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交流技术在电动叉车驱动系统的应用 摘要 目前应用的电动车辆主要有直流驱动和交流驱动两种方式。由于交流系统 本身在性能、维修等方面的优越性能，自上世纪末，交流动力逐渐应用于电动 叉车的设计和生产中，它的应用使电动叉车的性能显著提高，林德、永恒力等 外资企业对交流技术的应用已日趋成熟。国内电动叉车行业技术相对落后，电 控、电机的落后状况尤为突出，严重制约着电动叉车的设计及其发展。交流驱 动系统作为叉车更新换代的技术，必将得到越来越广泛的运用。因此，我们从 学习国际电动叉车先进驱动技术入手，带动民族叉车产业发展。 本文通过对电动叉车直流与交流驱动系统在原理、结构和控制等方面的比 较，说明了电动叉车采用交流驱动系统在系统性能、效率、维护成本等方面有 着不可逾越的优势。通过描述感应电机在变频电源供电下的机电特性，分析了 电动叉车在不同运行工况状态下的转矩与速度的特性。阐述了当前比较流行的 感应电机控制器的控制方式。针对交流驱动技术在电动叉车的应用实例，介绍 了感应电机和控制器及其它关键部件的选型、计算和匹配，感应电机驱动参数 的设置方法，系统性能的优化及操纵性能调节，并给出了系统性能测试的部分 试验数据。 本文所探讨的交流技术在电动叉车驱动系统的应用对于新一代交流电动叉 车驱动控制系统的设计和优化调试有重要的参考价值。 关键词：电动叉车感应电机控制试验 a p p l i c a t i o no fa ct e c h n i q u ei nd r i v es y s t e m o fe l e c t r i cf o r k l i f tt r u c k s a b s t r a c t t h e r ea r et w od i f f e r n e n td r i v et y p e sa p p l y i n gi ne l e c t r i cv e h i c l en o w a d a y s t h a t i sd cd r i v es y s t e ma n da cd r i v es y s t e m d u et ot h ea d v a n t a g eo fa cd r i v es y s t e m i np e r f o r m a n c ea n ds e r v i c e ，a ct e c h n i q u ei sa p p l i e dt ot h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r e o f e l e c t r i cf o r k l i f tt r u c k s a ct e c h n i q u em a k ea g r e a ti m p r o v ef o rf o r k l i f tt r u c k s t h a t t e n dt ob e c o m ep e r f e c t l yi nl i n d o na n dj u n g h i n r i c hf o r e i g nc a p i t a lc o r p o r a t i o n b e c a u s et h et e c h n i q u ei sb e h i n d h a n di nc h i n a ，t h a tr e s t r i c tt h ed e v e l o p m e n to f f o r k l i f t a sn o wt e c h n i q u e ，a cd r i v es y s t e mi sa p p l i e de x t e n s i v em o r ea n dm o r e w em u s tl e a r nt h i st om a k et h en a t i o n a lf o r k l i f ti n d u s t r ys t r o n g e r t h i sp a p e rf i r s t l ys u m m a r i z e st h es t a t u so fa cs y s t e ma n di n t r o d u c e st h e p r i n c i p l e ，s t r u c t u r e ，a n dc o n t r o lm e t h o d e x p l a i n i n gt h es u p e r i o r i t yo fa cs y s t e m i ta n a l y z e st h eo p e r a t i n gc h a r a c t e r i s t i c so fi n d u c t i o nm o t o ri ne le c t r i cf