蓄電池叉車電控系統(tǒng)的發(fā)展

1、電動叉車驅(qū)動控制系統(tǒng)的發(fā)展?fàn)顩r概述 近年來隨著全社會環(huán)保意識的增強(qiáng)，電動叉車由于具有無污染、低噪聲等顯著優(yōu)點，得到了飛快的發(fā)展。國外市場特別是歐美發(fā)達(dá)國家，由于受環(huán)保法規(guī)影響，電動叉車的產(chǎn)量已占叉車總產(chǎn)量的40以上，日本電動叉車產(chǎn)量也已超過了叉車總量的13。在中國，電動叉車所占比例為20 左右，已突破原來只能用于小噸位作業(yè)的局限。但不容忽視的是，我國電動叉車生產(chǎn)尚處于起步階段，一直是我國工業(yè)車輛行業(yè)的弱項，特別是三電(電控、電機(jī)、電瓶)的落后狀況困擾著電動叉車的發(fā)展，國內(nèi)廠家的技術(shù)水平與產(chǎn)品質(zhì)量相對于國外先進(jìn)的工業(yè)車輛制造商尚有一定差距。電動叉車主要部分是電氣系統(tǒng)，統(tǒng)稱“三電” 即電控、電機(jī)，

2、電瓶，尤其是電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)，它的性能好壞將直接影響蓄電池叉車的質(zhì)量和性能。電動叉車驅(qū)動系統(tǒng)一般由電機(jī)、控制系統(tǒng)(包括電動機(jī)驅(qū)動器、調(diào)速控制器及各種傳感器)、機(jī)械傳動裝置等構(gòu)成。目前正在應(yīng)用或開發(fā)的電動車選用的驅(qū)動電機(jī)主要有直流電動機(jī)、交流電動機(jī)、永磁同步電動機(jī)、開關(guān)磁阻電動機(jī)四類，詳見表1。表1 電動車用電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)中選用的電機(jī)電機(jī)類型優(yōu)點缺點應(yīng)用前景直流電機(jī)它勵直流電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單, 具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性。(1) 有刷, 易產(chǎn)生電火花, 引起電磁干擾, 維護(hù)困難; (2) 價格高, 體積和重量大。比較于其它驅(qū)動系統(tǒng), 已處于劣勢, 處于被淘汰地位串勵直流電機(jī)交流感應(yīng)電動機(jī)( 1) 價格低;

3、(2) 易維護(hù); (3) 體積小控制裝置較復(fù)雜已成為目前多數(shù)驅(qū)動電動車的首選。永磁同步電動機(jī)無刷直流電動機(jī)(1) 控制器較簡單;(2) 效率高, 能量密度大。價格較貴。隨著稀土永磁材料的出現(xiàn), 這類電機(jī)有望與交流感應(yīng)電機(jī)爭奪市場。無刷交流電動機(jī)開關(guān)磁阻電動機(jī)(SRM )(1) 簡單可靠, 可調(diào)范圍寬, 效率高; (2) 控制靈活; (3) 成本低。(1) 轉(zhuǎn)矩波動大; (2) 噪聲大; (3)需要位置檢測器; (4) 系統(tǒng)具有非線性特性。目前應(yīng)用還受到限制。本文從驅(qū)動方面來討論控制系統(tǒng)的發(fā)展，可以分為三個階段，即串勵直流電動機(jī)控制系統(tǒng)、他勵直流電動機(jī)控制系統(tǒng)、交流電動機(jī)控制系統(tǒng)。串勵直流電動機(jī)

