永磁同步電機(jī)驅(qū)動的液壓動力系統(tǒng)設(shè)計與實驗分析

賈永峰 谷立臣

1.西安建筑科技大學(xué)，西安，710054 2.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，西安，710018

0 引言

液壓設(shè)備由于其具有傳動平穩(wěn)、調(diào)速方便、功率體積比大等優(yōu)良特性而被廣泛應(yīng)用于工程機(jī)械中，但液壓動力系統(tǒng)的整體能量利用率不高，系統(tǒng)效率較低，因此必須采用節(jié)能設(shè)計提高能源利用率。以往的節(jié)能設(shè)計都將重點(diǎn)放在了液壓回路的設(shè)計和高效液壓元件的選擇上，并且取得了較好的節(jié)能效果，如采用負(fù)載自適應(yīng)控制，盡量減少溢流損失和節(jié)流損失，采用二次元件和蓄能器回收部分能量等。但是隨著設(shè)計的改進(jìn)和液壓回路效率的提高，想要進(jìn)一步提高其效率變得越來越困難，因此有必要將驅(qū)動液壓系統(tǒng)的電機(jī)也包括在內(nèi)來考慮，使電機(jī)提供的功率和負(fù)載所需功率相匹配。

本文重點(diǎn)介紹稀土永磁同步電動機(jī)驅(qū)動液壓動力源的節(jié)能特性和調(diào)速特性，對永磁同步電機(jī)調(diào)速液壓系統(tǒng)和異步電機(jī)變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)進(jìn)行了對比分析。

1 幾種常見的液壓動力源

(1)普通異步電機(jī)驅(qū)動定量泵。無論系統(tǒng)是空載還是滿載，該類電機(jī)轉(zhuǎn)速基本恒定，油泵的輸出流量也基本保持不變，系統(tǒng)流量靠溢流閥調(diào)節(jié)，多余的流量通過溢流閥流回油箱，功率利用率低，油液發(fā)熱嚴(yán)重，系統(tǒng)穩(wěn)定性差，油液壽命短，因此僅適合用于小功率和速度變化不大的場合。

(2)普通異步電機(jī)驅(qū)動變量泵。變量泵轉(zhuǎn)速不變，但輸出流量可以隨負(fù)載的變化動態(tài)或靜態(tài)調(diào)節(jié)，無溢流損失和節(jié)流損失，功率利用率高，系統(tǒng)響應(yīng)速度快。缺點(diǎn)是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要一套變排量的控制機(jī)構(gòu)，故障率高，抗污染能力差，系統(tǒng)流量小時，電機(jī)和泵仍然高速運(yùn)轉(zhuǎn)，加速了機(jī)械磨損。此液壓動力源適合用于功率較大場合。

(3)變頻異步電機(jī)驅(qū)動定量泵。將電機(jī)變頻調(diào)速技術(shù)用于液壓系統(tǒng),油泵的輸出流量可以通過電機(jī)的轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)，相比變量泵系統(tǒng)省去了復(fù)雜的變排量控制機(jī)構(gòu)，簡化了液壓回路,提高了系統(tǒng)可靠性，減少了液壓系統(tǒng)的能量損失,提高了系統(tǒng)效率。Helbig[1]對變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵和普通電機(jī)驅(qū)動變量泵的運(yùn)行效率進(jìn)行了比較，結(jié)果表明：在空載時，變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵系統(tǒng)電機(jī)輸入功率很小，普通電機(jī)驅(qū)動變量泵電機(jī)的輸入功率卻為額定值的90%；在中等載荷時，變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵的效率比普通電機(jī)驅(qū)動變量泵的效率高；在滿載時，兩者效率接近。異步電機(jī)最常用的是恒壓頻比控制，即保持電壓和頻率比恒定，從而使電機(jī)的磁通基本保持不變。在額定轉(zhuǎn)速下，定子電壓較高，可以忽略定子繞組的漏磁阻抗壓降，但頻率較低時，定子電壓降低，此時定子繞組的漏磁阻抗壓降已不能忽略，從而引起電機(jī)氣隙磁通顯著減小，因而在低頻區(qū)電機(jī)轉(zhuǎn)矩明顯下降。如果采用定子壓降補(bǔ)償功能，會使電機(jī)低頻時的效率大幅下降，從而使整個液壓系統(tǒng)的效率大幅降低[2]，因此變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵的動力源不適合用于高壓小流量液壓系統(tǒng)。