o r k l i f tt r u c k sa n d t h ec o n t r o lm e t h o df o rt h ec o n t r o l l e rt h a tu s i n gi nt h et r u c k s a ne x a m p l eo ft h ea c d r i v et e c h n i q u ei nt r u c k si sp r e s e n t e dt od e m o n s t r a t et h i sa p p l i c a t i o n i ti n t r o d u c e s s e l e c t i o na n dc a l c u l a t i o nm e t h o df o re s s e n t i a lp a r t so ft r u c k sa n dt h ep a r a m e t e r a d j u s t m e n tf o ri n d u c em o t o ra sw e l la st h eo p t i m i z a t i o nm e t h o df o rp e r f o r m a n c eo f t h ed r i v es y s t e m i ta l s oe n u m e r a t ed a t at e s to ff o r k l i f t t h ep a p e ri sv e r ys i g n i f i c a n c et ot h ed e s i g na n do p t i m i z a t i o nf o rt h ed r i v e s y s t e mo ft h en e wg e n e r a t i o ne l e c t r i cf o r k l i f tt r u c k s k e y w o r d s ：e l e c t r i cf o r k l i f tt r u c k s i n d u c em o t o rc o n t r o lt e s t 插图清单 图1 - 1 直流电机和近似规格的感应电机的速度转矩特性4 图1 - 2 直流电机和近似规格的感应电机的效率比较4 图1 - 3 交流驱动的p w m 调制方式5 图1 - 4 直流控制器与同规格交流控制器的效率比较5 图1 - 5 直流与交流控制系统构造比较6 图2 - 1 工作于交流线电压的感应电机的典型速度转矩特性9 图2 - 2 感应电机在恒频下的转矩( 电流) 与滑差的对应曲线9 图2 3 某车型牵引感应电机的工作特性曲线1 0 图2 - 4 电动叉车的感应电机驱动转矩与速度特性1 1 图2 - 5 感应电机的工作区间1 2 图2 - 6 定子电流、转子电压、滑差和转矩间的关系1 2 图2 - 7 感应电机的工作状态1 2 图2 - 8 再生制动下感应电机的机械特性曲线1 3 图2 - 9 反接制动下感应电机的机械特性曲线1 4 图2 - 1 0 工作于控制器的感应电机的速度一制动转矩曲线1 4 图3 一l 直流电动机调速曲线1 6 图3 - 2 意大利z a p im o s 管电控总成1 7 图3 - 3z a p ih 2 b 控制器工作原理图1 8 图3 - 4z a p ih 2 b 控制器工作过程1 8 图3 - 5电动叉车交流驱动调速系统组成2 0 图3 6 电动叉车交流驱动调速系统控制框图2 l 图3 7 低频时定子阻抗压降补偿2 2 图3 - 8 基频以下的机械特性2 3 图3 - 9 基频以上的机械特性2 3 图3 - 1 0 感应电机变频变压调速控制特性2 4 图3 - 1 1 感应电机等效电路2 4 图3 - 1 2 坐标变换2 5 图3 - 1 3 矢量控制过程框图2 5 图3 - 1 4 交流驱动控制框图2 6 图3 - 1 5 基本速度斜坡功能2 7 图3 1 6 上坡制动及减速斜坡的调节2 7 图3 1 7 功率转换元件2 8 图3 一1 8 无过调制和过调制的合成电流2 9 图4 一l 典型的感应电机的效率曲线3 0 图4 - 2 典型的感应电机的转矩特性3 1 图4 - 3 温度对控制器输出电流的影响3 7 图4 - 4 控制器散热型式3 7 图4 - 5 控制器散热风道的设计3 8 图4 - 6 某车型控制器的散热形式3 8 图4 - 7 紧急断电开关在电路中的应用3 9 图4 - 8 接触器载流量3 9 图4 - 9 某车型驱动系统电气控制原理图4 1 图5 - i 各品牌交流控制器调试界面4 3 图5 2 蓄电池欠压及复位点的设定4 5 图5 3 加速器修正4 6 图5 - 4 设置额定频率4 8 图5 5 固有频率测试曲线4 9 图5 6 堵转频率的测试4 9 图5 7 某型号电机在不同频率下的性能曲线5 2 图5 8所选感应电机性能曲线5 3 图5 9最佳性能曲线设置5 3 图5 1 0 功率限制曲线5 3 图5 一1 1 加速率及爬行频率的设定5 4 图5 1 2 加速器输入性能的设定5 5 图5 1 3 最大减速率及反接制动速率的设定5 6 表格清单 表i - i 直流电机与感应电机维护成本的比较3 表1 - 2 直流控制器与同规格交流控制器的效率比较7 表3 - 1z a p ih 2 b 控制器工作原理1 9 表4 - i 整车设计参数3 2 表4 - 2 配套电机数据3 3 表4 - 3 相关电机数据表3 3 表4 - 4 感应电机在电动叉车不同工况下的性能3 6 表4 5c u r t i s 感应电机控制器1 2 3 6 & 1 2 3 8 功能一览表。