带蓄能器的变频电动叉车举升系统的节能研究（可编辑）

带蓄能器的变频电动叉车举升系统的节能研究（可编辑） 带蓄能器的变频电动叉车举升系统的节能研究 分类号 密级 编号 午初大学 硕士学位论文 带蓄能器的变频电动叉车 论文题目 举升系统节能研究 学科、专业 垫丛皇量墨猩 陈丽伟 研究生姓名 导师姓名及 朱建新研究员 专业技术职务原创性声明 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 作及取得的研究成果。尽我所知,除了论文中特别加以标注和致谢 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 含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 期: 型年』月土日 作者签名:盈豳南 关于学位论文使用授权说明 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定,即:学校 有权保留学位论文,允许学位论文被查阅和借阅;学校可以公布学位 论文的全部或部分内容,可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论 文;学校可根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文。摘要 随着经济的发展,近几年全球叉车需求量持续增长。电动叉车是 叉车的一大种类,由于其用蓄电池作为动力源,无尾气排放,低噪声, 操作方便灵巧,运行平稳,因而成为未来的发展趋势。在当前能源和 环境危机日益严重情况下,随着世界叉车保有量的迅速增大,因而研 究节能型电动叉车具有巨大的市场价值和现实的社会效益,现已成为 中国及世界叉车工业技术开发的新热点。较大的能耗与下行时负载势 能浪费及其导致的油液温升一直是困扰电动叉车起升电液系统的主 要难题,论文结合山河智能节能型电动叉车研发项目,对电动叉车举 升系统进行节能研究,主要内容如下: 电动叉车及其节能技术的研究发展状况,提出了交流变频控 制技术和皮囊式蓄能器回收势能技术,并在此基础上进行系统理 论与技术应用研究。 分析变频调速技术应用于叉车电液系统的节能原理。根据电动叉 车的负载转矩特性,对转速闭环、磁通开环转差频率矢量变频调速技 术在叉车电液控制系统的应用及节能原理进行研究分析。 利用蓄能器作为叉车负载下降时的势能进行存储,并将其连接在 泵的入口处,再次举升时把能量释放,减小泵的进出口压力差来实施 节能,这是本课题的创新之处。根据目前电动叉车的吨位特点,在蓄 能器选型、系统理论能耗计算的基础上,建立电动叉车液压起升系统 的仿真模型,并对其进行计算机仿真分析,研究参数变化对系统节能 的影响,为合理的选择节能系统元件参数提供了理论依据。并结合 /建立的异步电机矢量变频调速电控系统模型,进 行联合仿真,对比分析系统节能情况。 最后,以一型叉车为平台,进行了与仿真过程相对应 的试验,验证所建模型和仿真研究的正确性。通过本文研究,探讨带 蓄能器的变频电动叉车举升系统节能原理及其实现的,为节能型 叉车的开发应用提供了理论依据。 关键诃电动叉车,节能,变频控制,皮囊式蓄能器,’. , , ,. ,, , ’ , . , , ’ . ’ : ? ., . .. ., , ’ ? .,, , ?, . , ., ?. ? , ,. 一 一 , ’ . ’ 行 ? . . ?, ,?,丘 目录 要??. 摘??.. 第一章绪论?. .引言 ..电动叉车在国外的发展概况??.. ..电动叉车在国内的发展概况 .课题研究与应用状况?.. ..电动叉车节能技术研究现状 ..变频调速节能技术的研究与应用? ..蓄能器节能技术的研究与应用?.. .课题的意义和背景??。 .本课题所做的主要工作. 第二章矢量控制变频调速电液系统节能控制原理分析? .变频调速节能技术的简介..变频控制技术的基本原理 ..变频调速常用控制策略? .变频调速电液系统的原理和节能分析 ..电动叉车负载转矩特性分析??. ..流量调节方案的节能对比 .异步电动机转差频率型矢量控制..电压方程? ..磁链方程? ..运动和转矩方程..交流电动叉车泵电机转差频率型矢量控制结构原理? .本章小结 第三章 液压系统节能方案研究?. .电动叉车举升系统工况分析? .液压系统势能回收方案分析? ..电动机能量回馈式原理分析??.. 土.蓄能器回收势能方案的工作原理及设计. .起升机构的参数、运动和受力分析? ..技术参数? ..运动和受力分析?.. .蓄能器的选型分析..蓄能器的分类??. ..蓄能器的工作过程分析? ..蓄能器选型计算? .系统分析 .本章小结 第四章蓄能器回收势能节能系统的建模仿真研究 . 软件介绍??. .基于的蓄能器回收势能系统的仿真模型建立?. ..蓄能器回收势能节能系统的仿真模型? ..仿真模型参救设置 .仿真结果及分析 ..节能系统动态响应仿真研究??. ..不同负载下系统节能研究. ..负载任意下降高度系统节能研究. .蓄能器参数选择对系统节能的影响? ..初始压力大小的影响..初始容积大小的影响??.. .本章小结:. 第五章节能系统的电液联合仿真研究. 与联合仿真的意义 .. /介绍??.. ..联合仿真实验的目的和意义??.. .