工業(yè)車輛最大許用電流與額定電流的倍數(shù)研究

趙 亮，趙 騰

機械科學(xué)研究院工程機械軍用改裝車試驗場，北京 102100

0 引言

盡管交流異步電機驅(qū)動電路復(fù)雜，但其具有的結(jié)構(gòu)簡單、運行可靠等優(yōu)點，使其成為工業(yè)車輛發(fā)展應(yīng)用較廣泛的一種選擇。然而交流異步電機的許用電流通常會達到額定電流的5～10 倍（通常認為3～7 倍），這會導(dǎo)致電機的相關(guān)設(shè)備和機械傳動裝置受到一定損害，降壓許用就是為防止直接許用的一種設(shè)計方式，本文基于工業(yè)車輛交流異步電機的額定與許用電流間關(guān)系，分析了工業(yè)車輛的許用電流與保護技術(shù)，這一研究對于電機的進一步發(fā)展應(yīng)用有一定的意義。

1 工業(yè)車輛電流分析

下面以工業(yè)車輛應(yīng)用最廣的叉車、觀光車作為研究進行全面的分析闡述。

1.1 工業(yè)車輛基礎(chǔ)知識研究對比

通過與電機廠家的了解,說明書的分析,還有叉車廠家的現(xiàn)場試驗。了解電機（主要為安徽皖南新維電機有限公司、遼源匯豐電機有限公司、四川東風(fēng)、SUPEREC）的主要技術(shù)參數(shù)為下表1～表3 所示。基于表中參數(shù)，在實際評估時由于對叉車專業(yè)知識及技術(shù)不了解，常常對電機質(zhì)量無法作出合理的判斷。通常電機優(yōu)越的高質(zhì)量的叉車其優(yōu)越的性能往往體現(xiàn)在高效率、低成本、高可靠性、人機工效設(shè)計好以及服務(wù)便利等諸多方面。

表1 電機參數(shù)

表2 5.5kW 交流電機性能參數(shù)表

表3 6.3kW 交流電機性能參數(shù)表

從上表可以看出感應(yīng)電機的固有頻率是由滿磁通最大扭矩區(qū)與弱磁通區(qū)分界點處的旋轉(zhuǎn)磁場頻率所決定的，當(dāng)感應(yīng)電機的頻率大于其固有頻率時，它就開始工作。不過工作過程中要求它的電壓需在額定范圍內(nèi)，不可以超載。同時逐漸降低頻率要記錄該頻率下電機的電流直到其電流達到最大。收集頻率和電流的數(shù)據(jù)信息，將它們信息匯合然后做出一條平滑的曲線，通過這條曲線可以看出一拐點，它所對應(yīng)的頻率即為感應(yīng)電機的固有頻率，它也是磁通飽和區(qū)和弱磁通區(qū)的分界點。為了保障電機的電壓為額定電壓要進行相關(guān)參數(shù)的設(shè)定，并要求設(shè)置使速度控制回路閉合。

2.2 電動叉車的驅(qū)動技術(shù)

當(dāng)前的電動車應(yīng)用的主要有直流與交流驅(qū)動計算。直流驅(qū)動技術(shù)盡管具有經(jīng)濟、方便的特點，但其表現(xiàn)出的維修、性能方面的缺陷不斷被放大。交流驅(qū)動就是在這一背景下開發(fā)應(yīng)用的，隨著上世紀末的交流動力技術(shù)在電動叉車中的推廣，使得電動叉車性能明顯提高。同時伴隨著電子元件的價格大幅度下降，那么該控制器的硬件某些部件的成本也會相對降低，成本將帶了對交流驅(qū)動系統(tǒng)的大范圍地推出市場提供了條件。

2.3 交流電機驅(qū)動的優(yōu)勢

研究表明，電動叉車交流驅(qū)動系統(tǒng)具有以下優(yōu)勢：交流電機與直流電機相比無最大電流限制，使得其能有更大制動扭力、更快速度等；交流驅(qū)動系統(tǒng)將蓄電池的直流電轉(zhuǎn)化為三相交變電。能獲得更高頻率調(diào)節(jié)范圍；在相同的蓄電池容量這一前提下，應(yīng)交流系統(tǒng)與直流電機相比使用時間延長了，進而有效生產(chǎn)效率；交流驅(qū)動所采用的是速度扭矩控制，采用加速踏板釋放制動功能，因而可以平緩的實現(xiàn)前進狀態(tài)和倒車狀態(tài)的過渡，從而確保叉車行駛的安全性，與此同時其能量也能夠回收。

3 實踐結(jié)果電流分析

當(dāng)叉車的工作模式選擇牽引時，叉車就會具有變負載的工作特性，它既可以空載行駛，又可以滿載行駛還可以帶載爬坡。不過當(dāng)其工作特性不同時，它的相應(yīng)的感應(yīng)電機的工作區(qū)也不相同，三種工作特性分別對應(yīng)著電機的“連續(xù)工作區(qū)”、“間斷工作區(qū)”及“高速區(qū)”。