3 6 表4 6 熔断器选型4 0 表5 1 基本参数调节：4 4 表5 2 参数设置表4 5 表5 3 电机驱动参数4 7 表5 - 4 固有频率测试数据4 8 表5 6 以电机额定电流进行实验的数据5 0 表5 - 7 车辆设计性能指标5 2 表5 8 估算感应电机的电流5 2 表5 - 9 性能试验数据5 4 表5 一1 0 设置加速器踏板制动强度的试验数据5 6 表5 1 1 整车性能试验数据5 7 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 据我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰 写过的研究成果，也不包含为获得 金胆王些太堂 或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位论文作者签字：来关签字日期：哆年6 月，午日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解 金胆王些太堂 有关保留、使用学位论文的规定，有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅或借阅。本人 授权 金胆王些太堂 可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 森英 i 签字日期：砷乃年6 月印日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： 导师签名：1 售涨 签字日期：1 年6 月z ( f 日 电话： 邮编： 致谢 本项目的研究工作是在尊敬的导师陈无畏教授的悉心指导和关心下完成 的，作者在论文研究中取得的每一点进步和成绩无不渗透着老师的心血。老师 以他们丰富广博的知识、严谨求实的治学态度、一丝不苟的精神、卓越的才智 以及求实创新的工作作风深深影响了我，使我受益匪浅。尤其是老师对新事物、 新科技的敏锐洞察力和对同行业先进技术的研究、行业动态的把握，大大开拓 了我的眼界，时刻鞭策我不断开拓奋进。值此论文完成之际，谨向长时间以来 关心和培养我的老师致以崇高的敬意和诚挚的感谢。 感谢安徽合力股份有限公司技术开发处的领导及电动研究所的多位同事， 在和他们的学术研讨中，作者获得了许多设计思路设计灵感，他们的合作与帮 助是本文的研究工作得以顺利完成的关键。感谢公司的同事们多年来对我的热 心帮助和指导，论文研究工作离不开他们的支持。 同时，我还要感谢我的家人，是他们的支持与理解，鼓励我顺利完成了这 篇论文。 作者：栾英 2 0 0 9 年5 月 第一章绪论 1 1电动叉车发展的现状 我国工业车辆行业起步较国外晚，自2 0 世纪5 0 年代首部叉车面世以来， 直到7 0 年代叉车行业才初具规模。有专家认为，从产业周期的角度分析，发达 国家的叉车产业已处于成熟期，而国内叉车产业和叉车产品尚处于发展期。从 目前的市场需求来看，国内叉车产品的使用范围和数量还未得到充分拓展。随 着世界制造业向中国转移和国内物流业的高速发展，叉车市场也迎来了行业的 春天，近几年来，我国叉车生产、销售以年均3 0 - - - - 4 0 的速度持续增长，远 远超过了国民经济的增长速度。预计到2 0 1 0 年中国叉车年产销量将超过1 2 万 台，直追装载机总量，从而成为工程机械另一大类产品。中国叉车市场增长潜 力巨大，受到世界的瞩目瞻1 。正因为叉车业的蓬勃发展，吸引了越来越多的进 入者。据中国工程机械工业协会机动工业车辆分会统计，目前各类叉车批量生 产企业已超过百家，同时，国内一些有实力的企业也在逐步进入，如汽车行业 的江淮汽车，合肥锻压集团，还有重汽集团。近年来，一些浙江、广东的民营 企业也在涉足叉车行业。国外叉车制造商也纷纷进入中国市场，林德、小松、 汉拿、三菱、丰田、t c m 和海斯特等著名制造商均在我国设立独资或合资公司 进行叉车生产销售。按美国现代物料搬运杂志的排名，全球前2 0 位叉车厂商中 过半数已在中国建厂或以代理形式进入国内。同时，外资企业也加大产品的国 产化，销售价格与国内品牌逐渐拉近，又有原装产品进入中国市场，形成了质 量、价格、售后服务有层次的格局。 