（机械电子工程专业论文）电动叉车行走电机系统运行效率优化控制研究.pdf

中南大学硕士学位论文摘要 摘要 由于叉车起动频繁，轻载工作时间较长，使电动叉车行走驱动电 机经常工作在非经济运行状态，效率低下。本文以中小功率异步电机 为研究对象，开展了异步电机效率优化控制研究。论文主要包括以下 几个方面： 总结了国内外叉车的发展趋势及电动叉车的发展现状，分析了电 动叉车行走系统和提升系统损耗组成。总结了常用的异步电机节能控 制方式的优缺点，结合损耗模型控制和最小功率搜索控制方式，提出 了基于模糊逻辑算法搜索最优励磁电流，控制电机运行在最小损耗 处。 针对常用的m a t l a b s i m u l i n k 模块库提供的电机模型不带铁损 的缺点，本文提出了一种在m 、t 坐标下计铁损的异步电机数学模型。 该模型符合电机的实际情况，简单、可靠、易于实现。建立了此电机 模型下的交流s v p w m 调速系统控制模型。 为了验证了本文建立的异步电机数学模型的准确性，实验测量了 电动叉车行走电机空载时的输入电流，转子角频率等数据。通过计算， 与仿真结果对比，两者基本吻合，说明本文建立的带铁损的异步电机 数学模型是准确的。测试了不同工况下电动叉车行走电机系统的效 率，为设计效率优化控制系统提供依据。 结合行走电机系统的特点，设计了基于模糊逻辑控制的异步电机 运行效率优化方案。通过调整输入输出的隶属度函数，解决了系统在 效率最优点处的振荡问题。设计的比例因子不需要通过仿真计算，可 以在线计算得到。通过计算机仿真研究分析，可以看出该方案通过模 糊控制可以很快地搜索到电机效率的最优点，动态响应较快，节能效 果较好。与实验对比，能明显地提高行走电机系统的效率。根据设计 方案，对模糊逻辑效率优化控制系统进行了软件设计。 关键词电动叉车，异步电机，效率优化控制，模糊控制 中南大学硕士学位论文a b s t r a c t a bs t r a c t d u et oh i g hs t a r tf r e q u e n c ya n d l o n g - t i m ew o r k i n gu n d e rl i g h tl o a d s t a t e ，e l e c t r i cf o r k l i f tt r u c k st r a c kd r i v i n gm o t o ra l w a y sf u n c t i o n si na n u n e c o n o m i c a la n di n e f f i c i e n tc o n d i t i o n s ，w h i c hw a s t e sal o to fb a r e r y e n e r g nd e d u c e dt h ei n t e g r a lp e r f o r m a n c e w i t ht h el o wo rm e d i u m ( a n d s u b - m e d i u m ) p o w e ra s y n c h r o n o u sm o t o ro fe l e c t r i cf o r k l i f tt r u c ka sa r e s e a r c ho b je c t ，t h es t u d yo no p t i m i z i n gd r i v i n gm o t o rw a sd o n ei nt h i s t h e s i s t h em a i nc o n t e n ta r ea sf o l l o w s ： t h ec u r r e n ts i t u a t i o na n df u t u r et e n d e n c yo ft h ed e v e l o p m e n to f e l e c t r i cf o r k l i f tt r u c ka th o m ea n da b r o a dw a ss u m m a r i z e d ，a n dt h e c o m p o n e n to ft h ee n e r g y c o n s u m p t i o no ft r a c ks y s t e ma n dp r o m o t i o n s y s t e m w e r e a n a l y s e d c o m p a r e dt o t h ec o n v e n t i o n a l e n e r g y s a v i n g m e t h o d so fa s y n c h r o n o u s m o t o r , i n t e g r a t i n gc o n s u m p t i o n m o d e l c o n t r o la n d m i n i 。m i 。z i 。