交流驅(qū)動系統(tǒng)
——引領(lǐng)電動叉車技術(shù)革命
北京交通大學(xué)楊曉軍
被譽(yù)為“搬運(yùn)之神”的叉車在物流領(lǐng)域發(fā)揮著巨大作用。最近幾年,中國叉車銷售量年均增幅都在30%以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了國民經(jīng)濟(jì)的增長速度。中國已成為全球叉車市場上最為活躍的國家之一,受到世界的矚目。
雖然目前內(nèi)燃叉車仍占據(jù)國內(nèi)市場的主導(dǎo)地位,但隨著企業(yè)環(huán)保意識逐漸增強(qiáng),可靠性更高、更清潔的電動叉車得到了越來越多的企業(yè)的青睞。而以交流電機(jī)為核心的交流驅(qū)動系統(tǒng)更因其生產(chǎn)效率高、維護(hù)成本低而被業(yè)內(nèi)專家譽(yù)為21世紀(jì)電動叉車的革命性技術(shù)。全球十大叉車巨頭競相推出了性能更佳的交流驅(qū)動電動叉車,以豐富自己的產(chǎn)品,滿足用戶需求,贏得市場份額。國內(nèi)領(lǐng)先的叉車企業(yè)也開始致力于交流技術(shù)應(yīng)用方面的研發(fā),將新型交流驅(qū)動電動叉車作為參與國內(nèi)乃至全球市場競爭的制勝砝碼。隨著電動叉車在叉車市場中所占份額不斷攀升,交流驅(qū)動系統(tǒng)將引領(lǐng)新一輪電動叉車技術(shù)革命,給用戶帶來更高的生產(chǎn)效率、更低的使用成本和更舒適的駕駛體驗(yàn)。
一、電動叉車需求逐年上升,外資企業(yè)產(chǎn)品占據(jù)大部分市場份額
按照動力方式來分類,叉車可以分為內(nèi)燃叉車和電動叉車。電動叉車?yán)眯?a title="電池" target="_blank">電池作為動力源,使用時無尾氣排放,低噪聲,操作方便而靈巧,運(yùn)行平穩(wěn)。正是由于電動叉車具有上述特點(diǎn),國內(nèi)外用戶對電動叉車的需求量不斷增加,電動叉車在整個叉車銷量中所占比例穩(wěn)步上升(參見以下圖表)。尤其是在港口、倉庫以及煙草、食品、輕紡等行業(yè),電動叉車正在逐步替代內(nèi)燃叉車。
圖1日本叉車市場銷售情況(臺)
圖2日本內(nèi)燃叉車與電動叉車銷售對比圖
圖3歐洲內(nèi)燃叉車與電動叉車銷售對比圖(%)
自20世紀(jì)50年代首臺叉車面世以來,直到70年代叉車行業(yè)才初具規(guī)模。從叉車生產(chǎn)企業(yè)角度來看,當(dāng)前,我國內(nèi)燃叉車已形成以安徽叉車集團(tuán)公司、杭州叉車股份有限公司、大連叉車有限責(zé)任公司為骨干的企業(yè)群,2004年三家企業(yè)共銷售內(nèi)燃叉車34689臺,占全行業(yè)(包括獨(dú)、合資企業(yè))總產(chǎn)量46893臺的74%;電動車輛也已形成以安徽叉車集團(tuán)公司、杭州叉車股份有限公司、寶雞雙力叉車集團(tuán)公司、撫順叉車制造有限公司和衡陽電瓶車總廠為主的重點(diǎn)企業(yè)。
據(jù)統(tǒng)計2004年我國共銷售機(jī)動工業(yè)車輛59676臺,比上年的45482臺增長了31.2%。按驅(qū)動方式劃分,內(nèi)燃叉車銷量為46893臺,比上年的35616臺相比,增長了31.7%;電動叉車銷量12783臺,與上年的9866臺相比,增長了30%。下圖為我國內(nèi)燃叉車與電動叉車銷售構(gòu)成圖。
圖4中國內(nèi)燃叉車與電動叉車銷售對比圖