目前，以发动机为动力的内燃叉车使用汽油天然汽柴油作为动力源，因 其功率强劲，使用范围广，占据国内叉车市场的主导地位。但由于提高产品的 节能效果和满足日益苛刻的环保要求，利用蓄电池作为动力源的电动叉车，因 其低噪声，操作方便而灵巧，运行平稳，可靠性更高、更清洁，得到了越来越 多的企业的青睐。 中国电动叉车的市场处于起步阶段，市场规模逐年变大。但是从比例看， 目前电动叉车所增长的幅度小于内燃叉车，在欧洲，电动叉车在叉车总量的比 例超过7 0 ，在美洲，超过5 0 。目前国际蓄电池叉车的产量已占叉车总量的 4 0 左右，中国蓄电池叉车大约占市场份额的2 0 左右，可见，中国的电动叉车 有广大的发展空间。 随着我国环保政策的出台和全民环保意识的增强，以及外资企业的大量进 入，电动叉车的占有率会是一个逐渐发展渐渐增加的过程，尤其是在港口、仓 库以及烟草、食品、轻纺等行业。随着石化燃料价格的增加，对环保的更高要 求，电动叉车的优越性会更加突显。叉车行业正在逐步提高技术水平，逐渐与 世界接轨。 1 2电动叉车交流驱动技术的发展背景 电动叉车是以蓄电池作为动力源，通过电机将电能转换为机械能驱动叉车 行走。驱动系统是电动叉车的最关键系统，一般由调速系统( 包括驱动电机、电 机控制器及各种传感器) 、机械减速及传动装置、车轮等构成。电动叉车驱动系 统的有以下特点。： ( 1 ) 能够频繁地起动、停车、加减速，对转矩控制的动态性能要求高。 ( 2 ) 电动叉车驱动的速度、转矩变化范围大，既要空载平整路面行使的高速 度，低转矩的工作环境，也有满负载爬坡的运行工况，同时还要求保持较 高的运行效率。 ( 3 ) 利用电动机的可逆工作特性，还可以实现制动能量回收，即再生发电。在电 动车制动时，驱动电机的工作状况由电动机状态转为发电机状态，并将这些 能量送回电池，储存起来。 电动叉车的运行性能主要取决于调速系统的类型和性能。因此各叉车生产 厂家都在大力研究和发展电动叉车的调速系统，以提高整车的性能和可靠性。 目前正在应用的电动车辆主要有直流驱动和交流驱动两种方式。直流驱动 作为一种较经济简便的驱动方式，在很早以前就已在电动设备上广泛应用。然 而，交流系统本身在性能、维修等方面的优越性能使很多室内搬运设各生产商 开始致力于交流技术应用的研发。电动叉车也经历了从直流技术到交流技术的 过渡。自上世纪末，交流动力逐渐应用于在电动叉车的设计和生产中，它的应 用使电动叉车的性能显著提高，完全可以与内燃机叉车相抗衡。而且，随着电 子元件的价格的不断下跌，感应电机控制器硬件部分的成本逐年降低，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。通过对直流与交流 驱动系统从原理、结构和控制上的分析可以看出，电动叉车采用交流驱动系统 有着不可逾越的优势。 1 3交流驱动技术的优越性n 1 一、感应式电机与普通直流电机的比较 1 、电机结构比较：直流电机存在碳刷和换向器，这就意味着直流电机本身 效率低，体积和质量大，摩擦火花和噪声较大，而且换向器和碳刷限制了它转 速的提高。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：第一，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，必须定期更换。第二，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。因此大多数直流电动机 都会同时配备一个轴流风机用于散热。感应电机的电枢绕组固定于与壳体座连 接的定子上，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，运 2 转时电枢绕组产生的热量可以通过电机壳散发到周围空气中，利于长时间连续 作业。 2 、维护性要求比较：感应电机所需元件数量大大减少，并且没有需要定期 更换的易损件，由于无电刷或换向器，感应电机可设计为密闭结构，防尘防潮。 感应电机无周期性检查和维护的要求，比直流电动机更高效，更坚固耐用，维 护成本低( 见表1 1 ) 。 表1 - 1直流电机与感应电机维护成本的比较 维护成本( 以5 年使用为例) 零件与服务费用直流电机交流电机 更换驱动马达上的碳刷 3x = e u r9 5 0 无 驱动马达的维修保养费用 e u rl ，t 2 5 无 驱动马达上的整流子 1x = e u r3 0 0 无 更换提升马达上的碳刷 3x = e u r9 8 0 无 提升马达上的整流千 lx = e u r1 0 0 无 更换接触器 2x = e u r9 2 0 无 总费用e u r4 j3 7 5无 3 、电机性能比较：感应电动机最为突出的优势是没有碳刷，也没有直流电 动机在最大电流方面的限制，这意味着感应电动机在实际使用中可以得到更多 的功率及更大的制动扭力，可以以更快的速度运转及更平滑的快速反向。