n gp o w e rs e a r c h i n gs t r a t e g y , a r i t h m e t i c o f o p t i m i z i n ge x c i t a t i o nc u r r e n tu s i n gf u z z yl o g i cw a sb r o u g h tf o r w a r dt o c o m m a n dt h em o t o rw o r ku n d e rm i n i m a lc o n s u m p t i o ns t a t u s i na l l u s i o nt ot h em o t o rm o d e lb u i l ti nm a t l a b s i m u l i n ks o f t w a r e i g n o r i n gi r o nl o s s ，an e w 撕t hm o d e lw i t hi r o nl o s si nm - tc o o r d i n a t ei s p u tf o r w a r d i ti sm o r ei na c c o r dw i t ht h er e a ls t a t u s ，a n ds i m p l e r , m o r e r e l i a b l e ，a n de a s i e rt or e a l i z ea sw e l l u s i n gt h i sa cm o t o rm o d e l ，a m o d e lo fs p e e dc o n t r o ls y s t e mf o re l e c t r i cf o r k l i f tt r u c kd r i v i n gm o t o r , w h i c hi sb a s e do ns v p w m ，i se s t a b l i s h e d t ov e r i f yt h ea c c u r a c yo ft h em a t h e m a t i cm o d e lo ft h ei n d u c t i o n m o t o r , w em e a s u r e dt h ei n p u tc u r r e n t ，r o t o rf r e q u e n c ya n do t h e rd a t a so f t h et r a c km o t o r b yc o m p a r e dt ot h es i m u l a t i o nr e s u l t ，i ts h o w st h a tt h e m a t h e m a t i c a lm o d e lo ft h ei n d u c t i o nm o t o rw i t hi r o nl o s si sa c c u r a t e b y m e a s u r i n gt h ee f f i c i e n c yo ft h ed r i v i n gm o t o r , i tp r o v i d e saf o u n d a t i o nt o d e s i g nt h eo p t i m i z e de f f i c i e n c yo f t h ec o n t r o ls y s t e m t h eo p t i m i z i n gs t r a t e g yw i t hf u z z yl o g i cc o n t r o li na s y n c h r o n o u s m o t o rw a sd e s i g n e d b yc a l c u l a t i n gt h ep r o p o r t i o n a lp a r a m e t e ro n l i n ea n d c o o r d i n a t i n gf u z z ym e m b e r s h i pf u n c t i o n so fi n p u ta n do u t p u t ，t h es u r g i n g p r o b l e mo nt h ep o i n to fm a x i m u me f f i c i e n c yw a ss o l v e d w i t ht i l i s i i 中南大学硕士学位论文 ab s t r a c t m e t h o d s ，t h em a x i m u me f f i c i e n c yp o i n tw a sq u i c k l ys e a r c h e dw i t hg o o d d y n a m i cr e s p o n s ea n de n e r g y s a v i n ge f f e c t i na d d i t i o n ，t h es o f t w a r eo f f u z z yl o g i cc o n t r o lw a sd e s i g n e d k e yw o r d se l e c t r i cf o r k l i f tt r u c k ；a s y n c h r o n o u sm o t o r ；e f f i c i e n c y o p t i m i z m i o nc o n t r o l ；f u z z yl o g i cc o n t r o l i i i 1 1 叉车的发展趋势 第一章绪论 叉车作为一种重要的短途货物运输工具，在物料流通领域发挥了重要的作 用，以其灵活、机动的作业特点，在仓库间、仓库内的货物搬运过程中得到广泛 的应用n 一】。