矢量控制变频调速系统的建模 ..矢量控制器的建模 ..其它模块模型.电液系统的联合仿真研究??.. .本章小结.. 第六章实验研究与验证.实验目的和内容 .实验条件 ..电动叉车? ..蓄能器的选用??广 ..齿轮马达? ..换向阀和单向阀? ..电控叉车功率测试平台? .实验过程及结果分析? .本章小结 第七章与展望? .全文总结 .工作展望 附录各参数与蓄能器蓄能关系曲线代码. 参考文献? 致 谢 攻读学位期间的主要研究成果??.第一章绪论 .引言 被誉为“搬运之神”的叉车在物流领域发挥着巨大作用,以其灵活、机动的 作业特点,在仓库间、仓库内的货物搬运过程中得到广泛的应用【】,是机械化装 卸、堆垛和短距离运输的高效设备。因此,叉车的研究开发对于我国物流设备技 术的发展乃至国民经济的发展都有很重要的意义舶。 从驱动方式上可以把叉车分为内燃叉车和电动叉车。出现较早的是内燃叉 车,目前发展已比较成熟,其功率强劲、适用范围广。叉车的工作性质决定了叉 车必须频繁的进行低速行使。由于发动机低速运转,油料燃烧不充分,导致排烟 过浓,尾气排放超标,更重要的是内燃叉车使用的燃料来自于石油,而石油是有 限的不可再生资源,作为全世界重要的化工资源的石油被世界各国在汽车上大量 地消耗,据近年有关石油的国际会议估计,全世界探明的石油储量在未来年 内即可用完。这些促使电动叉车得到了很大的发展,其将取代内燃叉车,是今 后叉车的发展方向。节约能源、保护环境一直是当今社会最关心的热点问题,随 着世界叉车保有量的迅速增大,研制节能型叉车已成为中国及世界叉车工业技术 开发的新热点。 ..电动叉车在国外的发展概况 电动叉车从出现至今已有了几十年的发展历史。年,美国耶鲁首次推出 商业电池驱动叉车,此后由于蓄电池技术发展缓慢,加上石油工业的迅猛发展, 内燃叉车逐渐占主导地位。到了上世纪年代,随着人们对环境和能源问题日益 重视,各个国家节能减排政策实施力度的加大,电动叉车再次成为研究和发展的 热点。目前国际上电动叉车的产量已占叉车总量的%。在德国、意大利等一 些西欧国家电动叉车的比例则高达%,在美洲市场上的比例为%。亚洲叉 车市场主要在日本和中国。近三年日本电动叉车销售量约占总销量的%且有 不断上升的趋势,而汽油叉车降到 %,柴油叉车降到%。国外主要的电动叉 车生产国为日本、德国和美国,国际上产销量排名前几位的叉车制造商有林德、 丰田、纳科、永恒力、小松、和力至优等著名公司。林德叉车是世界第一 品牌叉车,该公司是世界上唯一将静液压传动技术大规模应用于叉车的制造商, 其产品技术先进、质量可靠、销售额一直遥遥领先,位居世界项尖水平。其它著名的叉车制造商产品技术基本处于同一水平,但各家有各家的技术优势和特色 。世界上著名叉车的技术特点可以总结为:品种齐全,技术先进,各具特色, 尤其在提高作业效率、人机工程、节能、环保及安全性等方面的技术发展非常快, 追求个性化,最大限度的满足客户的需求。目前全球汽车巨人正联合致力于电动 汽车的研究,电动汽车的动力、传动、控制、节能等技术在叉车上的应用,将会 使电动叉车整机性能有一个质的飞跃【】。 ..电动叉车在国内的发展概况 我国的电动叉车生产是解放后才开始的,行业起步较晚,处于起步阶段,一 直是我国工业车辆行业的弱项。在年代由沈阳电工机械厂仿制苏联产的. 平衡重式电动叉车,年代末才有家电瓶叉车企业,形成.电动叉车系 列产品生产能力【。最近几年由于电动车辆由于低噪声、无污染,产销量呈逐年 上升趋势,整个叉车行业发生了翻天覆地的变化,电动叉车已形成以安徽叉车集 团公司、杭州叉车有限公司、抚顺叉车制造有限公司为主的重点企业,凭借在工 程机械领域的自主研发制造经验和先进的生产管理能力进入叉车行业。图为 年电动叉车销量对比情况,图为年电动叉车销量占叉 车销量的百分比情况: 图 年中国电动叉车销量对比图卜中国电动叉车销量占叉车销量的百分比 尽管最近几年中国电动叉车销售量在逐年递增,取得了一定的成绩,但是电 动叉车销售量始终只占叉车总销量的%左右,这与欧美、日本等叉车市场% 左右的市场占有率相比明显差距很大。国产电动叉车技术与国外先进产品相比尚 有一定差距,独资、合资企业的电动叉车在质量、动力性、可靠性、节能性等方 面仍有较大的优势,使其占有更大的市场份额。差距大也意味着增长空间大,随 着国内用户健康环保意识的增强,国家节能减排政策实施力度的加大,以及医药、 食品等众多对车辆环保性能要求更高的行业中叉车普及率进一步提高,中国电动 叉车市场势必得到空前增长,同时电动叉车技术进步也呈加速之势。以林德 为代 表的国际十大叉车企业相继在我国设立生产基地和办事机构,山河智能、中国一 拖、江淮动力、玉柴机器等国内其它行业的企业也纷纷进军叉车行业,使中国己 成为仅次于美国的全球第二大叉车市场。我国叉车企业在抵御外来品牌的同 时,还要与国内兄弟同室操戈。叉车市场的激烈竞争促进了叉车技术的发展,所 以对电动叉车的研究和开发成为当务之急,中国叉车企业必将走向技术化、高端 化道路。 .课题研究与应用状况 ..电动叉车节能技术研究现状 节能和环保化要求推动了叉车技术的发展,世界各叉车公司均致力于叉车节 能技术的研究,使近年来生产的各类叉车节能效果达%一%。国内外电动 叉车节能方面的研究,大体分为以下几种】: .交流驱动技术 采用交流电机是电动叉车质的飞跃,交流技术的成熟应用将使电动叉车的优 势更加突显【】。