感应 电机最高转速比直流电机高得多，动力更强劲，加速性能更优异，叉车的工作 效率显著提高。图1 - 1 说明了直流电机与有近似规格的感应电机速度转矩特性 的比较。在图1 - 1 中，显示了作为一个系列工作的感应电机和直流他励电机的 速度转矩曲线，着重比较了感应电机与直流他励电机的加速性能和制动性能。 在加速过程中感应电机和他励电机有几乎同样的速度转矩曲线( 用单独的线来 表示) 。阴影区( 标记“他励电机换向限制 ) 对于他励电机是间歇工作区，在 这个区域内电刷和换向器磨损严重。感应电机在制动时可以产生比在加速过程 中更高的转矩( 如曲线标记的“制动过程中感应电机 ) ；在转速在2 6 0 0r p m 左右，感应电机的转矩约为6 3n m ，直流电机的转矩约为3 2n m 。这意味着在高 速时感应电机相对于直流电机有两倍多的制动转矩。此外，感应电机能实现低 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。 3 龋 蟒 2 0 1 0 0 0 01 02 03 04 05 06 07 08 0 i i i i l ( n m 转矩 图1 - 1直流电机和近似规格的感应电机的速度转矩特性 4 、效率比较：如图1 - 2 所示，在转速为5 0 0r p m 以上，近似规格的感应电 机的效率要远远高于直流电机。在基速以上，感应电机的效率一般可达到8 0 以上。可见，在高速时有明显的效率优势，与近似规格的直流电机相比，感应 电机更节电。 r ，一r _ 一i - - j，一 ，一r 一 _ k_ 1 ， 争 、1h _ 口 石 一 |。 f j 05 0 01 0 0 01 5 0 02 0 0 0 2 5 0 0 3 0 c 0 3 5 0 04 0 0 0 转速卿哪 巨重垂匝j 亟圃 图1 - 2 直流电机和近似规格的感应电机的效率比较 二、交流驱动控制技术的优越性： 1 、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改变开关开合 时间比例，实现无耗调节负载的平均电压，即直流斩波调速。目前比较盛行的 4 加 伯 0 一邑锝较霉脚一 是晶体管脉宽调制控制，由于m o s 管导通，蓄电池电压经m o s 管，加在行走电 机两端，其电流的大小取决于控制脉冲的宽度，脉冲宽度越宽，m o s 管导通的 时间越长，电机两端获得的平均电压越高，电机中流过的电流就越大。反之， 控制脉冲窄，m o s 管导通时间短，电机中流过的电流小，车辆行驶慢。相比之 下，交流驱动系统将蓄电池提供的直流电转化为三相交变电。电机的特性通过 改变三相交流电的正弦波频率而得到控制，可得到更宽的调节范围( 如图卜3 示) 。与直流控制器相比，交流控制器的效率比较低( 如图1 - 4 示) 。 ；1 0 0 静 鬏 羹8 0 辅7 0 x x l 畚 义一“ 图1 - 3 交流驱动的p w m 调制方式 p 一 t - 膏 05 0 01 0 0 01 5 0 0砌捌3 0 0 03 6 0 0j 4 0 电机转速僻p 呻 巨玉殛豳互二三蚕殛圈 图卜4 直流控制器与同规格交流控制器的效率比较 2 、直流电机的特性由控制器的输出电压决定，当蓄电池的充电状况恶化时， 电机输出特性大为下降。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一个较高的水平内。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2 5 左右，大大 提高了生产效率。 3 、感应电机可以在四象限工作，可以瞬间地实现从驱动到制动，没有他励 系统中的0 2 到0 4 秒延迟。所以说，叉车的方向变化是不间断的。 4 、交流驱动为闭环速度调节，磁通矢量控制使叉车在变负载驱动条件下， 调节电机转矩来维持速度。例如上坡或下坡时不用驾驶员干涉，就能维持期望 的速度。 5 5 、交流驱动采用速度扭矩控制，采用加速踏板释放制动功能( 即叉车行走 时加速器踏板稍一松，再生制动就起作用) ，可以实现从前进状态向倒车状态 的平稳过渡提高了叉车的稳定性与可靠性，同时使能量回收。而直流系统的 再生制动必须在强烈的刹车时才能启用，并且回收的部分能量在刹车时转化成 了热量整机。 三、系统构造的比较： 感应电机外形尺寸小，使叉车总体设计更加自如。感应电机与同样功率的 直流电机相比，尺寸更小。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。除感应电机本身终生免 维护外，采用交流驱动系统的电动叉车的电气控制系统的零部件也大大减少， 节省了换向接触器( 前进、后退换向) 等部件，对于带再生功能的直流串威调 速系统省略了再生接触器。使得叉车设计有更充裕的空间去提高操作舒适性， 并有可能获得更紧凑的结构设计而使叉车更加小巧。提高机动性。