随着社会和科技的发展进步，人们对搬运工具的要求越来越高，希 望能完成更多复杂的任务；同时由于环境和能源问题越来越突出，促使叉车在其 控制和功能上在近年来取得了长足的进步，现正逐步向环保，高效，节能方面发 展，而电动叉车正是今后叉车的发展方向。 1 1 1 叉车在国外的发展趋势 叉车的产生时间比较悠久，上个世纪初( 1 9 1 7 年) 美国克拉克公司( c l a r k ) 发明 了世界上第一台用于货物搬运用的物流搬运车，它是现代叉车的先驱，从此造就 了全世界物料搬动产业的新时代。1 9 2 4 年，克拉克公司的工程技术人员在该发 明的基础上发明出真正具有由货叉搬动功能的内燃叉车。1 9 2 5 年，美国耶鲁首 次推出商业电池驱动叉车，此后由于蓄电池技术发展缓慢，加上石油工业的迅猛 发展，内燃叉车逐渐占主导地位。进入了8 0 年代以来，人们对环境和能源问题 日益重视，电动叉车再次成为研究和发展的热点。1 9 9 0 年，美国加利福尼亚州 空气资源局制定了汽车废气排放法律，规定到1 9 9 8 年，在加州销售的所有汽车 中的2 必须是零排放汽车( z e v ) ，到2 0 0 3 年，这一比例将达到1 0 。这一措施 使得世界上各主要车辆制造商对自己的电动车的研究和发展策略进行了调整，抓 紧上马电动车商业化发展项目，也促使了叉车产业由内燃叉车快速向电动叉车转 变。各国政府机构、科研单位以及相关的工业部门纷纷投以巨资进行电动车的研 发工作。据国外资料统计，2 0 0 7 年日本生产的叉车中电动叉车为5 7 9 5 5 台，内 燃叉车为1 1 3 7 1 4 台，电动叉车基本上占到产量的1 3 ；而在德国、意大利等一些 西欧国家，电动叉车所占的比重也达到8 0 左右。目前，国际上以林德和丰田两 家公司的叉车技术领先。叉车的设计也在向操作人性化、外观轿车化、产品专业 化，系列化，多样化、节能环保化、机电液一体化、智能化和集成化方向发展h ，刖。 用户的需求推动了技术的发展，而叉车制造业内部的竞争也越来越激烈，各企业 都在不断地进行技术改进，使叉车技术水平的发展越来越快。 1 1 2 叉车在国内的发展趋势 随着我国市场经济的发展，物流技术在经济中的地位和作用越来越显著。物 流领域的运输、配送、装卸、搬运等过程的效率如何，将直接影响到产品的综合 成本能否得到有效控制、能否实现成本的最小、物资和资金的周转能否灵活快速 以及能否有效的提高经济效益。生产过程中的每个进步都可能极大的提高生产效 率和降低生产成木，从而提高经济效益。在我国目前使用的叉车当中，大部分仍 为内燃叉车。内燃叉车由于具有功率大、行使速度快、爬坡能力强，、作业方便 等优点，很受现场作业的欢迎。但是，内燃叉车的配套的发动机水平良莠不齐， 噪声和尾气指标达不到排放标准。一方而，叉车的工作性质决定了叉车必须频繁 的进行低速行使，由于发动机低速运转，油料燃烧不充分，导致排烟过浓，尾气 排放超标。尾气中含有大量的一氧化碳、氮氢化合物、碳氢化合物、烃类等，可 使人致癌；另一方而，叉车发出的噪声还会损坏人们的听觉。科学家研究发现， 适合人体的声强范围是2 0 4 0 d b ，超过这一范围，长期下去将损坏人们的听觉， 并可能引起其他的神经系统疾病。内燃叉车引起的噪声强度为8 0 9 5 d b ，大大 超过了这一安全范围。电动叉车使用电能这一安全清洁的绿色能源作为动力，从 根本上解决了内燃叉车的尾气达标排放问题，用电动机代替噪声严重的内燃机， 大大降低了叉车造成的噪声污染。目前，在车间、仓库、食品、制药、微电子及 仪器仪表等对环境条件要求较高的场合得到了广泛的应用m 。 从1 9 9 9 年开始，国内叉车行业呈现出勃勃生机，持续高速增长，2 0 0 6 年的销量 达到十万多台，已是1 9 9 8 年的6 6 倍。在叉车销售中占绝对优势的是内燃平衡 重式叉车，但每年电动叉车却成近1 0 的速度增长，目前达到近1 5 。具英国 工程机械咨询公司预计我国叉车销量2 0 0 9 年将达到1 1 2 万台，其中9 万台内燃 叉车占8 0 4 ，2 2 万台电动叉车占1 9 6 t 3 3 , 2 0 0 7 年以来我国已经成为继美国之 后全球叉车产出第二大国嗣。 1 1 3 电动叉车的技术发展趋势 从叉车的驱动方式上可以把叉车分为内燃叉车和电动叉车，内燃叉车的功 率大，工作持续能力强，控制简单，但噪声大，存在尾气排放，对环境污染大； 电动叉车结构简单、操作方便、起步平稳、噪声小、对环境污染小，缺点是蓄电 池容量的限制，其驱动功率和起重量都比较小，作业速度低，对路面要求高憎1 ， 控制比较复杂。电动叉车按提升和驱动系统的电机种类又可分为直流电动叉车、 交直流电动叉车和全交流电动叉车。随着技术的不断进步，电动叉车主要朝大功 率、低污染、高效率方向发展。各生产厂家普遍将高新技术用于叉车，电动叉车 2 的使用和维护性能大大提高。