感應(yīng)電機不同工作區(qū)域其各就特點：“連續(xù)工作區(qū)"一般叉車在空載和額定載荷行駛時，電機處于此工作區(qū)的電機始終以恒定功率運行，在這種工作區(qū)它允許電機為了獲取理想的轉(zhuǎn)速而工作在較低的滑差狀態(tài)下；“間斷工作區(qū)”一般叉車以一定可允許載荷進行爬坡工作時，電機處于此工作區(qū)的電機處于恒扭矩階段。通過一系列的驗證得出如表3 所示的對交流電機與電流的關(guān)系。

從表3 可以得知所得到的最大許用電流嚴重超載，一般達到額定電流3 倍以上。因此可知電流過大會對電機造成很大損害。同時值得注意的是叉車的造價較高，因此對其電機要更外保護。

經(jīng)過研究得出，當(dāng)電機啟動電流達到額定電流的3～4 倍時，線圈發(fā)熱量是電機在正常運行時的18～25 倍，產(chǎn)生的電磁力同樣達到了18～25 倍。因此可知溫度過高、加熱速度過快等都將是電機受到巨大的破壞，同時降低了線圈和轉(zhuǎn)子銅條的使用壽命。除此電力過大會造成供電裝置的損壞。

表4 交流異步電機的額定與許用電流間關(guān)系

4 電機保護

現(xiàn)在我國著重發(fā)展將電子型電機控制裝置，并將其進行推廣。交流電機的保護是與控制方式緊密聯(lián)系的，如車輛直接許用產(chǎn)生的4～7 倍的額定電流，應(yīng)用不同的元件結(jié)構(gòu)也不完全相同，熱繼電器、溫度繼電器和溫度開關(guān)、電子式電機保護控制裝置。

4.1 熱繼電器的原理與技術(shù)

下圖為應(yīng)用廣泛的ZEV 系列熱繼電器的接線圖，其實現(xiàn)了過載、缺相、電流不平衡、接地保護等標(biāo)準保護功能，應(yīng)用的保護跳閘采用了數(shù)字顯示的方式，其四個按鍵設(shè)定數(shù)值。熱繼電器采用的是負載電流流經(jīng)校準元件，使雙金屬熱元件產(chǎn)生彎曲，實現(xiàn)繼電器在電機繞組燒壞前的。

盡管這一技術(shù)結(jié)構(gòu)簡單，由工作原理可知，其對工業(yè)車輛的頻繁許用的應(yīng)用產(chǎn)生不了保護作用，且短路故障后無法應(yīng)用，這一技術(shù)隨著科技的不斷傳統(tǒng)的應(yīng)用方式早已不能滿足需要，其應(yīng)用多與其他裝置共同使用實現(xiàn)功能。

熱繼電器的接線圖

4.2 溫度繼電器的保護技術(shù)

溫度繼電器保護技術(shù)主要應(yīng)用雙金屬片設(shè)計的盤式繼電器，它具有顯著的優(yōu)點，但其也存在一定的問題，因其動作緩慢、返回時間較長，所以在車輛工業(yè)很少利用這項技術(shù)，而主要應(yīng)用于空調(diào)壓縮技術(shù)上。

溫度繼電器不同于熱繼電器，溫度繼電器采用的是裝電機內(nèi)部溫度變化應(yīng)用的動作實現(xiàn)，但熱繼電器則應(yīng)用在了動力線上依據(jù)流熱效應(yīng)實現(xiàn)的。這一保護技術(shù)在車輛電機應(yīng)用較少，但在電動汽車領(lǐng)域已于其他技術(shù)結(jié)合產(chǎn)生了一些新的應(yīng)用。

4.3 電子式控制保護技術(shù)

伴隨著信息時代進入到生活各個領(lǐng)域，在車輛電機的電子式保護裝置應(yīng)用的是集成電路、微處理器實現(xiàn)，其特點是實現(xiàn)了斷相保護、溫度保護、監(jiān)測保護等多功能的設(shè)計。電機利用電壓、電流檢測取樣和三相不平衡原理進行斷相保護，此保護原理是由電子分離元件或集成電路構(gòu)成的。電機工作電壓往往受到電壓波動、網(wǎng)絡(luò)負荷不平衡等因素的影響而使其不不易平衡，易出現(xiàn)誤動且斷相的保護范圍小。

5 結(jié)論

本文基于分析工業(yè)車輛交流異步電機的額定與許用電流間關(guān)系，探討了電動叉車等的理念、電動叉車等的驅(qū)動技術(shù)、交流電機驅(qū)動的優(yōu)勢，以及以實踐結(jié)果電流為基礎(chǔ)探討了電機保護，包括熱繼電器的原理與技術(shù)、溫度繼電器的保護技術(shù)、電子式控制保護技術(shù)等，由實踐數(shù)據(jù)可知，工業(yè)車輛用交流電機最大許用電流為額定電流的3 倍。

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