(4)變頻異步電機(jī)驅(qū)動變量泵。一般泵都有最低轉(zhuǎn)速限制，否則轉(zhuǎn)速過低會使泵的容積效率很低。由于變頻異步電機(jī)采用了調(diào)速電機(jī)和變量泵，使泵的輸出流量調(diào)節(jié)方式具有多樣性，如設(shè)定電機(jī)的最低轉(zhuǎn)速高于泵的最低轉(zhuǎn)速，這樣可以避開泵的容積效率過低的問題，在電機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)速以下采用變排量控制，在電機(jī)設(shè)定的轉(zhuǎn)速以上采用變轉(zhuǎn)速控制或變轉(zhuǎn)速與變排量復(fù)合控制，對于系統(tǒng)要求高動態(tài)響應(yīng)的采用變排量控制。Yutaka等[3]和Azmeier等[4]對變頻電機(jī)驅(qū)動變量泵系統(tǒng)的效率進(jìn)行了試驗，結(jié)果表明，變頻電機(jī)驅(qū)動變量泵的效率高于變頻電機(jī)驅(qū)動定量泵和普通電機(jī)驅(qū)動變量泵的效率。變頻異步電機(jī)驅(qū)動變量泵的缺點(diǎn)是系統(tǒng)復(fù)雜，抗污染能力差，性價比不高，因此適合用于對系統(tǒng)效率和響應(yīng)速度要求較高的場合。

以上幾種常見液壓動力源都使用了應(yīng)用最為廣泛的異步電機(jī)作為原動機(jī)，而異步電機(jī)自身也有諸多缺點(diǎn):首先，異步電機(jī)定子電流可分解為兩部分，一部分是用以在轉(zhuǎn)子中形成磁場的勵磁電流，另一部分為用于輸出轉(zhuǎn)矩的負(fù)載電流，無論電機(jī)是否有實際轉(zhuǎn)矩輸出，勵磁電流都存在，并且在低速或空載情況下勵磁電流所占比例會更大，而勵磁電流的存在會消耗一定的電機(jī)功率，即使使用變頻驅(qū)動技術(shù)能夠減小異步電機(jī)定子電流，起到一定的節(jié)能效果，也不能從根本上消除勵磁電流的存在，因此使用異步電動機(jī)節(jié)能效果有限；其次，異步電機(jī)的功率因數(shù)較低，在額定載荷時約為0.7～0.9，而在輕載或空載時更低，只有0.2～0.3；再次，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量較大，影響系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)速度。

2 永磁同步電機(jī)驅(qū)動的液壓動力源

2.1 永磁同步電機(jī)的節(jié)能原理

永磁同步電機(jī)和感應(yīng)電機(jī)相比，由于采用了稀土永磁材料作為電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁極材料，從根本上不需要產(chǎn)生無功勵磁電流，所以可以顯著提高功率因數(shù)(功率因數(shù)可達(dá)到1)，減少定子電流和定子電阻的損耗。在穩(wěn)定運(yùn)行期間沒有轉(zhuǎn)子電阻損耗，進(jìn)而可以因總損耗降低而減小風(fēng)扇的損耗，小功率的永磁同步電機(jī)甚至可以去掉風(fēng)扇。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)子磁極基本恒定，所以電機(jī)無論是在低速運(yùn)轉(zhuǎn)還是在高速運(yùn)轉(zhuǎn)都可以輸出較大的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，在25%～120%額定負(fù)載范圍內(nèi)均可保持較高的效率和功率因數(shù)，另外永磁同步電機(jī)還具有過載倍數(shù)大、響應(yīng)速度快、運(yùn)行平穩(wěn)和體積小等優(yōu)點(diǎn)[5]。

2.2 永磁同步電機(jī)驅(qū)動的液壓源方案

本方案采用正弦波永磁同步電動機(jī)驅(qū)動齒輪泵[6]，正弦波永磁同步電動機(jī)相對于矩形波永磁同步電動機(jī)有調(diào)速范圍寬、轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速平穩(wěn)、動態(tài)響應(yīng)快速準(zhǔn)確、單位電流轉(zhuǎn)矩大等優(yōu)點(diǎn)。所選齒輪泵具有性價比高、抗污染能力強(qiáng)、噪聲低和運(yùn)行可靠等優(yōu)點(diǎn)。永磁同步電機(jī)自帶光電編碼器，與伺服控制器構(gòu)成閉環(huán)控制系統(tǒng)，由伺服控制器控制電機(jī)轉(zhuǎn)速進(jìn)而控制齒輪泵的輸出流量。