现在s t i l l 公司j 下在批量生产的混合动力叉车， 具有环保、高效、节能、灵活的特点，也将是今后一段时间叉车技术发展的一个 方向。 随着交流电机控制技术的迅猛发展，加上交流电机具有维护简单，运行效 率高的特点，近期电动叉车大都朝全交流电动叉车发展。在电机选用方面，采用 的是鼠笼式异步电机或永磁同步电机；在交流调速方面，都采用现在通用的矢量 变频调速控制；在调速控制方而，普遍采用了功率m o s f e t 管( 绝缘栅型场效应 管) 和p w m ( 脉冲宽度调制) 技术，使叉车的调速性能大大提高；在制动方而， 普遍采用了回馈制动方式或回馈制动与反接制动相结合的方式( 速度高时回馈制 动，速度低时反接制动) ；在使用与维护方而，多采用人机交互的方式，即工作 时用液晶显示器显示当前的工作状态和故障状态，方便用户对叉车控制器参数进 行调整；在设计思想上，普遍采用模块化的设计思想，即把密切相关的一些功能 集中在某个功能块上，不同模块间协同工作，共同完成叉车的各项操作h 5 1 。 1 2 交流异步电机的应用 1 2 1异步电机应用现状 从理论到实践都证明异步电机的运行效率与负载率有着密切的关系，在异步 电机的实际运行中，由于电机产品安全系数选择过高，产品容量不连续等因素， 使电机的额定功率总是超过最大可能的峰值负载功率约1 3 左右，而峰值负载所 持续的时间又往往大大小于总运行时间，因此在生产生活中用的电机与功率需求 不配套，“大马拉小车 的现象比比皆是n0 。许多负载，如压缩机、真空机械、 电动车等，一旦电机转速达到稳定值后，电机只要提供较小的机械功率即能维持 系统稳定运行。此外如排风扇和和水泵用电机，在不同时间和季节，应用场合要 求不同的风量和风量，所以电机轻载运行的时间往往占它运行寿命的大部分。 为得到最好的动态响应，异步电机通常会要求在额定励磁下运行，而电机在 轻载时，这种运行模式会引起过度的电机铁芯损耗，严重影响传动系统的效率。 异步电机及其驱动系统是一个复杂的多元非线性函数，这使得效率优化策略的设 计及实现显得十分困难，目前在理论和实际中有很多人为此做各种各样的研究。 异步电机目前的应用范围越来越广，因此电机驱动系统效率优化更显意义突出。 一直以来，人们做了许多的工作来提高电机传动系统的效率n 仉。虽然采用 变频调速技术可取得明显的节能效果，是国家重点推广的节能项目。但由变频器 供电的电机系统效率依然有很大的改进空间，尤其是当系统处于轻载工作时，提 高电机系统的效率仍存在很大的潜力。 3 1 2 2 各类电机性能比较 在电动叉车驱动和提升动力的选择上，多年来，直流电一直是电动仓储搬运 设备的主要动力源，直流驱动作为一种较便宜的驱动方式在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， 目前基本上已经被交流电机、永磁同步电机所取代。各种电机性能比较如表1 1 所示n 2 1 。 表1 - 1 各种电机性能比较 、鬯祝 直流电机交流电机永磁同步电机 性能 寿命( 小时) ) 2 5 0 0 0 0) 5 0 0 0 0 0 0) 5 0 0 0 0 功率质量比 低中高 最高转速( r r a i n ) 6 0 0 02 0 0 0 01 0 0 0 0 过载能力 2 倍3 - 5 倍3 倍 电机效率 6 5 - 8 5 7 0 一9 0 9 2 9 7 坚 i l i i 性 差很好好 目前市场上的电动叉车主要有如下几种电机驱动，下面针对现有的几种电动 机作一个简单介绍。 1 、串励直流电动机 这是最传统的电动机，它的驱动系统调速方便，改变输入电压或电流就可以对 输出转矩实现独立的控制，进行平滑的调速。直流电机系统具有良好的动态性能 和调速特性，并且有成本低、技术成熟的优点。但其工作效率比较低，体积与质 量比较大，而且电流输送至电机炭刷及转子，并通过炭刷传到定子，限制了电机 的过载能力与速度的进一步提高。这种电流输送方式有三个缺陷：一是所有的电 流必须经由炭刷来输送，性能取决于炭刷的物理尺寸及磨损情况，最主要的是， 这一点限制了制动性能的发挥。二是电动机炭刷作为易损件必须定期更换，否则 会极大影响电动机寿命。三是损耗存在于转子上，使得散热困难，温度增高，限 制了电机转矩重量比的进一步提高。考虑到这一点，许多厂商都会在叉车上配 置侦测磨损并发出警告的装置，而这一装置增加了叉车的成本。由于直流电动机 工作时热量主要产生在电动机的内部部件，因此大多数的直流电动机都会同时配 备一个风扇用于散热。由于直流电机存在上述缺陷，因而在目前的电动叉车生产 中基本上没有了。 2 、他励直流电动机 这是一种较为先进的直流电动机，定子及电枢的能量分别输入。与串励电动 机相同，这种技术已应用了相当长的时间。它的调速系统简单，易于实现输入电 流与转矩的线性控制，进行平滑调速。新技术使用分开激发的并励磁场与电枢， 4 使电动机的性能控制比串励电动机要好得多。这种电动机通常被称为4 象限电动 机，因为它在前后两个方向都能行驶与刹车。然而，电动机炭刷的缺陷仍然存在。 由于成本较低，且国内的控制系统也比较成熟，目前叉车厂家仍有部分他励直流 电机驱动的叉车生产，如合叉、杭叉等国内知名厂家都有生产。 