交流技術(shù)在電瓶叉車上的應(yīng)用

來源：許一平科賽物流系統(tǒng)設(shè)備有限公司 | 2005-09-04 14:03

摘要：
　　多年來，直流電一直是電動倉儲搬運(yùn)設(shè)備的主變動力源，直流驅(qū)動作為一種較便宜的驅(qū)動方式在很早以前就已在電動設(shè)備上廣泛應(yīng)用。然而，直流系統(tǒng)本身在性能、維修等方面存在一些固有的缺陷，而交流電及交流電動機(jī)在此方面較之遠(yuǎn)勝，因此番大室內(nèi)搬運(yùn)設(shè)備生產(chǎn)商都已開始致力于交流技術(shù)應(yīng)用的研發(fā)。

　　其實(shí)，自19世紀(jì)末，交流動力即已得到普遍的使用，亦正是交流電動機(jī)技術(shù)推動了工業(yè)、鐵路及其他領(lǐng)域的電氣化進(jìn)程。現(xiàn)在，應(yīng)用交流技術(shù)的電器產(chǎn)品已隨處可見，交流也許已成為得到最廣泛測試與驗(yàn)與驗(yàn)證的技術(shù)。
　　交流技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下方面：
　　l、高低電壓之間的轉(zhuǎn)換簡單。
　　2、電動機(jī)變?yōu)閺?qiáng)勁高效，并可經(jīng)受高電流的沖擊。
　　3、電動機(jī)的零件數(shù)量大大減少，并且無磨損，堅(jiān)固耐用。
　　4、相對直流電動機(jī)來說，成本降低顯著。
然而，交流電動機(jī)在以電瓶為動力的設(shè)備如叉車上應(yīng)用收到一定的限制，主要有兩個原因：80V的低系統(tǒng)電壓，需由高能半導(dǎo)體實(shí)現(xiàn)直流向交流的轉(zhuǎn)換，此項(xiàng)成本居高個下；轉(zhuǎn)換過程本身會消耗能量，而電瓶容量相當(dāng)有限。

　　BT公司現(xiàn)已開發(fā)出新型系列的交流動力前伸式叉車，命名為Reflex Aci。新系列叉車克服了以下問題，實(shí)現(xiàn)了交流技術(shù)的所有潛能，使叉車的操作成本降低，性能及可靠性顯著提高。
　　下面，我們針對現(xiàn)有的幾種電動機(jī)技術(shù)作一個簡單介紹。

串聯(lián)直流電動機(jī)
　　這是最古老、最傳統(tǒng)的電動機(jī)。電流輸送至電池及轉(zhuǎn)干，并通過炭刷傳到定子。這種方式有兩個缺陷：所有的電流必須經(jīng)由炭刷來輸送，性能取決于炭刷的物理尺寸及磨損情況。最主要的是，這一點(diǎn)限制了制動性能的發(fā)揮。另外，電動機(jī)炭刷作為易損件必須定期更換，否則會極大影響電動機(jī)壽命。考慮到這一點(diǎn)，許多廠商都會在叉車上配置偵測磨損并發(fā)出警告的裝置，這一裝置增加了叉車的成本。
所有的電動機(jī)都會發(fā)熱，但在直流電動機(jī)中，熱量主要產(chǎn)生在電動機(jī)的內(nèi)部部件，因此大多數(shù)的直流電動機(jī)都會同時配備一個風(fēng)扇用于散熱。
他勵電動機(jī)
　　這是一種較為先進(jìn)的直流電動機(jī)，定子及電樞的能量分別輸入。與串聯(lián)電動機(jī)相同，這種技術(shù)已應(yīng)用了相當(dāng)長的時間。新技術(shù)使用分開激發(fā)的并勵磁場與電樞，使電動機(jī)的性能控制比串聯(lián)電動機(jī)要好得多。這種電動機(jī)通常被稱為4象限電動機(jī)，因?yàn)樗谇昂髢蓚€方向都能行駛與剎車。
然而，電動機(jī)炭刷的缺陷仍然存在。
三相交流電動機(jī)
　　技術(shù)上來說，這是結(jié)構(gòu)最為簡單的一種電動機(jī)。其原理是將三相交流電輸送給固定的線圈，產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的磁場感應(yīng)短接的轉(zhuǎn)子上的電壓。
　　交流電動機(jī)沒有發(fā)刷，也沒有直流電動機(jī)通常對最大電流方面的限制，這意味著電動機(jī)在實(shí)際使用中可以得到更多的能生及更大的制動扭力，于是可以更快的速度運(yùn)轉(zhuǎn)。
交流電動機(jī)中，熱量主要發(fā)生在電動機(jī)外殼部分的固定子線圈，便于冷卻與散熱。如果需要的話，轉(zhuǎn)子可以被密封。交流電動機(jī)沒有需定期更換的易損件，同時，它比直流電動機(jī)上高效、耐久，成本也更低。
如前所述，電瓶設(shè)備如叉車應(yīng)用交流技術(shù)存在兩個問題：80V的低系統(tǒng)電壓及相應(yīng)較高的電流；直流交流轉(zhuǎn)換時的能量損耗。
　　盡管如此，交流動力在叉車上的應(yīng)用仍逐漸擴(kuò)大。但是大部分的廠商提供的交流動力叉車主要是用于防爆環(huán)境下的直流叉車的改型，價格相當(dāng)昂貴。BT的Reflex系列則不同，它不僅僅是采用了交流動力，而且應(yīng)用了系列全新設(shè)計(jì)理念，使交流技術(shù)的優(yōu)勢得到充分體現(xiàn)與發(fā)展。
　　要達(dá)到這一目的，首先要解決3個問題：
　　● 轉(zhuǎn)換能量損耗。
　　● 硬件成本。
　　● 低壓交流電動機(jī)的制造技術(shù)。

