交流技术在电瓶叉车上的应用

来源：许一平科赛物流系统设备有限公司 | 2005-09-04 14:03

摘要：
　　多年来，直流电一直是电动仓储搬运设备的主变动力源，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，而交流电及交流电动机在此方面较之远胜，因此番大室内搬运设备生产商都已开始致力于交流技术应用的研发。

　　其实，自19世纪末，交流动力即已得到普遍的使用，亦正是交流电动机技术推动了工业、铁路及其他领域的电气化进程。现在，应用交流技术的电器产品已随处可见，交流也许已成为得到最广泛测试与验与验证的技术。
　　交流技术的优点主要体现在以下方面：
　　l、高低电压之间的转换简单。
　　2、电动机变为强劲高效，并可经受高电流的冲击。
　　3、电动机的零件数量大大减少，并且无磨损，坚固耐用。
　　4、相对直流电动机来说，成本降低显著。
然而，交流电动机在以电瓶为动力的设备如叉车上应用收到一定的限制，主要有两个原因：80V的低系统电压，需由高能半导体实现直流向交流的转换，此项成本居高个下；转换过程本身会消耗能量，而电瓶容量相当有限。

　　BT公司现已开发出新型系列的交流动力前伸式叉车，命名为Reflex Aci。新系列叉车克服了以下问题，实现了交流技术的所有潜能，使叉车的操作成本降低，性能及可靠性显著提高。
　　下面，我们针对现有的几种电动机技术作一个简单介绍。

串联直流电动机
　　这是最古老、最传统的电动机。电流输送至电池及转干，并通过炭刷传到定子。这种方式有两个缺陷：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。另外，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。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，这一装置增加了叉车的成本。
所有的电动机都会发热，但在直流电动机中，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。
他励电动机
　　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。与串联电动机相同，这种技术已应用了相当长的时间。新技术使用分开激发的并励磁场与电枢，使电动机的性能控制比串联电动机要好得多。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。
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。
　　交流电动机没有发刷，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能生及更大的制动扭力，于是可以更快的速度运转。
交流电动机中，热量主要发生在电动机外壳部分的固定子线圈，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。
如前所述，电瓶设备如叉车应用交流技术存在两个问题：80V的低系统电压及相应较高的电流；直流交流转换时的能量损耗。
　　尽管如此，交流动力在叉车上的应用仍逐渐扩大。但是大部分的厂商提供的交流动力叉车主要是用于防爆环境下的直流叉车的改型，价格相当昂贵。BT的Reflex系列则不同，它不仅仅是采用了交流动力，而且应用了系列全新设计理念，使交流技术的优势得到充分体现与发展。
　　要达到这一目的，首先要解决3个问题：
　　● 转换能量损耗。
　　● 硬件成本。
　　● 低压交流电动机的制造技术。

平衡能量损失
　　转换能量损耗的解决办法是将叉车视为一个完整的系统，而非仅关注于某个部件。最终归结为使在流向交流转换时的能量损耗等同于直流电动机炭刷部分的能量损耗（交流电动机没有炭刷），这一过程通过先进的电子系统得以实现。

降低成本
　　接下的第二步是维持硬件部分的低成本、这一目标最终通过广泛的试验找到最佳类型及数量的半导体元件而得以实现，在此过程中电子元件价格的不断下跌也有相当帮助，同时证明了交流技术的战略前景。
　　然而，最重要的因素还是整车设计都基于支流技术交流电动机的高制动扭矩是关键。实际上，交流电动机的制动能力是等同于其加速能力的。电气制动可以通过改变行驶方向实现。如果大要更强力的刹车，就必须使用传统的刹车。通过对电动机尺寸的仔细研究，得到了比加速扭矩大得多的制动扭矩，使交流电动机的电气制动效果要比直流电动机强很多。
　　高效的制动意味着传统的制动系统可被大大简化、在BT的Reflex Aci中，普通的行车制动己被泊车制动替代。不论驾驶者通过刹车踏板刹车，还是转换行驶方向刹车，电动机均会停转并且产生类似发电机的作用。这意味着刹车衬的磨损降至最低。

交流电动机的结构简单，易损件数量明显减少

驱动轮刹车部分零件也明显减少，无液压件，无刹车片

能量回收
　　如前文所述，交流电动机在行驶与制动上的效率都更高，刹车时，电动机反向转动，也就是说交变电压的频率比转子频率低，并且电动机产生放电的作用。刹车越强烈，再生的能量越多。
一部叉车有两个较大的电动机，一个用于行驶，一个用于提升。两者都可产生能量再生。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：
　　● 50％用于行驶。
　　● 4O%用于提升及门架与货义的其他动作。
　　● 10%用于转向、风扇等。

　　荷载提升时，能量开始消耗，当货物随货叉下降时，能量得以回收利用，现场测试表明，负载提升时的能量消耗占总消耗的19％。
　　BT的Reflex Aci系列优先考虑行驶部分的能量再生，因为这是能显消耗最大的部分，并且无需增加系统的复杂性，即无需增加任何成本即可达到。由于其高制动扭矩，几乎所有的制动方式均和产生能量所生。
　　在某些直流动力叉车上也有电气再生制动，但必须在强烈的刹车时才可能发生，这也意味着再生的部分能量在刹车衬部分就转化成了热量。而几乎在所有的状况下，Reflex Aci均会产生能量再生，并且持续作用在直至叉车完全静止。
　　有多少能量可以被回收实际上是无法计算的，它取决于不同的使用状况，开始刹车时的速度等，一个较合理的数字是10%-15%，即叉车整体能量消耗的5％-7％。

提高性能
　　回收的能量如果不能合理利用，其益处是有限的。最简单的做法是能是回充至上电瓶以延长使用时间。在Reflex Aci中， BT将这部分能量用于提高叉车的整体性能。其结果是最高速度提高了10％，更为明显的作用体现在加速度上。
　　Reflex Aci达到最高速仅需15m，而直流叉车至少需要其两倍以上的距离。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人于20m。仅有BT交流叉车优秀的加速性使得在如此的短距离内实现全速运转成为可能。
　　综上所述，交流技术在叉车上的应用，使得叉车的性能整体提高，故障及事件更换率明显降低，可靠性大大增强。在用户端即体现为单位时间更高的生产力，更低的操作及维护成本。交流技术在电瓶叉车上被称为未来的技术，必将得到越来越广泛的运用。

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