3 、永磁同步电机 永磁同步电机的优点是功率密度高、体积小、效率高，并且控制相对简单， 因而目前在一些电动汽车驱动系统中占有较重要的位置。由于永磁同步电机转子 为永磁体，无法调节其磁场的大小，必须通过调节定子电流，增加定子电流直轴 去磁分量来削弱磁场，但这样会增大定子的通电电流，增加系统的铜耗。同时， 永磁电机的磁钢价格较高，磁性能受温度振动等因素的影响，过载能力受控制器 限制。所以目前叉车生产厂家中还很少有用永磁同步电机做驱动电机的。 4 、三相交流电动机 技术上来说，这是结构最为简单的一种电动机。其原理是将三相交流电输送 给固定的线圈，产生旋转的磁场感应短接的转子上的电压。交流电动机没有电刷， 也没有直流电动机通常对最大电流方面的限制，这意味着电动机在实际使用中可 以得到更多的动能及更大的制动力，于是能以更快的速度运转。 交流电动机中，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。如果需要的话，转子可以被密封。交流电动机没有需定期更换的易损件，同 时，它比直流电动机上高效、耐久，成本也更低。 异步电机结构简单、坚固耐用、价格便宜、维护方便、容量较大，在工业生 产中应用极为广泛。过去异步电机通过调压、串电阻等方式调速，性能差、效率 低，近年来由于矢量控制和直接转矩控制等高性能变频调速方法的提出，异步电 机的调速性能也可以和直流电机一样优良，从而在许多应用场合下得到大力推 广，在高性能调速领域也大有取代直流调速系统之势。目前在电动叉车的驱动中， 异步电机也因其坚固耐用、结构简单而成为主流，特别是在欧美同系的电动叉车 中多倾向于使用异步电机，例如德国凯傲集团公司的l i n d e 叉车，日本丰田公司 生产的t o y o t a 叉车等各大生产厂家的叉车系列中都有采用异步电机作为驱动电 机的叉车，并且所占比重越来越大。但是异步电机的效率比永磁电机低，特别是 在低速运行时，效率更低；同时异步电机运行时的参数变化对其控制效果具有较 大影响，因此，有必要对异步电机的参数进行辨识，使电机具有良好的运行性能。 交流驱动系统因其在成本、可靠性、制造工艺等方面的优势和优良的性能， 是电动叉车的驱动系统的发展方向。而异步电动机驱动系统以其成熟的理论基础 和控制技术、高可靠性与效率、较好的性能，也将成为电动汽车驱动系统的主流。 5 1 2 3 交流异步电机在叉车上的应用要求 目前，异步电机由于体积小、运行效率高、维护简单等优点而在工业生产中 大量使用。电动叉车由于在工作中频繁起动、制动、叉货、提升等操作，对驱动 系统一般有如下的要求： 1 、电动叉车的驱动电机应具有瞬时功率大，过载能力强( 过载3 - - 4 倍) 、 加减速性能好，使用寿命长的特点。 2 、电动叉车的驱动电机应具有较宽的调速范围，包括恒转矩区和恒功率区。 在恒转矩区，要求低速运行时具有较大的转矩，以满足满载条件下起动和爬坡的 要求；在恒功率区，要求低转矩时具有较高的速度，以满足叉车在空载时平坦的 路面上以较高速度行驶，提高工作的效率。 3 、电动叉车的驱动电机应能在叉车减速时实现再生制动，将能量回收并反 馈回蓄电池，使叉车具有最佳能量的利用率。 4 、电动叉车的驱动电机应在整个运行范围内，具有高的效率，以提高一次 充电后的工作时间。同时还要求电机的可靠性好，能在较恶劣的环境下长期工作。 结构简单，噪声低，维修方便，价格便宜等。 1 3 异步电机节能控制发展概况 1 3 1 异步电机常用控制方法 异步电机控制方法有多种，目前应用最广泛的有矢量控制和直接转矩控制。 下面重点对这两点进行分析： l 、矢量控制 矢量控制是7 0 年代西门子工程师f b l a s c h k e 首先提出来的，其控制原理是通 过测量和控制异步电动机定子电流矢量，根据磁场定向原理分别对异步电动机的 励磁电流和转矩电流进行控制，从而达到控制异步电动机转矩的目的。具体是将 异步电动机的定子电流矢量分解为产生磁场的电流分量( 励磁电流) 和产生转矩 的电流分量( 转矩电流) 分别加以控制，并同时控制两分量间的幅值和相位，即 控制定子电流矢量，所以称这种控制方式称为矢量控制方式。矢量控制方式又有 基于转差频率控制的矢量控制方式、无速度传感器矢量控制方式和有速度传感器 的矢量控制方式等。 矢量控制方式控制的是转子磁链，对转矩的控制采用连续控制，平滑调节， 调速范围广。但控制比较复杂，受转子参数变化影响大。目前新型矢量控制通用 变频器中已经具备异步电机参数自动检测、自动辨识、自适应功能。新技术还包 6 括异步电动机控制常数的调节及与机械系统匹配的适应性控制等，以提高异步电 动机应用性能的技术。为了防止异步电动机转速偏差以及在低速区域获得较理想 的平滑转速，应用大规模集成电路并采用专用数字式自动电压调整( a v r ) 控制 技术的控制方式，己实用化并取得良好的效果。 2 、直接转矩控制 在8 0 年代中期，德国学者d e p e n b r o c k 教授提出直接转矩控制，其思路是把 电机和逆变器看成一个整体，采用空间电压矢量分析方法在定子坐标系进行磁 通、转矩计算，通过跟踪型p w m 逆变器的开关状态直接控制转矩。因此，无需 对定子电流进行解耦，免去矢量变换的复杂计算，控制结构简单。 