车辆设计者 在感应电机的布置上有更大的灵活性( 如图卜5 ) 。 雹1 - 5 直流与交流控制系统构造比较 四、整车性能综合比较： 下面以德国永恒力( j u n g h e i n r i c h ) 电动平衡重叉车为例( 表卜2 ) - 对配 备艨应电机与直流电机这两种不同驱动系统的同型号叉车的综合性能进行比 较。 6 表卜2直流与交流驱动系统综合性能的比较 性能指标交流驱动系统直流驱动系统交流驱动系统优势 行驶速度( 满载)1 7k m h1 5k m h提高1 3 加速时间( 满载)4 0 s4 5 s缩短1 1 加速时间( 空载)3 5 s3 8 s缩短7 最大爬坡性能( 满载)2 4 1 7 提高4 1 最大爬坡性能( 空载)3 5 2 8 提高2 5 刹车时能量回充效率 3 0 1 5 提高1 0 0 每小时搬运量 ( l ：1 0 0 m ，h ：3 m ) 5 2 频次3 9 频次提高3 3 总之，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，效益非常显著。 1 4本文研究的意义 现阶段国内电动叉车主要占据着中、低端的市场，高端市场基本上全部被 林德、永恒力等这些外资企业占据，国内企业因为技术原因很难进入。就目前 的国内市场来看，在技术研发和创新方面，国内行业技术相对落后，电控、 电机的落后状况尤为突出( 电控选用进口件，电机采用国外先进技术) ，严重制 约着电动叉车的设计及其发展，而交流驱动系统作为叉车更新换代的技术，必 将得到越来越广泛的运用。针对这种现象，我们必须首先通过对感应电机和控 制器进行匹配和优化调试来掌握感应电机的运行性能和交流控制理论，并使之 转化为自主创新的“2 1 世纪电动叉车的革命性技术 ，从而进一步提高我国电 动叉车行业的技术水平、市场份额，在国际电动叉车行业创立崭新的技术形象。 1 5本章小结 本章介绍了电动叉车的发展现状和交流驱动技术的发展背景，阐述了交流 驱动技术应用于电动叉车的优越性，并突出了本文研究的意义。 7 第二章感应电机技术 感应电机在2 0 世纪2 0 年代设计、研究。其工作原理是通过定子所产生 的旋转磁场与转子绕组内所感生的电流相互作用，以产生电磁扭矩来实现电机 的转动。根据转子的不同，感应电机分为两种类型：鼠笼型和绕线式。鼠笼型 感应电机效率很高、比功率较高、结构简单、运行可靠、价格低廉，是目前应 用最广泛的电动机。目前电动叉车选用的感应电机多为鼠笼型交流三相感应电 机。 2 1 感应电机在恒频恒压电源供电的性能1 感应电机在额定电压和额定频率下，用规定的接线方式，定子和转子电路 中不串任何电阻或电抗时机械特性称为固有机械特性。图2 1 代表了固定电压， 频率三相交流电源供电的感应电机的转矩，速度曲线。 电机额定负载转矩直接与电机内部的散热能力有关。额定负载转矩代表电 机能够在额定速度连续地产生转矩。额定速度比同步速度小，由此电机可以产 生滑差( 同步速度和真实速度的差) 以便产生转矩。最大转矩( 典型的2 5 0 到 3 5 0 额定负载转矩) 是电机能够产生的峰值转矩，其数值大致为额定转矩的 2 5 倍。它表征了电动机能够承受冲击负载的能力大小，是电动机的又一个重 要运行参数。最大转矩被定子和转子产生的使转子旋转的磁通能力的磁电路所 限制。感应电机可以产生间歇的超过额定负载转矩的转矩，短时过载也不会引 起剧烈发热，但电机持续过载引起电机的温度上升可能最终损坏定子绕组的绝 缘。启动转矩是感应电机从静止启动时能够产生的转矩，拉起转矩是电机斜 坡上升到全载速度产生的转矩。在固定电压固定频率工作状态下，启动时，感 应电机能够拉起8 倍全载电流。当施加在定子绕组上的电压降低时，启动转矩 会明显减小，当转子电阻适当加大时，启动转矩会增大；增大转子电抗则会使 启动转矩大大减小。通常，较大的电机使用降压启动电路来降低启动过程从交 流电源吸收的电流。 8 籁 逛 露 l 吐 七k 墩 议 释 转矩 01234 基数的倍数 。 图2 - 1 工作于交流线电压的感应电机的典型速度转矩特性 图2 2 给出了典型的感应电机在固定频率下转矩( 电流) 变化与滑差的关 系。当滑差接近1 时，转矩骤然下降，电流变化平稳。滑差较大时，电流是额 定电流值的倍数关系。当滑差为正时，电机产生运动转矩，滑差为负时，电机 产生的转矩为制动转矩。 ，、 炼 脚 、- ， 露 水 兰 ，、 v 。 。 e巳流 ， 一“产l 飞l 犬 、_ h - i _ _ 。_ 、 f k 氟88棚l 毒川 2 。叫j la 2o 溥a60箍 一m 。一 一一 。k 转扭 7 涤乏奄 滑差 图2 2感应电机在恒频下的转扭( 电流) 与滑差的对应曲线 9 2 2感应电机的运行性能分析 在工业领域中，由固定电压固定频率( 5 0 h z ) 电源供电的感应电机被广泛应 用。应用于叉车的感应电机与工作于固定频率交流电源时感应电机的工作状况 有很大的不同。叉车的感应电机使用变量频率电源供电，其工作范围不被限制 于单一电源频率。