從產(chǎn)業(yè)周期的角度分析,發(fā)達(dá)國家的叉車產(chǎn)業(yè)已處于成熟期,而國內(nèi)叉車產(chǎn)業(yè)和叉車產(chǎn)品尚處于發(fā)展期。從市場需求來看,國內(nèi)叉車產(chǎn)品的使用范圍和數(shù)量還未得到充分拓展。今后幾年隨著世界制造業(yè)向中國轉(zhuǎn)移和國內(nèi)物流業(yè)的高速發(fā)展,中國叉車市場增長潛力巨大,未來三年內(nèi)年產(chǎn)量有望突破8萬臺,同時叉車行業(yè)將進(jìn)一步提高技術(shù)水平,逐漸與世界接軌。世界車市場上,電動叉車需求遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于內(nèi)燃叉車,這與全球重視環(huán)保的因素密切相關(guān)。隨著我國環(huán)保政策的出臺和全民環(huán)保意識的增強(qiáng),以及外資企業(yè)的大量進(jìn)入,我國也將順應(yīng)全球發(fā)展方向,電動叉車市場需求將迅速上升。
但不容忽視的是,我國電動叉車生產(chǎn)尚處起步階段,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。獨(dú)、合資企業(yè)在我國電動車輛領(lǐng)域仍然占有絕對優(yōu)勢,在產(chǎn)品的先進(jìn)性與可靠性等方面顯示出較大的優(yōu)越性。2004年,獨(dú)、合資企業(yè)在中國共銷售電動車輛7183臺,占全行業(yè)的一半以上。同時,從海關(guān)總署公布的2004年全年叉車進(jìn)口數(shù)據(jù)中可以看到,在高端市場仍進(jìn)口叉車為主流,2004年國內(nèi)進(jìn)口叉車中高端電動叉車的比例為62.49%,同比2003年數(shù)量增長了21.05%,說明國內(nèi)目前對高端電動叉車的需求大量增加,而現(xiàn)有的叉車企業(yè)又不能完全滿足市場需要。不僅如此,隨著國內(nèi)物流業(yè)的大力推進(jìn),大型集裝箱將會成為運(yùn)輸?shù)闹髁?,而集裝箱的搬運(yùn)、碼放將需要大量無污染、能舉高的電動叉車,這些都是叉車企業(yè)不能放棄的機(jī)會。因此,我國叉車企業(yè)要想在未來的市場競爭中取得優(yōu)勢,應(yīng)當(dāng)加快電動叉車的研發(fā),通過采用世界領(lǐng)先技術(shù)提高產(chǎn)品品質(zhì),以一流的產(chǎn)品贏得更多的客戶。
二、用交流驅(qū)動系統(tǒng)的叉車優(yōu)勢明顯
近年來,隨著交流感應(yīng)電機(jī)變頻技術(shù)的進(jìn)步,以及大功率半導(dǎo)體器件和微處理器速度的大幅度提高,使感應(yīng)電機(jī)交流驅(qū)動系統(tǒng)與直流電機(jī)驅(qū)動系統(tǒng)相比,具有效率高、體積小、質(zhì)量小、結(jié)構(gòu)簡單、免維護(hù)、易于冷卻和壽命長等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)調(diào)速范圍寬,而且能實(shí)現(xiàn)低速恒轉(zhuǎn)矩、高速恒功率運(yùn)轉(zhuǎn),很好地滿足了電動車輛實(shí)際行駛所需的轉(zhuǎn)速特性??梢哉f,正是半導(dǎo)體技術(shù)的突飛猛進(jìn)催生了交流電機(jī)的技術(shù)革命,使交流電機(jī)的控制能力大大增強(qiáng);而且隨著電子元件價格的不斷下跌,交流電機(jī)控制器的成本得以降低,從而為交流驅(qū)動系統(tǒng)的大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ),創(chuàng)造了條件。