液壓源的使用工況不同，對電機(jī)的控制方式也不盡相同。如負(fù)載變化較大而負(fù)載速度較為穩(wěn)定的場合，適于用流量反饋信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)壓力自適應(yīng)控制；負(fù)載速度變化較大而負(fù)載大小較為穩(wěn)定的場合，適于用壓力反饋信號控制電機(jī)轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)流量自適應(yīng)控制；而對于負(fù)載大小和速度均變化的場合，應(yīng)使用壓力信號、流量信號分別控制電機(jī)的轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)功率自適應(yīng)控制。此外還應(yīng)考慮其他因素對系統(tǒng)的影響，如油液溫度、系統(tǒng)壓力對泄漏量的影響。

3 永磁電機(jī)驅(qū)動的液壓動力源實驗原理

本實驗采用2.2kW永磁同步電機(jī)和排量為4.25mL/r齒輪泵作為液壓動力源，由上位計算機(jī)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速、給液壓系統(tǒng)加載和采集相關(guān)數(shù)據(jù)，具體原理如圖1所示。系統(tǒng)由上位計算機(jī)設(shè)定電機(jī)轉(zhuǎn)速控制電壓，并通過伺服控制器對永磁電機(jī)進(jìn)行閉環(huán)轉(zhuǎn)速控制，相當(dāng)于控制了齒輪泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)了齒輪泵的輸出流量，改變了齒輪泵作為定量泵的特性，拓展了齒輪泵的應(yīng)用范圍。同時上位計算機(jī)還負(fù)責(zé)控制比例溢流閥給液壓系統(tǒng)加載、采集分析相關(guān)數(shù)據(jù)等。為了驗證永磁電機(jī)驅(qū)動液壓源的各項性能指標(biāo)，特地用相同功率的三相異步電機(jī)做同一實驗，實驗時將永磁電機(jī)和伺服控制器換成異步電機(jī)和通用變頻器，此外由于異步電機(jī)是基于頻率的開環(huán)控制，因此還需加裝電機(jī)的轉(zhuǎn)速測量裝置。

為了對兩種不同電機(jī)拖動下的液壓動力系統(tǒng)進(jìn)行對比分析，需要給定相同的負(fù)載工況，即系統(tǒng)壓力相同、油泵轉(zhuǎn)速相同。

永磁電機(jī)實驗步驟如下：①通過電磁換向閥4關(guān)閉齒輪馬達(dá)3，調(diào)節(jié)電磁溢流閥5(這里當(dāng)安全閥使用)，設(shè)定系統(tǒng)最大壓力為10MPa，打開齒輪馬達(dá)3；②上位計算機(jī)9通過D/A轉(zhuǎn)換器15、伺服控制器10控制電機(jī)轉(zhuǎn)速；③同理上位計算機(jī)9通過D/A轉(zhuǎn)換器15調(diào)節(jié)比例溢流閥2，即通過調(diào)節(jié)齒輪馬達(dá)的回路壓力來模擬負(fù)載壓力；④重復(fù)步驟②和步驟③，由計算機(jī)9采集不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)載壓力時的數(shù)據(jù)。

異步電機(jī)實驗步驟與永磁電機(jī)基本相同。由于異步電機(jī)存在轉(zhuǎn)差率，其轉(zhuǎn)速隨著負(fù)載的增大略有下降。為了保證工況相同，異步電機(jī)加載時要同時緩慢增大電機(jī)轉(zhuǎn)速，也就是進(jìn)行轉(zhuǎn)差頻率補(bǔ)償，直至與永磁電機(jī)實驗時的轉(zhuǎn)速相同、壓力相同時再采集相關(guān)數(shù)據(jù)。

由霍爾電壓、電流傳感器14采集的數(shù)據(jù)可計算出電機(jī)的輸入功率P1和功率因數(shù)cosφ。由組合傳感器6測得的壓力、流量信號可計算出泵的輸出功率P3。泵的輸入功率(電機(jī)的輸出功率)P2=nDppp，其中，n為泵的轉(zhuǎn)速，Dp為泵的排量，pp為泵的出口壓力。電機(jī)的效率η1=P1/P2；泵的效率η2=P2/P3；液壓動力源的總效率η3=P1/P3=η1η2。