采用交流电控可以提高生产率,加速快,可提高车辆行驶速度和 门架起升速度,且高速行驶时输出转矩大【】。在同样工况下能耗小,可以延长 蓄电池组单班使用时间【,而且交流电机可以将获得的再生能量回馈给蓄电池, 同样的蓄电池容量下可以比直流电机的使用时间延长%,有效地提高了工作 效率。、、、等知名叉车公司均已推出了交流蓄电 池叉车产品【。以为例,现已推出多款采用交流驱动系统的电动叉车,其 新型三轮叉车以先进的交流驱动系统为基础,其工作时间要比现有型号的 叉车长%。 .转向系统向电子化迈进 传统的蓄电池叉车转向系统采用机械转向或液压助力转向。机械转向的缺点 是操纵力大,操作者易疲劳;而液压助力转向的缺点是浪费能量。采用电子转向 不仅操纵力小,而且比液压助力转向节%。目前,电子动力转向系统主要有 种:一种为位置反馈电子动力转向系统,另一种为扭矩反馈电子动力转向系统 【】 .门架下降负载势能回收技术 门架下降时采用负载势能回收技术可实现门架下降的无级调速,还可节约% 的能量。负载势能回收的原理是【刁:门架下降时,液压泵变成液压马达,电动 机变为发电机,将负载的势能转化为电能对蓄电池进行充电,以达到节约能量的 目的。 .液压泵电机控制器的应用 液压泵电机控制器可以控制电机实现门架起升前进/后退等动作的无级调 速,还可以设定电机转速,以控制货叉倾斜/侧移速度。采用液压泵电机控制 器 可以节约%的能量,延长蓄电池组单班使用时间,降低液压系统的发热量【。 、、安徽叉车集团公司等的蓄电池叉车均采用了液压泵电机控制器。 .再生制动 叉车再生制动的原理是:叉车在下坡、停车、前进、后退转换过程中的动能 不是仅仅消耗在机械制动器上,而是通过控制器将电动机变成发电机,给蓄 电池 充电,可节能%~%,这种制动系统延长了每次充电后的工作时间。 .液压脉冲控制技术 液压泵脉冲控制器能够根据液压回路的反应,自动平衡电机速度与用油量, 从而节约电能【。 .蓄电池电容器混合式叉车 蓄电式叉车在以前蓄电电源上加上电容器电源,拥有两系统电源的特长。在 刹车时和前进后退切换时,把以前作为热量排放到空气中的能量通过高效率 的电 容器回收再利用【,与以前相比节约了%的节能,削减了的排放量。日本 小松公司在这方面做了大量的研究,并与年月发售了一款蓄电池电容器混 合式叉车。 ..变频调速节能技术的研究与应用 年代初发展起来的变频调速技术,一改普通电动机只能以定转速方式运 行的陈旧模式,使得电动机及其拖动负载在无须任何改动的情况下即可以按照生 产工艺要求调整转速输出,从而降低电机功耗达到系统高效运行的目的。由于变 频调速技术效率高、功率因数高、节电效果显著、调速性能卓越,已经成为现代 电力传动技术的一个主要发展方向。 目前,发达国家的异步电动机%已采用变频调速,我国也把交流电机变频 调速技术作为重点推广技术,但其在液压领域应用尚不多。变频驱动液压调速与 传统阀控节流调速相比,节能率在%以上;如果用能量回馈型变频器制动负载 时能量回馈电网,节能率在%以上【;与传统的容积调速相比,可以省去带 有复杂变量机构的变量泵,而采用变频器普通电机定量泵的简单形式。由于 变频驱动液压动力系统具有这样一些优点,这迫切需要我们进行这方面的研究与 应用。 国内外都已经开展了这方面的研究,并且取得了一定的成果,有了一些成功 应用的实例。等人提出了用变频驱动实现液压系统恒压控制方案, .上下行全变频控制系统。其上、下行程均为变频容积调速,并且下行时由 电梯轿厢自重所产生的机械能带动电动机反转,电动机处于发电状态,向电网回 馈电能。这种系统同阀控液压电梯相比,其节能率约可达%。 .带蓄能器的全变频控制系统。这种系统同阀控液压电梯相比,其节能率可 达%。 国内外研究表明,变频调速电液技术克服了传统液压调速技术的缺点,在液 压电梯等变负载提升机械中具有显著的节能效果【】【。电动叉车类似液压电梯 等提升机械,所以采用变频调速电液技术将成为国内外叉车技术发展的主流趋 势,而异步电机转差频率矢量控制驱动液压系统尤其适合电动叉车电液系统低速 提升、间歇作业的工况要求。 ..蓄能器节能技术的研究与应用 按照能量回收方式的不同,可分为机械能量回收方式、电能量回收方式和液 压能量回收方式等几种形式。其中采用液压能量回收方式应用最为广泛,其可较 长时间储能,各个部件技术成熟,工作可靠。相比之下机械能量回收效率低,电 能量回收成本较高,稳定性较差,故目前这二种方式很难实现大规模工程应用。 蓄能器在液压系统中是一种液压能储存装置,其主要用途之一是蓄积压力 能,以备需要时投入系统中使用;二是作为吸收压力冲击或减轻油路中的压力波 动使用。目前液压节能系统中能量回收普遍采用的是液压蓄能器方法,由于蓄能 器和电容器相比具有更大功率密度,在能量转化过程中,产生的能量损失主要取 决于温度变化过程,当温度趋于稳定一致时,其损失为零,因此液压蓄能器的能 量损失是较小的【】。因此在能量回收领域,它的应用越来越广泛,这方面的研 究主要有以下几个方面: 回收制动能量 在公共汽车、轨道车等用蓄能器进行回收制动能量已有研刭。国外 . 、、公司都曾开发使用过液压蓄能器的公共 汽车混合动力驱动系统【;国内北京理工大学、湖南大学、山东理工大学 等也做了这方面的研究,存储的能量在启动时可以被立即调用,公共汽车节油率 可超过%】【【】。