图2 - 3 为某车型交流电动叉车的牵引感应电机的工作特性曲 线。它的最大电源频率可达到为1 4 0h z ，除启动外工作区域为3 0 h z 一1 l o h z 。 嚣 羹 爹 ：薹 疆 ：薹 ：差 嚣毒蠢 薹蓉差善薹萎蠢毒薹萎ll r p m i 一脚c b 撕嘣瓢唧嗍一撕懈帅城h 妒咐，州一棚t o f 椭咖，* l l m 一曾i n p 瞳t l - 榭埘 ，一哺醴埘- i n 幽融棘t 事口_ - 删一抽蛔r m 喃 i c 一肿i 州 i 图2 - 3某车型牵引感应电机的工作特性曲线 就叉车牵引工作模式而言，由于叉车兼有空载行驶，满载行驶及带载爬坡 的工作特性，即变负载的运行方式，它可能以低转速大扭矩工作于斜坡上，也 可能以两倍基速和更高的速度工作于平整路面上。相应地，对于感应电机的工 作区域而言，感应电机分别工作在“连续工作区”、“间断工作区 及“高速 区 。在牵引工作模式下，叉车在空载和额定负载行驶时感应电机工作于“连 续工作区 ，此时电机工作在恒功率阶段，这就允许电机为了获取理想的转速 而工作在较低的滑差状态下；当叉车以设计允许载荷工作于定的坡度时，感 应电机一般工作在“间断工作区”( 有的工作在“连续工作区 ，这与电机的 匹配有关) ，此时电机工作在恒扭矩阶段。 我们可以用图2 - 4 来描述应用于电动叉车的感应电机驱动转矩与速度特 性。对于同一感应电机工作于交流线电压频率的等效转矩速度特性用虚线显示 用于对比。 1 0 f j 1 t 图2 - 4 电动叉车的感应电机驱动转矩与速度特性 图2 - 4 中在0 和1 0 0 基速之间( 即在额定转速以下调速) 称为恒扭矩区， 在相同的负载转矩下有近似相同的电流。该电流与频率无关，而且输出转矩也 近似认为与频率变化也无关。 在1 0 0 和2 0 0 基速之间称为恒功率区，在这个区域电机连续功率输出能力 保持近似不变。由上图中额定负载转矩曲线中，在1 0 0 和2 0 0 基速区域内曲线 上各点包络的面积近似相同( 速度x 转矩) ，即功率输出大致相同。我们可以比 较 点及b 点，输出转矩分别为5 0 额定负载转矩与额定负载转矩，两点的输 出功率相同。由于感应电机中碰场削弱电机的转矩渐小。电机速度大于2 0 0 基 速点时最大转矩曲线与额定负载转矩曲线相交，最大转矩限制电机连续转矩能 力。 如图2 - 5 所示，感应电机启动时，启动转矩t a 大于堵转转矩，敲电机得以 平稳启动，随着电机滑差加速率的降低，转矩逐渐增大直至最大转矩值t m ，随 后，当滑差降低时，转矩随之下降至较小值( 在零点附近) ，此时电动叉车工 作在空载平地工况阶段。在t m 至0 值阶段，感应电机工作平稳；在t a 与t m 阶段。感应电机工作是不稳定的，叉车除启动外所有工况都不会在这个区间。 点 为感应电机的额定工作点，n 为癌应电机额定工作点转子的转速，n 。为此 时对应的定予磁场的转速，t n 为感应电机额定转矩。 图2 - 5感应电机的工作区间 图2 - 6 说明定子在电机全工作范围内电压，定子电流，滑差和电机转矩之 间的关系。在l 到2 倍基速范围，为了抵消磁场被削弱的影响，滑差被增加了。 在2 倍基速以上，滑差保持为常数同时电机转矩急剧地减小。 u 。f t 倍数 图2 6 定子电流、转子电压、滑差和转矩间的关系 电动叉车通常有两种型式的制动方式，即再生制动和反接制动。电动叉车 的制动状态的机电特性可以划区为三个区域。如图2 7 示，区域a 描述感应电 机的驱动工作状态；区域b 对应电机的再生发电状态，此时感应电机轴输入机 械能转变为电能，感应电机再生的电能经续流二极管全波整流后反馈给蓄电池； 区域c 对应反接制动状态。 转矩t 彳乱 。 耆1 多 li 滑 u 妙 图2 7感应电机的工作状态 1 2 在再生制动过程中，感应电机( 相当于发电机) 感应出磁通，在定子中产生 交流电压使电机驱动产生的制动转矩等于( 或大于) 感应电机驱动状态下的最大 转矩。 l 、出现再生制动状态通常有两种工况m 叫c 9 】： ( 1 ) 减速制动。当电动叉车以不同的速度运行时，当通过减小输入信号而使 电机减速时就会获得电机再生制动，图2 8 即为再生制动下感应电机的 机械特性曲线。当电机以转速1 1 。运转时，定子频率为f 。，负载转矩为t 。， 电机工作于第一象限点a 点( 曲线1 ) ，电磁转矩与负载转矩相平衡。减速 制动时，电动叉车的控制单元将会降低定子供电频率为f 。( f 。 n - 、 t 。 0 ，电机进入发电状态，在电磁转矩和负载转矩共同作用下沿f i 。 特性曲线减速。可根据需要不断降低定子供电频率，从而获得满意的减 速制动特性。 甜 霸 徐龛挚缎錾 ，么ry 氏。 裔k 彦7 。气 ( a 治 ，垃譬壹雌妇或， 图2 - 8再生制动下感应电机的机械特性曲线 ( 2 ) 恒速下坡制动。