平衡能量損失
　　轉(zhuǎn)換能量損耗的解決辦法是將叉車視為一個完整的系統(tǒng)，而非僅關(guān)注于某個部件。最終歸結(jié)為使在流向交流轉(zhuǎn)換時的能量損耗等同于直流電動機(jī)炭刷部分的能量損耗（交流電動機(jī)沒有炭刷），這一過程通過先進(jìn)的電子系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)。

降低成本
　　接下的第二步是維持硬件部分的低成本、這一目標(biāo)最終通過廣泛的試驗(yàn)找到最佳類型及數(shù)量的半導(dǎo)體元件而得以實(shí)現(xiàn)，在此過程中電子元件價格的不斷下跌也有相當(dāng)幫助，同時證明了交流技術(shù)的戰(zhàn)略前景。
　　然而，最重要的因素還是整車設(shè)計(jì)都基于支流技術(shù)交流電動機(jī)的高制動扭矩是關(guān)鍵。實(shí)際上，交流電動機(jī)的制動能力是等同于其加速能力的。電氣制動可以通過改變行駛方向?qū)崿F(xiàn)。如果大要更強(qiáng)力的剎車，就必須使用傳統(tǒng)的剎車。通過對電動機(jī)尺寸的仔細(xì)研究，得到了比加速扭矩大得多的制動扭矩，使交流電動機(jī)的電氣制動效果要比直流電動機(jī)強(qiáng)很多。
　　高效的制動意味著傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)可被大大簡化、在BT的Reflex Aci中，普通的行車制動己被泊車制動替代。不論駕駛者通過剎車踏板剎車，還是轉(zhuǎn)換行駛方向剎車，電動機(jī)均會停轉(zhuǎn)并且產(chǎn)生類似發(fā)電機(jī)的作用。這意味著剎車襯的磨損降至最低。

交流電動機(jī)的結(jié)構(gòu)簡單，易損件數(shù)量明顯減少

驅(qū)動輪剎車部分零件也明顯減少，無液壓件，無剎車片

能量回收
　　如前文所述，交流電動機(jī)在行駛與制動上的效率都更高，剎車時，電動機(jī)反向轉(zhuǎn)動，也就是說交變電壓的頻率比轉(zhuǎn)子頻率低，并且電動機(jī)產(chǎn)生放電的作用。剎車越強(qiáng)烈，再生的能量越多。
一部叉車有兩個較大的電動機(jī)，一個用于行駛，一個用于提升。兩者都可產(chǎn)生能量再生。典型的前伸式叉車使用時，所有能量消耗可分為以下幾部分：
　　● 50％用于行駛。
　　● 4O%用于提升及門架與貨義的其他動作。
　　● 10%用于轉(zhuǎn)向、風(fēng)扇等。

　　荷載提升時，能量開始消耗，當(dāng)貨物隨貨叉下降時，能量得以回收利用，現(xiàn)場測試表明，負(fù)載提升時的能量消耗占總消耗的19％。
　　BT的Reflex Aci系列優(yōu)先考慮行駛部分的能量再生，因?yàn)檫@是能顯消耗最大的部分，并且無需增加系統(tǒng)的復(fù)雜性，即無需增加任何成本即可達(dá)到。由于其高制動扭矩，幾乎所有的制動方式均和產(chǎn)生能量所生。
　　在某些直流動力叉車上也有電氣再生制動，但必須在強(qiáng)烈的剎車時才可能發(fā)生，這也意味著再生的部分能量在剎車襯部分就轉(zhuǎn)化成了熱量。而幾乎在所有的狀況下，Reflex Aci均會產(chǎn)生能量再生，并且持續(xù)作用在直至叉車完全靜止。
　　有多少能量可以被回收實(shí)際上是無法計(jì)算的，它取決于不同的使用狀況，開始剎車時的速度等，一個較合理的數(shù)字是10%-15%，即叉車整體能量消耗的5％-7％。

提高性能
　　回收的能量如果不能合理利用，其益處是有限的。最簡單的做法是能是回充至上電瓶以延長使用時間。在Reflex Aci中， BT將這部分能量用于提高叉車的整體性能。其結(jié)果是最高速度提高了10％，更為明顯的作用體現(xiàn)在加速度上。
　　Reflex Aci達(dá)到最高速僅需15m，而直流叉車至少需要其兩倍以上的距離。研究表明，在大多數(shù)的實(shí)際使用中，叉車自啟動至停止的一次搬運(yùn)作業(yè)距離很少人于20m。僅有BT交流叉車優(yōu)秀的加速性使得在如此的短距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)全速運(yùn)轉(zhuǎn)成為可能。
　　綜上所述，交流技術(shù)在叉車上的應(yīng)用，使得叉車的性能整體提高，故障及事件更換率明顯降低，可靠性大大增強(qiáng)。在用戶端即體現(xiàn)為單位時間更高的生產(chǎn)力，更低的操作及維護(hù)成本。交流技術(shù)在電瓶叉車上被稱為未來的技術(shù)，必將得到越來越廣泛的運(yùn)用。

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