直接转矩方式控制的是定子磁链，不受转子参数影响。对转矩采用砰砰控 制，避开了旋转坐标，但是有脉动。具有鲁棒性强、转矩动态响应速度快、控制 结构简单等优点，它在很大程度上解决了矢量控制中结构复杂、计算量大、对参 数变化敏感等问题。传统的直接转矩控制技术的主要问题是低速时转矩脉动大， 为了降低或消除低速时的转矩脉动，提高转速、转矩控制精度，扩大直接转矩控 制系统的调速范围，近些年来提出了许多新型的直接转矩控制系统。虽然这些新 型直接转矩控制技术在不同程度上改善了调速系统的低速性能，但是其低速性能 还是不能达到矢量控制的水平。 电动叉车由于要具有机动、灵活的特点，在低速时控制要精确，对行走电机 系统的低速性能要求比较高。所以目前电动叉车行走电机的调速系统一般采用矢 量控制，针对异步电机节能控制策略研究大部分也是在矢量控制下进行的。 1 3 2 异步电机节能控制方向 一般来说，异步电机在7 5 的负载率附近运行效率最高，但在工业生产中电 机常常处于轻载状态下运行。对电动叉车来说，其一个工作循环状态可分为叉货、 提升、行走、放货、返回，其中约有一半的时间是工作在空载时间里的，同时， 由于叉车电机的选用是按满载爬坡时的最大功率来选定的，所以电机工作时会常 在轻载条件下运行。若不采用有效的节能措施，电机的运行效率就会非常低下， 电能浪费会非常严重，严重影响叉车的技术性能指标。现代的交流变频调速系统 一般注重电机的动态性能，往往以动态响应、转矩控制等为目标，而没有考虑到 效率优化问题。因此，研究异步电机及其系统的节能问题，对电机在工业生产中 的应用起到非常重要的作用。 如何使得电机的运行效率最大，如何在保证动态性能的基础上使电机运行效 率最大，如何在最大效率下使电机的动态性能最好，一直是研究人员和工程人员 所关心的焦点问题。 7 目前电机系统的节能问题一般从几个方面入手，一是提高电机本体的效率， 如采用优良的材料或是新材料，优化电机结构设计，提高制造工艺；二是研究效 率最优的p w m 技术，改进逆变器的输出波形，降低谐波分量，以提高电机的功 率因数和运行效率；三是研究软开关技术，降低变频器自身的损耗；四是采用效 率优化的异步电机控制策略，减小电机运行时的无功功率。控制策略一般有基于 损耗模型的最优励磁控制策略、输入功率最小控制策略、简单状态控制法和定子 电流最小控制策略等n 驯。这些效率优化方法各具优势，又各有不足。模型损耗法 的发展方向是使控制器适用于更多的驱动系统，通过改进损耗模型使之适用于不 同工况和不同应用场合。搜索控制法的发展方向是减少搜索时间和转矩脉动，使 之适用于对动态性能要求更高的场合。简单状态控制法由于并未实现全局最优， 且大多数应用于标量控制系统，在当前矢量控制系统逐渐普及的情况下其应用领 域逐渐减小。如何在动、静态条件下均能使异步电机的效率达到最大程度的优化， 这也是今后效率优化控制策略发展方向的热点之一。随着节能与环保观念的日益 深入、电动叉车等对效率有更高要求的应用领域的不断发展，异步电机效率优化 必将有着广阔的应用前景。 1 4 课题的意义 电动叉车有一个很重要的指标就是工作时间，即电池一次充电后叉车的在额 定负载下的工作时间。一般情况下，如丰田7 f b 2 0 型交流电动叉车带4 5 0 a h 的 铅酸电池，能工作4 小时1 5 分钟，而国内一些叉车带同等容量的电池只能工作 3 小时。同样的工作时间，进口叉车和国产叉车比电池容量要小，电机工作电流 小，对电机损害较小，其使用寿命更长。所以要延长电动叉车的工作时间，一方 面开发高质量的新型电池是最根本的解决办法，而另一方面，在现有电池技术条 件下，降低电机驱动系统的损耗也是非常重要的一环。因此，研究异步电机驱动 系统效率优化控制对电动叉车意义重大，能够节约电池能量，并延长工作时间。 从电动叉车整机损耗中电机系统损耗所占比重来看，提高电机系统效率对整 机节能有着重要的意义。以丰田( t o y o t a ) 7 f b 2 0 型电动叉车为例，在载重2 吨的条件下进行提升实验，蓄电池的输出功率为1 0 8 k w ，控制器的输出为 1 0 k w ，电机的功率因数为0 8 。液压泵的效率一般为9 2 ，通过门架提升货物 速度为3 5 2 m m s ，需要功率为9 k w 。在叉车整个能量传递过程中损失的功率为 1 8 k w ，效率为8 3 3 。其中控制器和电机的能量损失较大，占整个能量损失近 7 0 。而国内的同类型的电动叉车，在同样的工况下效率只能达到7 0 左右。所 以，对电机系统效率优化控制研究有着重要的意义。 异步电机的效率优化控制对其它各控制领域的异步电机应用也有重大意义， 8 它不仅能够节约能源和优化装置自身的冷却设计，而且在控制环境污染方面也具 有广阔的前景。因此优化异步电机驱动系统的效率已是当今电气传动发展的一个 显著趋势，目前美国、日本、韩国和巴西等国的学者们正在积极进行这方面的研 究工作，取得了一定程度的进展，而我国在这方面的研究也已展开较多n 纠7 1 。显 而易见，这项研究工作不仅具有重要的理论价值，而且具有重大的经济价值和一 定的战略意义。 1 5课题所做的主要工作 本学位论文主要对电动叉车的损耗、异步电机的非线性问题、电机模型、节 能控制等三个方面对电机的效率优化进行了研究。