轨道车辆在出站和进站时,液压蓄能器将从发动机不工作 的滑行中获得的制动能量再次利用,在其制动工作时补充能量,并可以在关闭发 动机时无噪声运行。另外,在工程机械领域,小松大型挖掘机上的小松系 统已经应用蓄能器回收液压挖掘机转台制动能量【。 回收势能 目前的研究主要是针对液压电梯、升降机、升降平台等下行时重力势能的回 收。自年以来浙江大学一直在做蓄能器回收液压电梯势能的研究,成绩非常 显著【。带蓄能器的变频驱动液压电梯控制系统如图.所示,下行时轿厢自 重所产生的机械能通过由电机一主回路泵/马达一蓄能回路泵,马达一蓄能器所 组成的压力一能量转换装置转换成压力能储存在蓄能器中;当在上行时,储存在 蓄能器中的压力能又为电梯提供辅助动力,可以较大幅度地降低系统功率。本系 统与变频驱动的液压电梯动力系统相比,其平均节能率为%,与阀控液压 电梯动力系统相比,其平均节能率为%,节能效果极为显著,同时也极大地降 低了液压系统的温升,有助于液压电梯速度控制性能的提高。 安徽理工大学的侯波、阮学云,安徽矿业集团的张大欢等人在采用蓄能器对 升降机势能回收方面做了大量研究,如图.所示,为升降机采用蓄能器 回收势能的原理图。在间歇工作或实现周期性动作循环的液压系统中,蓄能器可 以把液压油缸被压缩流出的压力油储存起来,当系统需要时,由蓄能器释放出来, 从而减小原动机功率消耗。此系统的特点是:结构简单,成本低,蓄能器的寿命 长,蓄能效率比较高,系统稳定。 结合上面的分析研究,叉车的提升系统工况类似于升降机和电梯,因此利用 蓄能器作为储能元件,将电动叉车货叉下降时浪费的负载势能回收并再利用 是可 行的。将货叉下行时的势能转化为液压能储存起来,在货叉上行过程中释放该压 .油箱,.单向阀.补油装置,.过滤器.蓄能器回路泵/马达,.安全阀.开 关电磁阀,,.压力变送器.蓄能器,,.联轴器.主回路液压泵/马达.电 动机,.光电编码器.液控单向阀.液压缸.电网电源线 一带蓄能器的变频液压电梯节能系统结构原理母 力能,不仅实现了能量回收,而且可以相对减少电机的输出功率。基于此,本文 对叉车原液压系统做了改进设计,提出了采用蓄能器回收负载势能的方案。 .课题的意义和背景 当前能源问题日益突出,研究节能型产品已成为中国及世界工业技术开发的 新热点。现代施工对叉车提出了更节能、高效、可靠等新的要求。为了适应这些 新的以及节约能源和保护环境的要求,叉车的节能方法和试验研究受到了广泛关 注。起降动作是叉车最频繁的动作之一,最常用的起升系统设计为电机定量泵 多路阀的的形式,这种系统虽然简单、可靠,但是能耗比较大,能量利用率不尽 音【】【】【】】 。 /\蕊 能量损失主要来自两方面,一方面来自节流阀控导致的能量损耗。叉车调节 举升速度时,电机转速不变,需要靠多路阀来调节流量,必然会产生溢流损失, 这属于不必要的能量损失。另一方面是重物的势能损失。重物下降的过程中,液 压油通过各种方式返回油箱,在这个过程中,机械势能通过液压系统转变为热能, 并通过各种方式耗散到空气当中去。对于需要频繁升降的大吨位举升系统而言, 重物的升降,不仅需要消耗大量的能量,而且还会产生大量的热量,影响机械本 身的使用性能。从广泛意义上来讲,节能也包括能量的回收利用协?,因此对这 部分势能的回收也是当前节能研究的热点之一。所以一方面我们要减少节流阀控 导致的不必要的能量损失,提高蓄电池输出能量的利用率,另一方面对不可避免 的势能进行回收再利用。 本文选题也从这两个方面入手,依托山河智能研究项目?节能型电动叉车研 发项目,一方面结合变频调速节能技术来降低不必要的能量损耗,提高蓄电池输 出能量的利用率;另外一方面利用蓄能器来回收重物的势能,降低不可避免的势 能损失,提高机械的使用性能。 .本课题所做的主要工作 本文对电动叉车举升系统进行节能研究,把目前广泛应用于其它领域的交流 变频调速的先进技术,应用于叉车液压系统中,提出用转差频率矢量控制变频器 控制电机转速,驱动定量泵达到液压系统所需的有效输出流量。利用蓄能器作为 叉车负载下降时的势能进行存储,并将其连接在泵的入口处,并在货叉上升时再 利用,减少电机的输出功率,是本课题的一个创新之处。 本文的章节内容安排如下: .简述电动叉车的发展概况、当前国内外叉车节能技术的研究现状以及变 频调速和蓄能器节能技术的研究与应用,阐述了本论文的研究意义。 .介绍了变频调速技术原理和控制策略,并对其在液压领域的节能应用进 行了分析。依据电动叉车的负载特性和不同流量调节方案的节能性,利用现代控 制理论对异步电机转差频率矢量控制系统进行分析,为仿真和实验奠定理论基 础。 .根据电动叉车举升系统工况特点,分析了带蓄能器的液压举升系统节能 原理。从参数与蓄能匹配的角度,结合实际的应用来对蓄能器进行选型分析,研 究了参数变化对系统节能的影响,给出了蓄能器释放的能量和电机的输出功率之 间的关系,并对蓄能回路的动态特性进行分析。 .用软件对蓄能器回收负载势能系统建立了模并做了进一步的仿 真研究,仿真结果与理论计算结果一致,说明节能方案的正确性,并验证了参数 变化对节能系统的影响。 .用/对转差频率矢量电机控制系统建模,结合软 件建立的液压系统模型,进行联合仿真,准确地模拟叉车实际作业工况,得出带 蓄能器的叉车变频调速举升系统节能情况。 .