4、控制系統(tǒng)直流電動機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，具有優(yōu)良的電磁轉(zhuǎn)矩控制特性，所以直到20世紀(jì)80年代中期，它仍是國內(nèi)外的主要研發(fā)對象。而且，目前國內(nèi)用于電動叉車的絕大多數(shù)仍是串勵直流電動機(jī)。因為串勵直流電動機(jī)可以在低速時獲得較大的啟動轉(zhuǎn)矩，輕載時獲得較高的轉(zhuǎn)速，所以認(rèn)為串勵直流電動機(jī)的軟機(jī)械特性更符合電動叉車驅(qū)動的要求。2.1 串勵直流電動機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)展串勵直流電動機(jī)控制系統(tǒng)最初采用接觸器控制電阻進(jìn)行調(diào)速，是國外五、六十年代的產(chǎn)品。八十年代國內(nèi)有的廠家開始引進(jìn)應(yīng)用先進(jìn)的電子技術(shù)，采用可控硅脈沖斬波無級調(diào)速，如八十年代初南平叉車總廠、撫順叉車總廠吸收國外先進(jìn)技術(shù)，開發(fā)了可控硅脈沖無級調(diào)速裝置。其中長沙鐵道學(xué)院電子設(shè)

5、備廠DKM3型以及后來改進(jìn)的QBZ3-7型都采用了可控硅。由于目前國產(chǎn)可控硅調(diào)速系統(tǒng)、場效應(yīng)控制系統(tǒng)元器件質(zhì)量及結(jié)構(gòu)仍未過關(guān)，各整機(jī)廠很多采用美國GE可控硅調(diào)速系統(tǒng)EV100型。EV100型采用可編程控制系統(tǒng)，并配備電能再生制動器和隨機(jī)故障診斷系統(tǒng)等。國產(chǎn)牽引電機(jī)在過電流、過扭矩等性能上已接近國際水平，但在體積、重量等方面還有一定的差距，而且可供選用的電機(jī)品種規(guī)格較少，限制了電動叉車品種規(guī)格的發(fā)展。隨著電子元件的發(fā)展，八十年代出現(xiàn)的功率晶體管，可替代SCR可控硅斬波器，使控制板故障減少，維修更方便。采用微處理機(jī)接收的信號包括司機(jī)座開關(guān)、提升傾斜液壓油路、輔助液壓油路、行走電機(jī)控制和蓄電池電壓等

6、，經(jīng)微處理機(jī)計算和分析這些信號，然后指令叉車各個部件完成動作。如意大利薩牌公司的H系列和美國科蒂斯公司PMC系列調(diào)速控制器；瑞典卡爾瑪公司的小噸位蓄電池叉車采用可編程控制系統(tǒng)，主要作業(yè)都經(jīng)微機(jī)處理，電動系統(tǒng)始終保持在最佳工作狀態(tài)。 而且目前大噸位蓄電池叉車采用了轉(zhuǎn)向控制系統(tǒng)，例如日本輸送機(jī)公司對23噸的前移式蓄電池叉車作了改進(jìn)，轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)不再采用液壓控制，而采用傳感器和控制器控制轉(zhuǎn)向力，比液壓控制的轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)節(jié)約電池能量四分之一，同時省去了液壓管路，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，運行更加平穩(wěn)。斯蒂爾公司在蓄電池叉車上也用了新型電動轉(zhuǎn)向裝置，比較省力，動作準(zhǔn)確。因此，隨著電子技術(shù)的發(fā)展，電動叉車的電控也日趨完善。2

7、.2 電動機(jī)控制器的發(fā)展三個階段特點（1）電阻器啟動?？刂颇芰繐p失大，只可有限地分解速度。但其調(diào)速系統(tǒng)多用電阻調(diào)速方式。這種調(diào)速方式存在許多明顯的缺點：1耗能大、降低電瓶的使用壽命。2依靠繼電器接點改變電阻值達(dá)到調(diào)速，這樣繼電器接點經(jīng)常被強(qiáng)大的工作電流燒損，同時接點上產(chǎn)生的弧光又是火災(zāi)隱患。3由于變速級數(shù)只有四擋，叉車起動不穩(wěn)對機(jī)械傳動裝置沖擊力大，增加了機(jī)械維修量，也減少了機(jī)器的壽命。由于上述原因，國內(nèi)外不少單位都花費了大量的時問和經(jīng)費研究用電子調(diào)速裝置來代替電阻調(diào)速的方法，但這些產(chǎn)品在技術(shù)指標(biāo)和性能上都不盡人意。如有些產(chǎn)品結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計不合理，故障多，無保護(hù)電路，不能抗干擾。尤其在非常繁忙