主要内容包括：电动叉车驱动 系统的损耗分析、异步电机的非线性模型、最大效率运行控制策略、节能调速策 略的软件实现等。 各章节内容简单介绍如下： 第一章结合文献综述，阐述了叉车国内外发展的趋势，交流异步电机目前 的应用现状及其节能控制的研究发展概况和方向，阐述了本论文的研究意义。 第二章分析了电动叉车整机及其行走系统的损耗组成，介绍了目前交流调 速系统的一般方法，总结了当前异步电机驱动系统效率优化研究中各种控制策略 的优缺点，提出了采用模糊控制的基于损耗模型的在线最小功率搜索效率优化控 制算法。 第三章在分析异步电动机损耗特性的基础上，建立了带铁损的异步电机模 型及其控制系统模型，并在m a t l a b s i m u l i n k 下对其进行了仿真，证明模型的正 确性。 第四章通过实验验证异步电机模型的准确性。测量电动叉车驱动电机系统 在各种工况下的效率，为效率优化控制系统的建立提供依据。 第五章设计了基于模糊逻辑的电机效率优化控制系统，设计了模糊控制 器。在m a t l a b s i m u l i n k 下对控制系统进行了仿真，与实验得到的电动叉车行走 电机系统效率对比，验证了此效率优化方法的可行性。 第六章总结全文，对效率优化方案指出其存在的不足处，提出改进方案。 9 第二章异步电机驱动系统效率优化方法 2 。1 电动叉车工作损耗分析 电动叉车工作时的损耗一般包括机械系统损耗、液压系统损耗和电机驱动系 统损耗，对核定叉车的电机选型有着重要的作用；同时，通过实验测出各部分的 损耗，针对各部分进行效率优化，是叉车厂商改善叉车质量，提高叉车性价比的 重要措施。因此对叉车整机系统效率的分析非常重要。叉车一般分为两个部分， 一是行走系统，另一个是提升系统。典型的前伸式叉车使用时，所有能量消耗可 分为以下几部分： 5 0 用于行驶。 4 0 用于提升及门架与货叉的其他动作。 l o 用于转向、风扇等。 下面就对叉车的行走系统和提升系统的能量损耗进行分析。 2 1 1电动叉车提升系统效率分析 电动叉车的提升系统一般包括电源、提升电机控制器、提升电机、液压泵、 多路阀、液压油缸、门架组成，有的叉车泵电机还要带动转向系统。图2 1 是典 型的提升系统原理图。 图2 - 1电动叉车提升系统原理图 由上图可以看出，叉车提升系统的能量损耗主要集中在三个部分： l 、电气部分：包括电机控制器中逆变器直流变交流的效率损耗及电子元器 件发热损耗和交流异步电机本身工作时电能转换为机械能的损耗。 1 0 2 、液压部分：包括液压泵的损耗( 容积损耗和机械损耗) ，多路阀的泄露损 耗及液压油路中传递的损耗，油缸工作的损耗等。 3 、机械部分：包括门架系统的摩擦损耗，电动机带动液压泵连接的机械损 耗。 2 1 2电动叉车行走系统效率分析 电动叉车的行走部分结构比较简单，包括电机控制器、行走驱动电机、驱动 桥、车轮。图2 - 2 为典型的驱动系统原理图。 o n 厶 电 机 驱 控 一区卜 动 ) 制 器 桥 逆 变 器 图2 2电动叉车驱动系统原理图 由上图可以看出，叉车驱动系统的损耗主要集中在两个部分。 l 、电气部分：和提升系统一样，电气部分的损耗主要由电机控制器中逆变 器的损耗和电机工作中电能转为机械能的损耗。 2 、机械部分：主要包括驱动桥的机械传动损耗和叉车车轮与地面的磨擦损 耗。 电气部分的损耗与机械部分的损耗差不多，逆变器的转换效率9 0 ，电机的 工作效率为7 0 一9 0 。而机械损耗主要在传动箱的齿轮传动效率，一般在9 0 左右。所以要提高驱动系统效率，一方面要应用新的控制方法，提高逆变器和驱 动电机的效率；另一方面减小机械传动部分的机械损耗，提高叉车的性能，这也 是厂家节约成本，提高性价比的必要措施。 2 2 异步电机驱动系统损耗分析 异步电机驱动系统效率的含义是系统的输出功率与输入功率之比，而二者功 率之差为系统的损耗，在整个异步电机驱动系统输出功率不变的条件下( 电磁转 矩t c 和转子机械速度r 为常数) ，效率只与损耗相关，提高效率的唯一途径是 减少系统损耗。所以进行异步电机驱动系统效率优化研究，必须首先进行系统的 损耗研究与分析，驱动系统的效率优化控制也就是最小损耗控制。 由2 1 节知道，电动叉车是以车载电池储蓄的电能作为驱动能源，把电池所 储存的化学能变成叉车的动能。如果电池和传动机构一旦选定，其能量损耗基本 是不变的，这样逆变器和电机的效率优化就成为主要的研究对象。 2 2 1异步电机的功率分配 当异步电机带负载运行时，电机的输入功率p l 是由电源供给的，从定子绕 组输入到电机，p i 中的一部分功率消耗在定子电阻上以及定子铁芯中，分别定义 为定子铜损p 。吣和定子铁芯中的铁损p f 铭，余下的大部分电磁功率由气隙旋转磁 场经定子传送到转子，这部分功率就是异步电机的电磁功率p 。电磁功率p 。传 送到转子以后，在转子电阻上又消耗了转子铜损p 。，。在气隙旋转磁场传递电磁 功率的过程中，气隙磁场与转子铁芯存在着相对运动并切割转子铁芯，理应引起 转子铁芯损耗，但实际上由于异步电机在正常运行时，转差率很小，即气隙旋转 磁场与转子铁芯相对运动很小，以至转子铁芯中磁通变化频率很低，通常仅1 3 周秒，所以转子的铁损可以忽略不计。