车辆下坡时，特别在长大坡道上，由于重力作用迫使 车辆加速，电机工作点沿着f l 机械特性曲线进入第四象限，电磁转矩为 负，电机为发电制动状态：直到电磁转矩与负载转矩相平衡的c 点，电 机处于新的稳定状态。 2 、反接制动是通过控制定子磁场的旋转方向与转子磁场的旋转方向相反来实现 的。电机正向旋转时，定子磁场超前于转子磁场，定子磁场拉动转子磁场以 同步转速旋转；当改变电源的相序时这就改变了旋转磁场的方向，电动机状 态下的机械特性曲线就由第一象限变成第二象限曲线，但由于机械惯性，而 转子磁场运行方向不能突变，系统的运行点平移至第三象限，电磁转矩由正 变负，滑差s 3 平地空载速度v o l k m ，h1 4 4 平地满载速度v 0 2 k m ，h13 传动效率t l0 0 8 8 蓄电池容量 a h7 5 0 平均工作时间 h8 工作电压 v4 8 3 2 表4 - 2 配套电机数据 项目代号单位数据 额定功率k w 4 5 额定电压 v4 8 额定转速 i l er p m 2 8 0 0 额定电流a 1 1 0 额定频率 h z9 5 工作制 s 2m i n6 0 s 37 0 功率因数c o sm 0 8 5 电机效率 r l 表4 - 3 相关电机数据表 l f s a r l f r e q s l i p lg i r lfcvl b a t ti m o tp rp 。1 3 a r tr e n ds 2s 3 5 83 9 。90 ，31 1 8 7。0 64 8 ，35 2 31 6 1 。0 2 9 2 5 25 1 。25 4 ，86 6 ，0 5 84 0 0o 。81 1 7 62 0 2 4 8 47 7 71 6 5 。2 。4 53 。7 66 5 。15 2 96 4 4 5 84 0 。01 。21 1 6 43 。0 8 4 8 ，41 0 6 。51 8 2 03 。6 95 。57 1 64 5 ，35 7 8 5 83 9 9 1 ，6 1 1 5 04 。0 64 8 ，4 1 3 5 + 62 0 2 。64 。7 96 。5 57 3 13 6 。44 9 2 5 83 9 92 。o1 1 3 75 d 54 8 。3 1 6 9 ，3 2 3 3 。65 。9 08 。1 77 2 1 2 3 ，93 4 9 5 83 9 ，93 o 1 1 06 ，口54 8 ，32 1 4 。2 2 7 9 。46 9 0 1 0 3 46 6 76 91 0 3 5 83 9 。93 。41 0 9 56 。4 1 4 8 32 3 4 23 0 d 。o7 2 1 3 16 3 。73 1 4 。4 5 83 9 ，93 。51 0 9 26 5 94 8 ，52 3 8 ，6 3 0 7 ，77 ，4 0 5 76 3 9 2 83 g 5 82 9 3 4 ，0 3 7 6 6 ，4 54 8 ，31 4 8 3 1 4 2 。05 。6 17 ，1 67 8 。46 3 ，97 2 8 5 81 2 9 。3 6 13 6 9 72 。0 24 8 ，42 0 8 。42 0 3 。37 6 9 o 0 97 6 。23 6 ，14 8 9 5 81 2 9 。39 o3 6 0 82 2 84 8 。22 5 8 。42 5 6 68 4 71 2 4 66 7 91 5 12 3 。2 5 81 4 4 ，61 。74 2 8 6o ，5 14 8 3 5 7 ，9 6 1 。0 2 。2 3 2 。8 07 9 。71 0 8 ，59 7 。9 5 81 4 4 ，1 2 0 4 2 8 40 。7 9 4 8 。4 8 5 ，28 3 93 ，4 84 ，1 3 8 4 2 9 4 89 1 4 5 81 4 4 。53 34 2 3 7t 0 24 8 41 1 0 。4 0 5 74 4 4 5 。3 48 3 8 2 68 4 9 5 81 4 4 1 5 。 4 1 7 6 2 74 8 + 41 3 7 。3 3 2 。25 。4 6 6 6 48 2 26 8 8 7 6 ，2 5 81 4 4 。35 54 1 6 41 5 54 8 ，41 7 0 。5 1 6 4 ，66 ，6 1 8 。2 68 0 15 3 16 4 。6 5 81 4 4 ，37 。34 1 0 8 7 74 8 ，22 0 6 2 2 0 2 。37 ，4 8 9 ，9 47 5 23 6 54 9 ，3 5 81 4 4 。2 43 9 8 72 0 44 8 ，62 4 9 。6 2 5 9 。98 3 8 2 1 26 9 。，1 3 。92 1 。4 一、 相关计算公式： 1 、叉车行驶速度的计算 v = 2 6 0 刀rt l e 1 0 3f m = d 3 7 7 r n e 砌 2 、折算到电机输出轴上的转速n d 的计算： t l d = j m 圪埘( 10 0 0 6 0 ) x d 其中a x 为最大行驶速度 3 、驱动电机功率的计