在山河智能一电动叉车上进行相应的实验研究,利用现代测 试方法和先进测量仪器对采用蓄能器的液压系统进行全面的功率测试实验,验证 理论分析和仿真实验的正确性,确定该方案的可行性和可靠性。 第二章矢量控制变频调速电液系统节能控制原理分析 .变频调速节能技术的简介 ..变频控制技术的基本原理 由电机学‘已知,异步电机的转速为: 刀:一 式中:石一电动机定子频率,;一为电动机定子绕组极对数;一转差率。 当异步电机以转速,与气隙转磁场其转速为同步转速碍同方向旋转时,主磁通 将以碍一速度切割转子绕组,转子绕组中的感应电动势的频率简称转子频率 为: 石毪产等,警研 在变频调速时,如果使彳与石成线性变化,即保持不变,即转速刀与定子 频率石成线性变化。但有时需要使六保持为常数或者使五随石按某一非线性函 数关系变化,这时转差率就不是常数,转速玎与定子频率石也就不是严格地成 正比。然而,对于许多的实际应用来说,的变化范围不大。如果将的变化忽 略不计,则可以认为调节定子频率石时,异步电机的转速即随之成正比变化。 ..变频调速常用控制策略 变频调速常用控制策略如下【: ./控制 电动机转速、频率改变时,电动机内部阻抗也发生变化,仅调低频率就会出 现弱磁从而引起转矩下降,调高频率就会出现过励磁引起磁饱和,使电动机效率、 功率因数大幅度下降,为了不使电动机的磁通过小或饱和,在改变频率的同时, 必须对端电压进行控制。因为是控制电玉与频率之比,故称 为/控制。该控制方法为开环控制,控制系统结构简单,但是静、动态性能 均不理想,尤其在低频时的特性较差。/控制多用于通风机、水泵类负载通 用变频器等场合。 .转差频率控制 在异步电机中,同步转速强和电机实际转速玎之差%一力与之比称为转 差率。这里碍对应石,/对应于厂,厂是电机实际转动频率。上述变量存在如 下关系:,万厂缈。转差频率为: 一国 ? 根据拖动理论可知,电动机转矩丁正比于气隙磁通中的平方,正比于转差频 率,即 丁?? ? 通过调节转差频率,即可调节转矩,最终实现转速调节。与/控制 相比较其加减速特性和限制过电流的能力得到提高,一般不适合转矩控制。 .矢量控制 矢量控制与前面的/控制和转差频率控制完全不同,是交流调速技术的 里程碑。采用矢量控制方式将定子电流分解成规定的磁场电流和转矩电流, 分别 进行控制,同时将二者合成的定子电流供给电动机。转差频率矢量控制为速 度闭 环、磁链开环控制,具有较高的稳定性和较快的响应速度。其特点如下: 矢量控制比其它控制特性更优越,可实现与直流电机相同的控制特性; 调速时响应速度快,调速范围广,特别是低速度段的调速性能优越,可 满足频繁的急加、减速度运转和连续四象限运转等场合的要求; 可以进行转矩控制,在电机静止状态的时候,能够控制产生静止转矩; 控制运算中需要用到电动机的参数,需要电动机的速度反馈的,一般要 求电动机为专用电动机。由于矢量控制方式完美的控制特性,尤其是在低速间歇 工况下具有出色的控制效果,所以本文选择转差频率矢量控制变频调速方式在电 动叉车电液系统中进行节能研究。 .直接转矩控制 继矢量控制之后,近年来又发展了一种根据定子磁链直接控制转矩的方式。 转矩控制方式分别控制异步电机的转速和磁链,采用在系统转速环内再设置磁链 内环的方法,以抑制磁链的变化对转速的影响。这种控制方式能最大限度地发挥 逆变器的作用,但结构复杂,实现较困难,会产生转矩脉动,低速性能差,目前 只适用于风机、水泵等调速范围不宽的场合【。 .变频调速电液系统的原理和节能分析 将变频调速技术引入液压系统中,通过改变异步电机的电源频率来调节电机 的转速,从而满足执行元件速度要求,以达到节能的目的。它是一种改变油泵输 出流量的调速方式,但与变量泵不同,变量泵是维持转速不变,改变每转的排量: 而交流变频调速则是通过改变电机的转速从而改变油泵的转速?。图矢量控 制变频调速液压系统结构图 由图?所示,变频调速液压控制系统由变频器、异步电动机及定量泵 组成。系统输入即异步电动机频率指令,由控制器提供,输出为定量泵的流 量。 根据变频液压调速系统原理,油泵输出流量公式如下: ??。 ?掖压泵排量 交流变频调速液压系统避免了节流损耗和溢流、卸荷损耗。另外,交流变频 调速液压系统还提高了原动机一电动机的效率和功率因数,这是其它液压调 速方 式无法解决的。采用交流变频调速液压控制系统综合节电通常可达%【。 ..电动叉车负载转矩特性分析 多路阀 , 电 一 机 ? “ 控 电动机厂 制 \夕 夕 器 泵 一图一曰 图电动叉车举升系统原理图 如图所示,为典型的电动叉车的提升系统,一般包括电源、提升电机控 方法实现的。当被控容量相同的情况之下,这两种方法的耗用功率是很不一 样的。 。 只一调节阀门开口度时;一恒转矩负载调速时 图耗用功率与流量的关系曲线 .耗用功率与阀门开度的关系 通过改变阀门的开度来调节流量时,由于电动机的转速不变,故电动机耗用 的功率变化不大,如图中曲线所示。 .恒转矩负载的耗用功率 公式?可知,恒转矩负载的基本特点是负载转矩与转速无关。在拖动系 统中,电动机的耗用功率即负载功率只可由下式计算 :盟 ?上‘ ? 最昂 在损耗功率只忽略不计的情况下,电动机的耗用功率与流量成正比,如图 ?所示。 .两种方式的比较 设所需的流量为,则由图?可知: 采用关小阀门的方法时,耗用功率为 。;在恒转矩负载中采用降低转速的 方法时,耗用功率为只:。显然,采用降低转速的方法与采用关小阀门的方法 相 比,具有十分明显的节能效果。 .异步电动机转差频率型矢量控制 ..电压方程 异步电机在.坐标系下的数学模型对笼型电机的转子相当于短路‘‘, 即,,则电机的电压方程为: 一哆厶 置厶 ?厶 吐厶 % 置厶 恐厶 尼 织厶 厶 纠 ..磁链方程 由于轴与转子总磁链相对应,故磁链方程为‘】:三 三 妒, 工 上 一 三. 三。 孑二 : 三 吼 慝 讯 缸嘞心坐标下的电机电压矢量; 诂【‰%吼仍弘丁坐标下的电机磁通矢量; ‰‰如如珏丁坐标下的电机电流矢量; .。运动和转矩方程 根据电机的运动转矩方程,磁极对数为%的电机转子所受的电磁转矩为 . ? 乙如卿一% 而在、丁坐标下,有: 矽,缈’ 且由式中第四行,得: ? ’ 】‘。岛 结合?、?和,得电机的转矩方为: %每编 由式的第行得出: 厶‰ 又因为仍鳓,由?的第三行得: 厶三‰仍 联立式?和,得: 正%譬击“, 在上面的式子中,互厶/马。 由式中的第行可得: 尼. 吃一三 再依据的第行可得: 弓.厶‘ 将式?、代入到式得: 卺仍织 式?就是转差频率型矢量控制的基本方程式。 ..交流电动叉车泵电机转差频率型矢量控制结构原理 矢量控制的方式主要有种:转速闭环、磁通开环,转速、磁通都闭环的控 制方式。在本课题中我们采取了转速闭环、磁通开环,而且带速度传感器的 控制 方式【】【】【。 一速度调节器;一电流调节器;/一坐标变换;一逆变器 图磁链开环转差频率矢量控制变频调速系统 图?为电动叉车液压泵电机采用的磁链开环转差频率矢量控制系统的原 理图。通过测试异步电动机的实际的转速,得到其相应的控制频率.石,根据 系 统需要的转矩,分别控制定子电流矢量及两个分量间的相位,对变频器的输 出频 率石进行控制的。该系统中有: 速度调节器的输出作为定子电流转矩分量的给定值。; 在不考虑弱磁的情况下,定子电流励磁分量‰。和转子磁通给定信号仍满足 仍‘厶; ‘。,‰。经坐标变换的合成产生定子电流幅值和相位角给定信号‘,; 转差频率给定的信号’ ?,?的关系符合考筹弓?,疋惫 定子频率信号劬彩缈,’,功,‘经积分后产生轴相位角的控制信号,随 着旋转,不断的增长,积分起累计的作用,它替代了环形计数器尸。 鼠为电流矢量与轴的夹角叠加在上。 .本章小结 本章主要完成了以下几个方面的工作: .介绍了变频调速技术的原理和控制方法,为其在液压领域的节能应用提供 理论基础。 .把变频调速技术引入液压领域,阐述了其在在液压领域的节能原理。根据 了电动叉车的负载转矩特性,对目前叉车上应用阀控流量调节方法和本文提 出的 变频调节流量方法进行节能分析对比,得出了变频液压技术在叉车节能方面的优 越性。 .在同步旋转的坐标系中,简化异步电机电压方程,结合磁链、运动和 转矩方程,得出了适合交流电动叉车变频调速电液控制系的转差频率型矢量控制 的基本方程式。根据电动叉车的作业特性,选择了转速闭环、磁通开环矢量控制 系统,并对其原理进行了分析。第三章液压系统节能方案研究 .电动叉车举升系统工况分析 叉车一般分为两个部分,一是行走系统,另~个是提升系统。提升系统完成 提升和转向二个作业工况。提升主要有装货、卸货、堆垛三种作业情况。叉车用 来装货时,多数情况是半载至满载工况上行、空载下行,能够回收势能较少;叉 车用来卸货时,多数情况是空载上行、半载至满载工况下行,能够回收势能较多; 叉车用来堆垛时多数情况是半载至满载工况上行、下行,能够回收的势能较多。 对于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:%用于行驶, %用于提升,%用于转向、风扇等。%用于提升的能量主要转化为负载的 势能,由此可见负载的势能的量是相当的可观的,结合前面三种典型作业情况的 分析,叉车在多数情况下能够回收较多的势能,所以本文研究很有意义。 .液压系统势能回收方案分析 ..电动机能量回馈式原理分析 绪论提到,国外的电动叉车己经设计出利用货物下降时的势能来补充电能延 长蓄电池使用周期的方案,如图.所示。当叉车进行提升货物时,先通过电动 机带动定量液压泵转动,定量液压泵输出油液进入换向阀,此时换向阀处 于右位时,油液直接进入液压缸提升重物。当负载下降的时候,换向阀处于中 位,液压缸中的油液通过两位两通换向阀流回液压泵吸油口,此时液压泵变成 液压马达工况,开始旋转,同时带动电动机旋转,此时电动机变成为发电机。 电动机发出的电,快速对蓄电池进行直接充电,实现能量的回收。 如果要实现此项功能,变频器中必须拥有可逆式,整流器或增加电能回馈逆 变器以及其他一些电气附件,将再生电能整流为直流电用蓄电池或超级电容回 收,一般可节约%的能量。但是这种方案存在着严重的缺点:控制复杂,大大提 高了电气系统成本,稳定性差,回收能量低,故目前很难实现大规模工程应用。 收势能方案。 节能系统是在湖南山河智能有限公司的一原有起升系统的基 础上进行改进,在电磁阀都关闭的情况下,相当于原叉车起升系统功能,叉车可 以进行举升、下放动作,蓄能器部分只是作为能量回收与再利用的附件。在节能 的同时,也可以同时手动操作多路阀,避免货叉下降过慢或因货叉重物太轻导致 下不来的情况。 图?为电动叉车液压起升节能系统的工作原理图。在叉车的操作中,门架 的举升和倾斜一般不能同时动作,二个系统单独作用的,相互的影响很小,故把 倾斜系统忽略掉,简化了系统便于研究。