8、的貨場，叉車使用條件復(fù)雜，工作環(huán)境惡劣，干擾因素多，連續(xù)工作時間長，使這些電子調(diào)速裝置在可靠性方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求。（2）晶閘管控制器控制。電子調(diào)速是靠晶閘管電路構(gòu)成的斬波器來控制電機(jī)電流達(dá)到調(diào)速的。晶閘管相當(dāng)于一個電子開關(guān)，與直流電機(jī)呈串聯(lián)連接。在控制電路的作用下，晶閘管有規(guī)律地導(dǎo)通和關(guān)斷，從而使流過晶閘管和電機(jī)的電流呈矩形波狀態(tài)(頻率一般可為幾十赫到幾百赫)。若改變電流矩形波的占空比，就可改變電流的平均值，從而改變了電機(jī)的轉(zhuǎn)速，這種電路結(jié)構(gòu)也稱為斬波器。那么如何絕對可靠地控制晶閘管規(guī)律性的導(dǎo)通與關(guān)斷，乃是整個調(diào)速系統(tǒng)中的關(guān)鍵所在。因為當(dāng)晶閘管應(yīng)該導(dǎo)通而電路不能控制其導(dǎo)通時，或?qū)l率不準(zhǔn)時，

9、必然使叉車不能正常運行或速度不穩(wěn)，更為嚴(yán)重的是在晶閘管應(yīng)該關(guān)斷而電路不能使其關(guān)斷時，電機(jī)電流會突然猛增，使叉車速度失控而致猛沖。這是很危險的。如果再沒有良好的電路保護(hù)系統(tǒng)，會導(dǎo)致晶閘管過流燒毀。在80年代早期出現(xiàn)了功率晶體管，它可以替代SCR可控硅斬波器。（3）MOS場效應(yīng)管控制器。門極驅(qū)動電流小，并聯(lián)控制特性好，正向電壓降較小，開關(guān)損失降低。由于減少了元器件，并采用全封閉裝置，可靠性大大提高。MOS管場效應(yīng)管的工作效率更高，允許的最高速度更大，操作噪聲更小，保護(hù)措施更強(qiáng)。晶體管斬波器的控制采用微處理器，除了可進(jìn)行性能參數(shù)設(shè)定、再生制動外，還設(shè)有過壓過流過熱等保護(hù)功能，并可進(jìn)行自我故障診斷和檢

10、測。新一代蓄電池叉車和牽引車上，就裝用了具有代表性的意大利薩牌公司的H系列和美國科蒂斯公司PMC系列調(diào)速控制器。他勵直流電動機(jī)控制系統(tǒng)他勵直流電動機(jī)及其控制器是上世紀(jì)末期逐步發(fā)展起來的。在此之前，蓄電池車輛上廣泛采用串勵直流電動機(jī)及電子控制斬波調(diào)速控制器。他勵直流電動機(jī)及其控制器對電動車輛的控制更加方便、可靠，技術(shù)更先進(jìn)，在中小型電動車輛上有很好的應(yīng)用前景。意大利薩牌（ZAPI）的SEM2 和SEM3、美國通用電氣（GE）的IC3546SR、科蒂斯（CURTIS）公司生產(chǎn)的PMC1243、PMC1244采用了他勵直流電動機(jī)控制器。3.1他勵直流電動機(jī)機(jī)械特性在對他勵電動機(jī)進(jìn)行斬波調(diào)速控制時，保