采用交流驅(qū)動系統(tǒng)的叉車,整體性能顯著提高,故障及元件更換率明顯降低,可靠性大大增強(qiáng);叉車單位時間的生產(chǎn)率更高,操作及維護(hù)成本更低,將給用戶帶來非常顯著的效益。因此,交流驅(qū)動系統(tǒng)一經(jīng)推出,不僅得到了叉車生產(chǎn)企業(yè)的信賴,也越來越受到用戶的青睞,成為近年來電動叉車技術(shù)發(fā)展的趨勢與方向。其優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下方面:
交流電機(jī)終生免維護(hù)。
交流電機(jī)無需換向接觸器(前進(jìn)、后退換向),節(jié)省了部件。更為重要的是,交流電機(jī)無碳刷和換向器,不僅電機(jī)的體積更加輕便小巧,運(yùn)轉(zhuǎn)速度提高了,而且徹底擺脫了定期檢測和更換碳刷的麻煩。由此帶來的最大好處是:叉車電機(jī)幾乎終生不需要維護(hù),極大地增強(qiáng)了叉車的可靠性與穩(wěn)定性;同時,在叉車設(shè)計時不用考慮預(yù)留電機(jī)維修空間,甚至可以將電機(jī)密封起來,使叉車結(jié)構(gòu)設(shè)計更加緊湊。
圖片說明:采用交流驅(qū)動系統(tǒng)的豐田叉車維護(hù)費(fèi)用大大降低(DC代表直流電)
采用再生制動,減少機(jī)械磨損。
再生制動是一種非接觸性制動,比傳統(tǒng)的制動系統(tǒng)大大簡化。不論駕駛者通過踩剎車踏板剎車,還是轉(zhuǎn)換行駛方向剎車,電動機(jī)均會處于發(fā)電機(jī)狀態(tài),其電磁轉(zhuǎn)矩將成為制動性質(zhì)的轉(zhuǎn)矩。這意味著剎車片的磨損降至最低。而機(jī)械磨損大大下降,也就減少了叉車維護(hù)費(fèi)用,使運(yùn)行成本更低。
同時,交流電動機(jī)在行駛與制動上的效率都更高。剎車或換向時,會有再生能量產(chǎn)生。剎車越強(qiáng)烈,再生的能量越多。交流驅(qū)動系統(tǒng)的蓄能裝置則會在剎車或換向時自動啟動,將能量回送給蓄電池,使電池工作時間延長,壽命也更長。雖然某些直流驅(qū)動叉車上也有再生制動,但必須在強(qiáng)烈的剎車時才能啟用,這也意味著再生的部分能量在剎車時轉(zhuǎn)化成了熱量。而幾乎在所有的情況下,交流電機(jī)均會產(chǎn)生能量再生,并且持續(xù)作用直至叉車完全靜止,顯然比直流電機(jī)的能量再生效率更高。
2.生產(chǎn)效率提高。
交流電機(jī)最高轉(zhuǎn)速比直流電機(jī)提高很多,動力更強(qiáng)勁。而且,交流電機(jī)可以將獲得的再生能量回饋給蓄電池,既延長了電池的使用時間,又可以將這些能量用于提高叉車的整體性能。其結(jié)果是叉車在行駛中啟動更快,加速/減速性能大大提高,縮短了達(dá)到最高速度的時間與行走距離。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)距離很少長于20m。而交流電機(jī)優(yōu)秀的加速性能使得在如此短的距離內(nèi)實(shí)現(xiàn)叉車全速運(yùn)轉(zhuǎn)成為可能,叉車的工作效率顯著提高。
3.易于編程,控制能力大大增強(qiáng)。
隨著半導(dǎo)體技術(shù)的飛速發(fā)展,變頻調(diào)速技術(shù)取得了突破性發(fā)展,可以實(shí)時控制交流電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn),使交流電機(jī)的控制能力大大增強(qiáng),獲得了同直流電機(jī)一樣的調(diào)速性能。交流驅(qū)動采用速度力矩控制,控制的靈敏度提高,可以提高叉車操作效率;采用加速踏板釋放制動功能(即叉車行走時油門稍一松,再生制動就會起作用),前進(jìn)過程中換向?yàn)榈管嚂r可以平穩(wěn)過渡,提高了叉車的穩(wěn)定性與可靠性。同時采用CAN總線,分布式節(jié)點(diǎn)不受安裝位置的限制;模塊化結(jié)構(gòu),系統(tǒng)拓展容易,可實(shí)現(xiàn)功能特性的無縫添加或修改;實(shí)現(xiàn)了總線接口標(biāo)準(zhǔn)化,使系統(tǒng)集成更簡單,單元設(shè)計更靈活。