这样，从定子传送到转子的电磁功率扣 除转子铜损以后，便是使转子产生旋转运动的机械功率p m 。总机械功率减去电 机产生的机械损耗p 。和杂散损耗p 。，剩下的就是电机轴上输出的净机械功率 p 2 引。 如果异步电机的转差率较大，则应考虑转子铁损，铁损包括涡流损耗和磁滞 损耗两部分。铁芯中的涡流，除引起损耗之外，还与主磁场相作用产生制动转矩 和机械功率。转子铁芯内的磁滞现象也会形成微弱的磁滞转矩和机械功率。 杂散损耗p 。也产生附加阻力转矩而消耗电机的机械功率，p 。的大小与气隙 大小及一些工艺因素关系极大，难以准确计算。在小型异步电机中，满载时p 。 可达输出功率的1 3 ，或更大些；在大型异步电机中约为输出功率的0 5 。 2 2 2 异步电机损耗的具体组成 异步电机的损耗由四部分组成：定转子绕组中电流通过产生的铜损；定 转子铁芯中磁场产生的铁损( 包括磁滞和涡流损耗) ；气隙磁场高次谐波产生 的杂散损耗；由于风扇和轴承转动所引起的通风和摩擦损耗，又称机械损耗。 下面分别对各类损耗进行简单分析踟： 1 ) 铜损p 。u 如图2 3 为异步电机t 型等值电路，铜损由定子铜损和转子铜损两部分组成。 1 2 图2 - 3 异步电机t 型等值电路 其中： 墨定子电阻；五定子漏抗； 励磁电阻；瓦励磁电抗： z 转子漏抗；尼折算到定子回路的等效转子电阻； l ! 足反映转子输出功率的等效电阻；占转差率； s u 定子的相电压；定子电流； 厶定子的励磁电流分量；厶折算后的转子侧电流。 定子绕组铜损为 = 3 i ? r , ( 2 一1 ) 转子绕组铜损为 = 3 霹马 ( 2 - 2 ) 所以整个电机的铜损为 圪= 3 1 7 r i + 3 ，；心 ( 2 3 ) 由上式可以知道，随着电机输入电流的增大，电机的铜损会以快速增大。 2 ) 铁损p f c 铁损产生的原因是同于交变磁场在定、转子铁芯中产生磁滞及涡流损耗，其 大小分别为： 磁滞损耗： 只= 毛戚 ( 2 - 4 ) 涡流损耗： = 屯厂2 线2 ( 2 - 5 ) 式中毛、哎一一铁损系数；吃一一磁感应强度：f 一一交变频率。 工程计算中通常把它们合在一起称为铁芯损耗，用表示，即 = 圪+ = 毛醣+ k 2 f 2 磁 ( 2 6 ) 可以看出：磁感应强度如增大，铁损就相应地增大。在异步电机中，我们 通常控制磁链( 转子磁链或气隙磁链) ，而磁链是磁感应强度如对其穿越平面积 分的累积结果，所以可得出结论，磁感应强度既越大，磁链就越大，铁损也相 应越大。 由2 2 1 节的分析可知，转子的铁损由于转差率一般比较小，可以忽略不计， 则在工程计算中只计算定子铁损，在等值电路中，定子铁损为： = 3 巧( 2 7 ) 定子的铁损与定子中的励磁电流有关，与其成平方的关系，增大励磁电流， 则电机的铁损就会快速增大。 3 ) 机械损耗尼 机械损耗主要包括通风损耗和轴承摩擦损耗，通常可以f l ：l ( 2 8 ) 式表示： 晶：9 8 1 ( f q g + 堡) ( 2 - 8 ) 刁fq 其中，代表风扇有效压力；绞代表气体流量；j 7 f 代表风扇效率；w 代表 轴承承受负荷；，代表轴承线速度；代表摩擦系数。一般情况下，为了减少 电机的机械损耗，可以采用诸如改善风扇性能，改善通风条件及方式，选用低噪 音、高精度的电机专用轴承，提高电机装配质量等方法，另外电机在轻载低速运 行下也可减少机械损耗。 4 ) 杂散损耗尸。 电机的杂散损耗包括杂散铁损和杂散铜损，杂散损耗是由气隙谐波磁链相对 于定子和转子铁芯表面移动而在定子和转子铁芯表面产生的损耗，以及由于定、 转子间齿槽相对移动、磁阻变化使齿内磁链脉动而在齿中产生的损耗之和；杂散 铜耗是槽漏磁链引起导体中电流集肤效应而使等效电阻增加所产生的损耗。 对于常用的异步电机，可以从以下几方面减少杂散损耗： l 、合理的选择定子绕阻节矩，可以降低谐波产生的杂散损耗； 2 、每极每相槽数尽量选择大于或者等于3 ，这样可以减少奇次谐波分系数； 3 、对于励磁电流占比例不大的电机采用增大气隙的方法来减小气隙磁阻， 可以提高效率、减少电机定子绕组温升； 4 、高压电机采用磁性槽楔，可以减少气隙磁通脉动的幅值； 5 、斜槽电机采用转子槽绝缘，减少转子槽斜度，可以减少横向电流损耗； 6 、采用少槽、近槽配合，增大导条与铁芯的绝缘。 杂散损耗的建模和控制非常困难，也不易通过弱磁来控制，但弱磁可以减少 1 4 谐波电压，故杂散损耗也能间接地降低；在变频调速系统效率优化过程中一般不 以降低杂散损耗为研究目标。 5 ) 电机的效率特性 由上面分析可以得出电动机的输入输出功率及效率的计算方法。 电机输入功率： 昂= 3 u i i ic o s ( p ( 2 - 9 ) 电机总损耗： 另。= 只。+ 乞，+ 只+ 昂+ 只 ( 2 1 0 ) 输出功率： = 圪一 ( 2 11 ) 电机的效率： 踞专= 彘 仁 电机的功率因数： c o s c p 2 希 ( 2 - 1 3 ) 3 u i 异步电机的效率随输出功率p o u 。的变化而变化的曲线j 7 _ - 舻2 ) ，称为异步电 机的效率特性曲线。其公式为( 2 1 2 ) 所示。 假定电源电