11、持電源電壓不變，均勻調(diào)節(jié)電動機(jī)兩端電壓，電動機(jī)的電樞電流變化，導(dǎo)致電磁轉(zhuǎn)矩變化。如果設(shè)計中保證電動機(jī)的調(diào)節(jié)特性覆蓋電動車輛的阻力轉(zhuǎn)矩，即電動機(jī)的起動轉(zhuǎn)矩大于阻力轉(zhuǎn)矩，他勵電動機(jī)就可很好地滿足電動車輛的驅(qū)動要求。但是實用的他勵直流電動機(jī)為防止磁路過飽和，磁場要加以特別設(shè)計，磁場繞組通過的電流遠(yuǎn)小于串勵電動機(jī)的磁場電流，磁場繞組的匝數(shù)多、導(dǎo)線截面積小，這樣可減少磁場部分的電能消耗。采用他勵的連接方式還可依據(jù)調(diào)速控制的需要，對磁場電流進(jìn)行調(diào)節(jié)。3.2他勵直流電動機(jī)控制系統(tǒng)的特點他勵直流電動機(jī)及其控制器可實現(xiàn)傳統(tǒng)串勵電控?zé)o法實現(xiàn)的坡道防下滑功能，電瓶、電機(jī)工作電流的脈動大大減少，空載和滿載均能實現(xiàn)最大

12、車速。他勵電控取消了3個接觸器(換向、旁路、再生)，見圖 從根本上解決了接觸器易拉弧、故障多的問題，大大減少了維護(hù)工作量，降低了使用維修費用。他勵電動機(jī)調(diào)速控制電路接通方向控制開關(guān)，通過控制器使VT1、VT3（或VT2、VT4）同時導(dǎo)通，即可改變車輛運行方向。依據(jù)調(diào)速踏板信號，通過控制器改變功率場效應(yīng)管VT5的相對導(dǎo)通率，即可實現(xiàn)車輛的調(diào)速控制。采用他勵電動機(jī)，實現(xiàn)再生制動控制也很方便。當(dāng)車輛需要減速時，抬起調(diào)速踏板，控制器將再生制動接觸器RB設(shè)為圖6所示狀態(tài)，電動機(jī)接成并勵直流發(fā)電機(jī)運行狀態(tài)，電樞在車輛動力帶動下旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，向蓄電池充電，實現(xiàn)制動能量的再生利用。再生制動時充電回路是

13、:電動機(jī)電樞下端續(xù)流二極管D主接觸器KM蓄電池組GB應(yīng)急電源開關(guān)K再生制動接觸器RB電動機(jī)電樞上端。交流電動機(jī)控制系統(tǒng)一直以來，交流電機(jī)及控制器多用于固定設(shè)備的驅(qū)動，2O世紀(jì)7O年代開始在歐洲和日本用于行走設(shè)備，后來用于電動車輛。交流電機(jī)及控制技術(shù)在歐洲和亞洲從研制到成熟經(jīng)過了約1O年時間，之所以得以迅速發(fā)展主要是因為交流控制器的快速發(fā)展使得控制器無論從尺寸到成本都有了較大幅度的降低，近幾年在美國也開始被廣泛認(rèn)可和使用。美國交流動力控制技術(shù)發(fā)展滯后的主要原因是因為電壓等級標(biāo)準(zhǔn)的不同，在歐洲和亞洲，普遍采用高電壓、低電流的電機(jī)及控制系統(tǒng)，而在美國，采用的是低電壓、高電流的電機(jī)及控制系統(tǒng)。美國的叉

14、車和電控開發(fā)部門就瓶頸問題展開了有針對性的研究，最終使交流動力系統(tǒng)叉車在美國得到了很好的發(fā)展，例如科蒂斯1234控制器。交流電機(jī)及控制系統(tǒng)被認(rèn)為是較高級的電動叉車技術(shù)特性之一， 目前世界上采用交流動力控制技術(shù)的叉車企業(yè)主要有豐田、BT、Raymond、永恒力和克拉克等公司。國內(nèi)的交流驅(qū)動系統(tǒng)叉車2003年才開始在我國銷售，迄今在這一技術(shù)領(lǐng)域我國尚處于起步階段。只有幾家主要的叉車企業(yè)使用丹納赫傳動公司提供的交流驅(qū)動系統(tǒng)生產(chǎn)電動叉車，其系列化產(chǎn)品正在開發(fā)試制中。例如，安徽合力股份有限公司采用丹納赫傳動(Danaher Motion)交流驅(qū)動系統(tǒng)的四輪15T全交流驅(qū)動叉車樣車已經(jīng)完成測試，開始批量生