4.叉車操作更加舒適。
交流驅(qū)動系統(tǒng)在提高叉車駕駛員操作舒適方面所起到的作用與眾不同。由于交流電機(jī)比直流電機(jī)小巧輕便,這使得叉車的設(shè)計相對更靈活。例如,利用這一靈活性,豐田叉車公司采用獨(dú)特的低重心設(shè)計,從而開發(fā)出駕駛舒適、性能優(yōu)越的7FB系列電動叉車。
下表以德國永恒力(Jungheinrich)電動平衡重叉車為例,對配備交流電機(jī)與直流電機(jī)這兩種不同驅(qū)動系統(tǒng)的同型號叉車的差異性(維護(hù)成本、效率比較與其它)的比較。
交流電機(jī)(AC)與直流電機(jī)(DC)
維護(hù)成本(以5年使用為例)
零件與服務(wù)費(fèi)用 |
直流電機(jī) |
交流電機(jī) |
更換驅(qū)動馬達(dá)上的碳刷 |
3 x = EUR 950 |
無 |
驅(qū)動馬達(dá)的維修保養(yǎng)費(fèi)用 |
EUR 1,125 |
無 |
驅(qū)動馬達(dá)上的整流子 |
1 x = EUR 300 |
無 |
更換提升馬達(dá)上的碳刷 |
3 x = EUR 980 |
無 |
提升馬達(dá)上的整流子 |
1 x = EUR 100 |
無 |
更換接觸器 |
2 x = EUR 920 |
無 |
總費(fèi)用 |
EUR 4,375 |
無 |
效率比較(以Jungheinrich電動平衡重叉車為例)
行駛速度(滿載) |
17 km/h |
15 km/h |
+ 13% |
提升速度(空載) |
0.56 m/s |
0.48 m/s |
+ 16% |
提升速度(滿載) |
0.40 m/s |
0.36 m/s |
+ 11% |
加速度(空載) |
3.5 s |
3.8 s |
- 7% |
加速度(滿載) |
4.0 s |
4.5 s |
- 11% |
最大爬坡性能(空載) |
35% |
28% |
+ 25% |
最大爬坡性能(滿載) |
24% |
17% |
+ 41% |
剎車時能量回充效率 |
30% |
15% |
+ 100% |
每小時運(yùn)搬量 (L:100m,H:3m) |
52 Pallet |
39 Pallet |
+ 33% |
其他比較(以Jungheinrich電動平衡重叉車為例)
|
EFG-Vac 20(交流) |
EFG-V 20(直流) |
內(nèi)部環(huán)境 |
無碳刷磨損產(chǎn)生的粉塵,內(nèi)部環(huán)境清潔,延長整體電氣部分壽命。 |
碳刷磨損易產(chǎn)生粉塵,過度磨損將直接燒毀馬達(dá)。 |
馬達(dá) |
馬達(dá)為密閉結(jié)構(gòu),防塵防潮。運(yùn)轉(zhuǎn)時熱量產(chǎn)生在外殼部分,散熱快,利于長時間連續(xù)作業(yè)。 |
馬達(dá)為非密閉設(shè)計。熱量產(chǎn)生在馬達(dá)內(nèi)部,散熱較慢,不利于長時間在高溫下持續(xù)作業(yè)。 |
能量回充 |
剎車時能量回充效率將近30%,極大提高電瓶連續(xù)使用時間,延長電瓶壽命。 |
剎車時能量回充約15%。 |
2021-10-26 08:46
2021-09-25 08:59
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2021-08-27 10:03
2021-08-26 13:38
2021-08-23 08:52
2021-08-20 08:55
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