4 不同電機(jī)驅(qū)動的液壓源對比分析

4.1 效率

4.1.1電機(jī)的效率及空載時的輸入功率

圖2 同步電機(jī)和異步電機(jī)的效率曲線

圖2所示為同步電機(jī)和異步電機(jī)分別在齒輪泵出口壓力為1MPa和6MPa時效率隨轉(zhuǎn)速變化的曲線。需要說明的是：本文計算異步電機(jī)的功率和效率時均未考慮異步電機(jī)散熱風(fēng)扇的功率和效率，而永磁同步電機(jī)依靠電機(jī)殼體散熱，無散熱風(fēng)扇。從圖2中可以看出，永磁同步電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速和不同負(fù)載時的效率都高于異步電機(jī)的效率。從負(fù)載大小來看，系統(tǒng)壓力為1MPa時，兩者效率差距較大，當(dāng)系統(tǒng)壓力增大到6MPa時，兩者差距減小，這說明同步電機(jī)比異步電機(jī)在輕載時更加節(jié)能；從電機(jī)轉(zhuǎn)速來看，低速時兩者效率相差較大，高速時則越來越接近，這說明同步電機(jī)在低速時比異步電機(jī)更加節(jié)能。異步電機(jī)效率低的主要原因是在低速輕載時輸入的功率較小，而此時轉(zhuǎn)子消耗功率所占比重增大，從而導(dǎo)致效率較低，而隨著轉(zhuǎn)速和負(fù)載的增大，電機(jī)輸入功率增大，轉(zhuǎn)子消耗功率所占比重減小，效率與同步電機(jī)的效率逐步接近。

在空載(系統(tǒng)壓力為0)時，電機(jī)效率幾乎為零，此時異步電機(jī)的輸入功率為同步電機(jī)輸入功率的1.5倍以上，如圖3所示，這說明同步電機(jī)空載時更為節(jié)能。

圖3 空載時電機(jī)輸入功率

4.1.2液壓泵的效率

從圖4可以看出，不同電機(jī)驅(qū)動的齒輪泵的效率在相同的工況下幾乎一致；隨著壓力的升高，泵的泄漏量增加，泵的效率降低，而低速時泵的泄漏量所占其理論輸出流量的比重較大，因此效率下降更為明顯；隨著轉(zhuǎn)速的增大，泵的效率增大，在低速時增大較快，高速時較為平緩，如果進(jìn)一步增加泵的轉(zhuǎn)速，其效率反而會降低，這主要是由于常壓下供油不足。

圖4 不同電機(jī)驅(qū)動時泵的效率

4.1.3液壓動力源的總效率

液壓動力源的總效率為電機(jī)效率和泵效率的乘積，雖然不同電機(jī)驅(qū)動時泵效率基本相同，但由于永磁同步電機(jī)的效率明顯高于異步電機(jī)，因此永磁同步電機(jī)驅(qū)動的液壓動力源的總效率也明顯高于異步電機(jī)的總效率(圖5)，其變化規(guī)律由電機(jī)和泵共同決定。

圖5 液壓系統(tǒng)的效率

4.2 功率因數(shù)

永磁同步電機(jī)的功率因數(shù)在不同轉(zhuǎn)速和不同壓力工況下始終接近于1，而異步電機(jī)的功率因數(shù)受負(fù)載影響較大，如圖6所示，在空載時還不到0.2，在6MPa(中等載荷)時為0.5左右。功率因數(shù)低會增加變頻器的裝機(jī)容量，增大無功功率，而無功功率在傳輸過程中會消耗大量的有功功率，因此異步電機(jī)不適合較長時間空載或輕載運(yùn)行。

圖6 電機(jī)的功率因數(shù)