该系统的优点是使用元件数量少、系统 简单、运行平稳、工作可靠、效率高、蓄能器体积小。 系统的能量回收原理为:在叉车门架下降过程中,使液压缸下腔中的油液排 入蓄能器并储存在其中,将机械势能转换成液压能;在工作台再次上升过程中向 液压泵供油相当于在系统中设置了压力油箱,减少了液压泵进、出油口的压力 差,使再次上升过程中液压泵消耗的电动机功率减少,达到节能目的。因货叉在 垂直方向运动,其下降可借助重力实现,用三位六通多路阀啦制液压缸的起升 和下降的速度、高度,出现紧急情况时使液压缸下腔中的油液直接通油箱,实现 叉架的快速下降,液压泵关闭后封闭液压缸下腔的油路,使其较长时闻停留在工 作位置;定量泵的工作压力由负载决定,溢流阀用来限制系统的最高工作压力, 作安全阀用;单向阀作背压阀用,以使蓄能器在排油后其内仍然具有一定的最 低压力蓄能器正常工作所需要;单向阀用来使液压泵在初次上升时从油箱吸 油,二次上升时蓄能器中的压力油液不流入油箱中;单向阀用来使叉架下降时, 液压缸无杆腔中的油液直接排入蓄能器,防止在蓄能过程中油液回流;单向阀 防止油箱的油液倒流。调速阀用来限制下降时的速度,电磁换向阀和来控 制蓄能器的蓄能和放能。综合以上考虑,改进了液压系统,现对其工作过程分析 如下: 一 一 .油箱.过滤器,,,,.单向阀.液压泵.溢流阀.电动机 .多路阀.限速阀,二位二通阀.液压缸.蓄能器 图采用蓄能器回收势能的液压原理图 初次上升 使三位六通多路阀置于上位,启动液压泵电机,泵经过滤器、单向阀从 油箱吸油此时蓄能器中无油液,再经多路阀、限速阀、向液压缸的无杆 腔供油,实现上升,上升速度大小可通过多路阀进行调节。 停留 工作台到达预定位置后,关闭液压泵电机,泵停止供油,多路阀置于中位 将升降液压缸的下腔封闭,工作台可较长时间的停留在工作位置。 下降 将三位六通多路阀置于中位,二位二通换向阀中的通电,使其切换 到上位,液压缸的无杆腔因工作台自重而产生的压力油经单向阀、二位二通 阀的上位进入蓄能器中,此时二位二通换向阀中的电磁铁通电,使其 切换到左位。将液压缸在叉架自重作用下排出的压力油储存在蓄能器,使叉 架在能过大,以免造成过大的压力损失和蓄能器的容量规格过大。 以上动作,各个阀基本动作的情况为见表: 表各个阀的动作顺序 .起升机构的参数、运动和受力分析 ..技术参数 本文所选用的为山河智能型叉车,其技术参数如下表所示: 表山河智能叉车的技术参数 名称 参数 额定起重量:在额定载荷中心距处 载荷中心距:至货叉垂直面距离 标准门架:额定起重量时的最大货叉高度 标准门架:自由提升高度 货叉:厚度宽度长度 / 最大起升速度:满载 ?/ 最大下降速度:满载 额定功率 电机:起升 ,额定转速 起升液压泵一 排量/,额定转速,容积效率 .,机械效率. 多路阀?. 公称流量/,公称压力. . 额定压力,限速流量/ 调速阀. 起升液压缸缸径 活塞杆直径 ..运动和受力分析 图叉车起升机构运动简图 叉车起升机构的简图如图.所示,在液压力的推动下,滑轮被起升油缸顶 起,带动了链条,链条又牵引叉架,使又架升降,从而实现货叉和货物的升降 动 作。由于滑轮组的作用,货物的升降高度即叉架和货叉的升降高度总是液压 缸活塞行程的两倍,升降速度也保持这样的关系即【】: 一 式中货物起升高度,; 一液压缸活塞行程,。式中货物升降速度; .一液压缸活塞杆升降速度,而/。 叉车起升机构运动简图忽略了叉架沿内门架运动的阻力和内门架沿外门架 运动的阻力,计滑轮组的效率为%,粗略的计算出单个液压缸活塞起升时所 需的顶推力为: ’ 去必鸠? 二 式中,一负载货物的质量,蚝; 必一货叉和叉架的质量,砖; 鸠一内门架的质量,; 旷重力加速度,取.。 活塞所受负载静压力为: 专? ??.‘?????????????????????????????一 ? 么 以山河智能.叉车为例,负载为计算系统最大工作压力满载 时液压缸最大工作压力计算: 满载时/,必,坂 . 满载时单个液压缸所受的力为: 寺.寺?. 液压缸的活塞有效工作面积至篓:竺掣?.所 系统的最大工作压力。叠器. 系统最小工作压力空载时液压缸最小工作压力计算: 满载时/,丝,坂 空载时单个液压缸所受的力: . 磊??.专? 系统的最小压力名。百言蒜..蓄能器的选型分析 ..蓄能器的分类 蓄能器按其蓄积压力能的结构形式可分为重锤式、弹簧式、气液直接接触式、 活塞式、气囊式、隔膜式等。其中气囊式蓄能器由耐压壳体、弹性气囊、充 气阀、 提升阀、油口等组成,能做成各种规格,适用于各种大小规格的液压系统,气 囊 惯性小、油气隔离性好、比容大、密封性好等优点而应用广泛。本节能系统 采用 的是气囊式蓄厶匕盟【】【】【】【。 ..蓄能器的工作过程分析 利用蓄能器作为叉车负载下降时的势能进行存储,并将其连接在泵的入口 处,再次举升时把能量释放,这是本课题的一个创新之处,蓄能器的选择直接关 系到系统节能降耗目标的实现,所以对其工作过程进行必要的分析,对于节能系 统的设计是十分必要的,也是十分关键的一环。 液压油是不可压缩液体,因此利用液压油是无法蓄积压力能的,必须依靠其 他介质来转换蓄积压力能。利用气体的可压缩性质研制的皮囊式充气蓄能器就是 一种蓄积液压油的皮囊式蓄能器,由油液部分和带有气密封件的气体部分组成, 位于皮囊周围的油液与油液装置回路接通。