见,今后几年国产电动叉车的销售量增幅将逐渐增 大。据了解,我国电瓶叉车市场需求正在迅速增长,近年国内电瓶叉车销售量增长80%多,增长迅猛,说明高品质、高质量的电瓶叉车逐步为国内一些特殊行业和 特殊物流作业所接受。
目前,欧洲市场上电动叉车已占到叉车总销量的6O%以上,成为欧洲叉车市场的主导产品;在我国电动叉车的比重也逐年增 长,2004年也已占到2O%以上,电动叉车有着广阔的发展空间。而交流驱动技术作为电动叉车的新技术在国外也得到了不断发展。我国在这方面的起步较晚, 我国的电动叉车大多采用直流电机驱动。现在大家已逐渐认识到交流驱动技术的优势,交流驱动技术应用于叉车的研究正在进行,已有厂家开始在电动叉车上尝试采 用交流驱动技术。随着交流电动叉车应用范围的扩大和环境保护、劳动安全卫生要求的提高,对废气净化、作业视野、以及车辆的振动与噪音和在易燃易爆场所的防 爆等问题日盛重视,相应的技术规范亦日益完善,叉车市场竞争的国际化,未来交流电动叉车有着广阔的市场前景,可以相信国产交流电动叉车领跑的势头会更加强 劲。

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