4.3 液壓源的流量剛度

圖7所示為兩種電機(jī)驅(qū)動的液壓源流量-壓力特性曲線(未進(jìn)行轉(zhuǎn)差頻率補(bǔ)償)。當(dāng)系統(tǒng)壓力升高時，泵的泄漏量增加，油液的壓縮量也增加，因此泵的實際輸出流量Q會減小，而流量減小會影響液壓缸和液壓馬達(dá)的速度剛度。異步電機(jī)設(shè)定的是定子磁場的同步轉(zhuǎn)速，由于轉(zhuǎn)差率的存在，異步電機(jī)驅(qū)動的液壓源除了泄漏和壓縮量損失外還存在轉(zhuǎn)差流量損失，隨著負(fù)載增加，轉(zhuǎn)差率增大，轉(zhuǎn)差流量損失增大，實際輸出流量減小，流量剛度降低；而同步電機(jī)的轉(zhuǎn)速與設(shè)定轉(zhuǎn)速一致，沒有轉(zhuǎn)差流量損失，因此同步電機(jī)驅(qū)動的液壓源流量剛度要大于異步電機(jī)的流量剛度。

圖7 流量-壓力特性曲線

4.4 負(fù)載功率匹配特性

如圖8所示，隨著負(fù)載功率的增加，電機(jī)的輸入功率也增加，兩種電機(jī)驅(qū)動的液壓源都能夠與負(fù)載所需功率相匹配。輸入功率與負(fù)載功率曲線之間為液壓源自身損耗的功率，主要包括電機(jī)、泵和聯(lián)軸器的功率損失，這種損失越小，負(fù)載匹配特性越好、越節(jié)能。由圖8可以看出，永磁同步電機(jī)的負(fù)載匹配特性優(yōu)于異步電機(jī)的負(fù)載匹配特性，輕載時的節(jié)能性更好。

圖8 負(fù)載匹配特性曲線

4.5 響應(yīng)快速性

與傳統(tǒng)變量泵控制流量方式不同，變頻液壓調(diào)速通過改變泵的轉(zhuǎn)速控制流量，因此液壓源的動特性完全取決于電機(jī)的響應(yīng)速度。一般電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量遠(yuǎn)大于齒輪泵的轉(zhuǎn)動慣量，異步電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量又遠(yuǎn)大于永磁同步電機(jī)的轉(zhuǎn)動慣量(表1)。異步電機(jī)功率因數(shù)低，與其匹配的變頻器容量較大，這就限制了變頻器的過載能力，也進(jìn)一步影響電機(jī)的響應(yīng)速度。永磁同步電機(jī)轉(zhuǎn)動慣量小，與其匹配的伺服控制器過載能力強(qiáng)，并且采用了矢量控制技術(shù)，所以具有良好的動態(tài)特性，能夠滿足電機(jī)短時需要大功率的要求。

表1 電機(jī)、泵、聯(lián)軸器的轉(zhuǎn)動慣量

圖9 液壓源階躍響應(yīng)曲線

圖9所示為液壓源在空載時電機(jī)由靜止加速到1500r/min時的階躍響應(yīng)曲線，同步電機(jī)液壓源階躍響應(yīng)時間為90ms，明顯優(yōu)于異步電機(jī)的370ms，若能將永磁電機(jī)與泵加工成一個整體，省略掉聯(lián)軸器，則電機(jī)的響應(yīng)會更快。同步電機(jī)液壓源響應(yīng)的快速性不但能夠改善整個液壓系統(tǒng)的動態(tài)性能，還能夠在空載時降速運(yùn)行或停機(jī)以節(jié)約能源、減少機(jī)械磨損，并且在下次有載運(yùn)行時能很快恢復(fù)到系統(tǒng)所需的轉(zhuǎn)速，提供足夠動力。

5 結(jié)語

本文將永磁同步電機(jī)體積小、節(jié)能、調(diào)速性好的拖動性能與齒輪油泵簡單、可靠、易維護(hù)的使用性能相結(jié)合，設(shè)計了一種節(jié)能型液壓動力源，旨在研究齒輪泵的調(diào)速性能并拓展其應(yīng)用范圍。實驗結(jié)果表明：永磁同步電機(jī)驅(qū)動的液壓動力源與異步電機(jī)變頻調(diào)速驅(qū)動的液壓動力源相比，無論是負(fù)載大小、轉(zhuǎn)速高低都具有更好的負(fù)載匹配特性，并且轉(zhuǎn)速越低、負(fù)載越小，節(jié)能效果越顯著，轉(zhuǎn)速越高、負(fù)載越大兩者節(jié)能效果越接近。此外永磁電機(jī)驅(qū)動的液壓動力源還具有響應(yīng)速度快、調(diào)速精度高、低速穩(wěn)定性好、功率因數(shù)高等優(yōu)點(diǎn)。

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