当系统压力升高时,蓄能器气囊内的 气体受压缩体积变小,储存能量,同时蓄能器内的油液体积增大。当蓄能器内油 液压力降低时,气囊内气体膨胀,释放能量,同时把油液挤出,蓄能器把能量放 出,作为辅助动力源,可以减小原动机的功率【。所以分析蓄能器的工作过程主 要是从分析蓄能器皮囊内的气体状态变化过程入手,找出气体状态变化的规律和 蓄能器与液压系统间的相互影响,从而对蓄能器的选择给出参考?。 在液压系统中采用皮囊式液压蓄能器进行能量回收,液压蓄能器内的气体为 惰性气体氮气,通常认为它的性质与理想气体相近。根据波义耳定律,有如下 的关系‘删: 丑”昱曙 式中只,虼??没有压力油输入时,蓄能器气囊内预冲气体的压力与体积; 只,巧??蓄能器气囊内气体的最高工作压力与体积; 丑,??蓄能器在释放能量后气囊内气体的最低压力和体积; 一由蓄能器工作状态所确定的指数; 皮囊式蓄能器最开始的气体压力一般为,充油之前先要充气,是为充气过程。当叉车叉架下降时,为充油过程,蓄能回收负载势能。当蓄能器的充 油压力达到一个最高值得时候,这个状态称为最高工作压力状态状态,相关 参数有最大工作压力只和最小工作体积。当叉车再次进入举升工作过程时, 蓄能器放出油液并做功,称为放油过程,达到一个较低的压力状态,称之为最低 工作压力状态状态,相关的参数有最低工作压力和最大工作体积,蓄能 器再进行充油过程,经过充油过程蓄能器回到最高工作压力状态,完成一个运行 过程的循环。 在叉车举升系统的一个上、下行循环工况中,蓄能器分别蓄能和放能,充放 液时间较短,一般情况下可认为蓄能器此时与外界没有热量交换,视为绝热过程 当蓄能器迅速释放、回收能量时,可以认为气体是在绝热条件下工作, .】。 ..蓄能器选型计算 本文主要是把蓄能器在举升系统中,进行节能的研究,所以我们选择蓄能器 参数时,应尽量使得蓄能器释放、回收的能量多,以提高系统的节能效果。下面 从蓄能器参数与蓄能匹配的角度,结合实际的应用来对蓄能器参数进行计算选 取。 .工作容积? ?一砭 ? 当液压蓄能器主要用于储存能量时,其输出的油液是作为能量补充,即有效 容积应满足系统要求。根据前面的系统要求,蓄能器的工作容积所能排放的油 液量应为液压缸从最大高度下降到最低位时,油缸所排出的油液总体积等于油 缸的行程和其无杆腔面积及油缸数量的乘积断,由此可知道,若液压系统采用 较高的工作压力,则可减小升降油缸的内径、容积及排液量,从而减小蓄能器所 需要的工作容积。系统的工作压力可由设备类型或油缸负载确定。蓄能器在货叉 下行时要能够全部把液压缸的油液回收,液压缸的最大行程为.,由此计算出: 么‘? ? 彳一液压缸工作腔有效面积,单位是平方米,‘一液压缸的行程,单位 是米,由上面的公式计算出...。这是不考虑系统存泄 漏的情况下的最大工作容积,实际值略小于.。泄漏损失与系统的压力和工 作时间有关。 .最高工作压力墨、充气压力异和充气体积% 由公式.和.得, 一铲学城渺谢 由式?得所需蓄能器的初始容积 最高工作压力首先根据最大负载时的压力,折合到蓄能器回路的压力来确 定,一般可比该值低一些,计算出的数值同时要兼顾蓄能器所能承受的最大 压力; 最低工作压力一般根据空载时的负载压力,折合到蓄能器回路的压力来确定, 一 般可比该值高一些;考虑蓄能器回路压力损失,取必.【引,当最大 ,则 负载.吨工作压力只。.,折合到蓄能器回路的的压力. 只.。取纰.,最小负载 作压力己.时折合 到蓄能器回路的压力为.,所以只应大于.。 充气压力只的选择,应接近系统允许使用的最低工作压力只,无论如何,只 不应小于.只,其意义在于,当系统达到最高压力只时气囊收缩后的体积仍 大于充气压力下体积的/,以防止气囊变形太大损坏气囊。随着压力的升高 和容积的减小,蓄能器存储和释放的能量。 根据式?可得: 了矿 ‰归尼可肌等专一爿 ‘ ??????百一?????百 . 一 ? 警酉竿厂 :型量 ?矿 ???飞百一???百 . 七百二雨 在液压储能式能量回收系统中,由公式.得,蓄能器的能量存储能力决 定于蓄能器的初始容积、最低工作压力,充气压力和最高工作压力。若已求 得工作容积?,则蓄能器所存储的能量只与最高工作压力最有关‘硎。 越高,贝 其 ?./. 一。 ‘?最‘一昂 等矿一? 叫心广 式一 就是容积为%、充气压力为圪的液压蓄能器在最高工作压力为另的 条件下所能存储的液压能量。从式中可知增大蓄能器的容积和提高其最高工 作 压力罡都能增大蓄能器存储的能量,但是增大蓄能器的容积%要受到空间的 限 制。同样,受密封和安全等因素的限制,蓄能器的最高工作压力也不可能太 高, 通常~?。同时,在容积%和最高工作压力昱一定的情况下,不同的 充气压力只将导致液压蓄能器不同能量的存储能力。 令码/识,可得 岳四雨一,警协雨.虿。 整理上式得: 上.墨.?: . / 即: .........?? .?昱 按式?确定的充气压力昂可使蓄能器在容积%和最高工作压力罡一定 的情况下存储的能量最大。将式代入式可得最大存储能量: 土生 ? 易一一.?墨? 各个厂家对蓄能器产品允许的有效体积都有明确规定,一般定为初始 容积的%左右。我们研究的电动叉车属于小型工程机械,空间有限,所以选择 蓄能器时初始容积不能太大。表.为不同公称容积的蓄能器的外形尺寸参数。 依据蓄能器最大工作容积,按照国标胶囊蓄能器技术手册规格,下面给出公 称 容积为.、、.、 的外形尺寸: