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1、合肥工业大学硕士学位论文交流技术在电动叉车驱动系统的应用姓名:栾英申请学位级别:硕士专业:车辆工程指导教师:陈无畏20090601 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3-1ZAPI H2B控制器工作原理.19表4-I整车设计参数.32表4-2配套电机数据.33表4-3相关电机数据表.33表4-4感应电机在电动叉车不同工况下的性能.36表45CURTIS感应电机控制器1236&1238功能一览表。.36表46熔断器选型.40表51基本参数调节.:.44表52参数设置表.45表53电机驱动参数.47表5-4固有频率测试数据.48
2、表56以电机额定电流进行实验的数据.50表5-7车辆设计性能指标.52表58估算感应电机的电流.52表5-9性能试验数据.54表5一10设置加速器踏板制动强度的试验数据.56表511整车性能试验数据.57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
3、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
4、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
5、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 2009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20世纪50年代首部叉车面世以来, 直到70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30%-40%的速度持续增长,远 远超过了国民经济的增长速度。预
6、计到2010年中国叉车年产销量将超过12万 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、TCM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20位叉
7、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
8、量的比 例超过70%,在美洲,超过50%。目前国际蓄电池叉车的产量已占叉车总量的 40%左右,中国蓄电池叉车大约占市场份额的20%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
9、,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
10、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
11、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n1一、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
12、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 3、磁通给定控制器根据恒压频比控制设定电机在各种转速下的磁通量。二、矢量控制环:由于电机磁通依赖于电机速度,测量的电机速度用来决定最佳磁化磁通的 程度。矢量控制的M、T平面控制磁化电流和转矩产生电流彼此之间互相独立。 执行电流控制的软件能够补偿温度和相关的频率在电机绕组阻抗中的变化以及 在直流一电源电压的变化,因此可以在较宽范围的工作条件下提供精密的电机磁 通和转矩控制。在磁通控制中,电机转子磁通由磁化电流控制。电机从静止
13、到 基速范围内,磁化电流(转子磁通保持不变直到基速;在基速以上,磁化电流 减小。因为滑差增益与磁化电流成反比,滑差增益在基速以上被增加。三、功率转换元件通过电流控制计算需要的电机电压,然后该电压由SPWM-sym(对称正弦曲 线脉宽调制来实现。SPWM-sym块输出的是MOSFET门脉冲,驱动器输出的变量 频率与变量振幅的三相电流,由直流电源通过功率转换元件产生。在制动过程 中,从电机再生的能量被返回到蓄电池中。 所有功率元件安装并紧固到驱动 器散热器的表面上,通过检测和监控散热器温度和直流电源的电压来保护功率 元件。使用高效的MOSFET功率晶体管,功率转换元件由电流调节器提供的三个 PWM
14、(脉宽调制电流命令产生三个PWM电压并放大。这些PWM电压波形,施加 到定子电感后,在电机中产生电流,近似正弦波。利用转换角,将电流控制计 算的参考电压Ud和Uq转换成三相量。为了避免电机电流的干扰,进行死区补 偿。最后参考电压同三角参考波比较而交点给出开关时刻(图3-17。图3-17功率转换元件在基速以上,电机电压过高将发生过调制。这时在许多PWM开关周期过程 中参考电压在三角载波之上从而使逆变器的开关次数减少。过调制的应用将在 电流中增加谐波成分,主要是增加第五和第七次谐波。这将增加在电机上的谐 波损失。然而,由于可以产生较高的电压,总的损失将比没有应用过调制时低, 它是因为对于特定的转矩