15、產(chǎn)。4.1 AC交流驅(qū)動控制器的特點交流電機(jī)運用于叉車具有以下顯著特點：一是叉車運行速度高，工作裝置起升速度高；二是由于它采用高效控制器及具有再生制動功能，因此，比傳統(tǒng)叉車節(jié)能30以上；三是全封閉電機(jī)、軸承及多盤制動器免維護(hù)(無接觸器或碳刷)。交流電機(jī)的電壓有越來越高的發(fā)展趨勢，高電壓(728O V)已在歐洲開始使用。在高電壓下工作時，實際工作的電流很小，叉車在工作中發(fā)熱更少、效率更高，完全克服了直流電機(jī)產(chǎn)生熱量多、效率低下、維護(hù)頻繁的缺點。此外，AC交流控制器在低速時恒轉(zhuǎn)矩控制，高速時恒功率控制，在低速段有電壓補(bǔ)償功能，使得爬坡和起動性能更好，加之AC電機(jī)有速度反饋功能，因此操作靈敏度高，動

16、力控制精確。電機(jī)的特性可以通過改變?nèi)嘟涣麟姷恼也ǖ念l率而得到控制，使控制變得更為簡單，并且可以得到更寬范圍的調(diào)節(jié)。直流電機(jī)的特性由控制器的輸出電壓決定，所以當(dāng)蓄電池的電量不足時，電機(jī)輸出特性變差。而交流系統(tǒng)就不存在此問題，電機(jī)可以在變化的電流和頻率之間調(diào)節(jié)， 因而輸出的特性可以維持在良好的狀態(tài)，受電池電量的影響較小。因此使用交流系統(tǒng)在同樣的蓄電池容量下可以比直流電機(jī)的使用時間延長25，有效地提高了生產(chǎn)效率。4.2 AC交流驅(qū)動控制器的控制方式應(yīng)用于AC電動機(jī)的變頻控制技術(shù)主要有三種：轉(zhuǎn)差控制、矢量控制、V/F（電壓頻率）控制。現(xiàn)在異步電動機(jī)變頻調(diào)速主要以交一直一交電壓型逆變的電壓頻率比控制

17、方式為主，這種控制方式控制線路比較簡單，能使傳動系統(tǒng)處于某性能指標(biāo)或經(jīng)濟(jì)指標(biāo)最佳工況下運行。交流電機(jī)一般采用直流斬波器加逆變器和PWM (脈沖寬度調(diào)制) 逆變器兩種方式。PWM 逆變器又分電壓控制PWM 和電流控制PWM。對于交流電機(jī)來說, 由于電動叉車的電源(蓄電池) 電壓低, 采用直流斬波器加逆變器方式, 傳輸能量環(huán)節(jié)過多, 會降低整個系統(tǒng)的效率。而采用PWM電壓型逆變器, 則線路簡單、環(huán)節(jié)少、效率高。所以變頻器輸出電壓和頻率的控制一般采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）的方式。變頻器的逆變原理是通過改變脈沖寬度來控制輸出電壓，通過改變調(diào)制周期來控制輸出頻率，見圖。5、結(jié)束語通過對蓄電池機(jī)械的驅(qū)動控制系統(tǒng)的比較可見, 交流電機(jī)仍將是未來電動車電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)的首選, 其控制系統(tǒng)將隨著微電子技術(shù)、傳感技術(shù)、信息技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用,實現(xiàn)以微處理器為核心是未來叉車控制系統(tǒng)發(fā)展的主方向，即以微處理器為核心，控制由局部控制向網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，使整