15、需要较低的基电流,并且与增加的谐波损失相比,在 电机上的热损耗占主导地位。图3-18说明了无过调制和过调制的合成电流。测28量的工况是无负载的情况,此状态下只有磁化电流。因此过调制的谐波与基电 流相比是相当高的。相和B一之间的电压 相和B一之间的电压(a低速和无过调制 (b高速和过调制图318无过调制和过调制的合成电流3.4本章小结本章简要地介绍了电动叉车直流控制器调速的控制方法,并具体叙述了电 动叉车交流驱动系统的控制,主要介绍了当前应用于电动叉车交流驱动系统的 具体控制方式,分析了控制框图的各种模块。29第四章基于交流技术的电动叉车的驱动系统设计不同用户对整车的行驶性能要求不同:有的用户要
16、求整车具有良好的加速 和爬坡性能,有的用户要求整车行驶速度快,有的用户要求连续工作时间长, 即电机转矩能在较大范围内变化,转速也随着在较大范围内变化;转矩小时转 速高,转矩大时转速低,这些特性适应叉车行驶的要求,能随着行驶阻力的变 化而自动调节转矩和转速。通过选择不同的电机和减速箱速比,就可获得不同 的整车行驶性能,满足不同用户的要求。当设计一个车型,通常先确定整车的 行驶性能的主要性能指标,根据整车的最大爬坡度、附着率等技术参数选择计 算齿轮箱的速比,核算车辆运行的速度和扭矩后选取合适的感应电机,再匹配 的合适的控制器,以满足整车技术要求。4.1感应电机的选取no】c3阳电动机是电动叉车驱动
17、系统的心脏,其性能和效率直接影响整车的性能。 电动机的额定功率的合理性选取对于电动叉车的性能来说至关重要:若选小了, 容易使电机运行在过载工况下,这样将导致电机过热而损坏,无法承受冲击负 载或起动困难;若额定功率选择过大,则电机常常运行在欠载工况下,这样就 不能充分利用电机,效率较低,同样是一种浪费。同时,在电机的选配中要充 分考虑感应电机在不同运行区域(基频以上、基频以下的工作效率(如图4.1示。.1、一一一,_,一Jr|JI0 5 2黝 300036004000电机转速图41典型的感应电机的效率曲线30艰P嗡4.1.1感应电机选取规则为驱动系统选取一个合适的感应电机首先要确定以下几个信息:
18、蓄电池的 电压等级、所需感应电机的最大转速、基速下的最大扭矩、一个工作循环的电 机的平均功率、最大输出功率等,当计算扭矩和负荷时还应计算传动系统的效 率。如果系统是直流系统向交流系统的升级,则可以把直流电机相应的扭矩与 速度曲线作为选取的参考。1、电机的最大速度及最大速度下扭矩的确定,对应于整车空载平地运行的 工况。通过整车的速度设计值及电机与负载间的变速箱的传动速比来确定感应 电机的最大转速。大多数电机制造商生产的4极感应电机的额定同步转速为 1500rpm和1800rpm,此时感应电机的工作频率为50Hz和60Hz。感应电机 的最大转速受机械系统的限制,一般在4000rpm.6000rpm
19、。在感应电机的高速 区铁耗的增加也会限制电机的最大转速。同时电机速度编码器的允许频率也会 限制电机的最大转速。在感应电机的高速区,电机的扭矩会相应减小。如图42所示,当转速高于基速时,感应电机的最大扭矩下降。其计算公式如下:在恒功率区:卜自(4-1在高速区:卜奇(42所选取的感应电机的扭矩应大于系统计算所需最大转矩。赫3鹳糕 耋2叫 蒹瞄t 攮s 0| iI茂 l 恒功率区 |l高速区 I ; ; ;,额是 :转矩蠢。一蜀大转矩,. 。乙。,。. /_、 /|; ; jt -:、 :jk ; ; “。“气一 渊二?蕊, h“-一,-;曩囊51l石 225335l 4.5基数的倍数 图4-2典型
20、的感应电机的转矩特性2、连续工作状态下的额定功率,对应于整车满载平地运行的工况。3l感应电机连续工作状态下所需的功率取决于系统在此工况下电机的负荷。 利用60分钟工作制下的感应电机的最大相电流值来确定电机所需的额定功率。 我们所选取的感应电机的额定功率应高于计算的负荷值。3、静止到基速间的电机扭矩从静止到大于100%电机额定速度工作的能力意味着启动过程高转矩和高 速行走。计算系统的额定扭矩,应考虑系统需克服摩擦和重力,以及加速阻力 等动力因素。电机从静止直到达到额定转速,电机所能提供的最大扭矩应与堵 转扭矩大致相等。选取电机的堵转扭矩应大于系统所需的最大扭矩。4、系统的最大功率取决于最大扭矩,它决定了感应电机的最大电流。在选取电 机时应明确在S1,S2或S3工作制下的感应电机的性能曲线。4.1.2电机的选取实例以下以某公司某型号蓄电池叉车交流系统为例,具体讲述电机的选取。表41整车设计参数项目 代号 单位 数据前轮直径 d mm 458传动比 1-25.586整车自重 G Kg 3540负载 Q 2000滚动阻力系数 f 0.03空载爬坡度 a 116%满载爬坡度 a 212%爬坡速度 V03Km,h 3平地空载速度 Vol Km,h 14.4平地满载速度 V02Km,h 13传动效率 Tl0.88蓄电池容量 Ah 750平均工作时间 h 8工作电压 V 4832
