變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路速度特性分析

聞德生,甄新帥,陳帆,周聰,柴偉超,王京

(燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,066004,河北秦皇島)

?

變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路速度特性分析

聞德生,甄新帥,陳帆,周聰,柴偉超,王京

(燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,066004,河北秦皇島)

針對(duì)普通電機(jī)多輸出泵調(diào)速回路存在功率損失、變頻電機(jī)定量單泵調(diào)速回路動(dòng)態(tài)特性差及流量輸出范圍受泵轉(zhuǎn)速范圍的限制等問題,提出一種新型變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路。該新型回路可以通過變頻電機(jī)進(jìn)行無級(jí)調(diào)速,節(jié)省了普通電機(jī)多輸出泵調(diào)速回路中的功率損失;通過多輸出泵的多級(jí)容積調(diào)速,在不改變泵的允許轉(zhuǎn)速范圍的情況下,擴(kuò)大了變頻電機(jī)定量單泵調(diào)速回路的流量輸出范圍,并且能夠得到多條速度特性線。理論分析表明,新型回路沒有功率損失,最小輸出流量隨排量比例系數(shù)的增加而減小,最大輸出流量隨排量比例系數(shù)和多輸出泵作用數(shù)的增加而增加。AMEsim仿真結(jié)果表明,通過選擇不同的速度特性線,新型回路可以滿足不同工況對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的要求,提高了回路的適應(yīng)性。

液壓調(diào)速回路;變頻調(diào)速;多輸出泵;速度特性;節(jié)能;動(dòng)態(tài)響應(yīng)

速度控制回路的作用是調(diào)節(jié)執(zhí)行元件的運(yùn)動(dòng)速度,或者使執(zhí)行元件在不同速度之間進(jìn)行切換,它對(duì)系統(tǒng)的工作性能和其他基本回路的選擇起著決定性的作用。現(xiàn)有3種傳統(tǒng)的調(diào)速回路:①節(jié)流調(diào)速回路采用定量泵供油,通過改變流量控制閥通流面積的大小調(diào)節(jié)流入或流出執(zhí)行元件的流量實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié),這種回路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、調(diào)速范圍大,但效率低、發(fā)熱量大;②容積調(diào)速回路通過改變變量泵或變量馬達(dá)的排量實(shí)現(xiàn)調(diào)速,這種調(diào)速方式?jīng)]有溢流和節(jié)流損失且效率高,但結(jié)構(gòu)復(fù)雜;③容積節(jié)流調(diào)速回路采用變量泵供油,配合流量控制閥進(jìn)行調(diào)速[1-4]。

變頻調(diào)速技術(shù)是一種新型調(diào)速技術(shù),在機(jī)床、橡膠機(jī)械等各類固定式機(jī)械的液壓系統(tǒng)及挖掘機(jī)等行走機(jī)械的液壓系統(tǒng)中獲得了應(yīng)用。該類液壓系統(tǒng)以變頻電機(jī)作為原動(dòng)機(jī),以定量單泵作為輸出油源,即變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路,通過改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速而改變泵的輸出流量。該類調(diào)速回路能實(shí)現(xiàn)泵輸出流量與負(fù)載流量的匹配,無溢流損失,節(jié)能效果顯著且控制精度高[5-7]。但是,變頻技術(shù)在調(diào)速回路中應(yīng)用時(shí)有2個(gè)問題:①為了保證液壓泵能夠吸油充分和正常工作,液壓泵應(yīng)保持適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)速范圍,過低或過高都不合適,這樣就限制了變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速范圍,亦即液壓泵輸出流量的范圍;②在變頻調(diào)速液壓系統(tǒng)中,響應(yīng)最慢的元件是變頻器和電動(dòng)機(jī),這樣在高響應(yīng)的液壓系統(tǒng)中對(duì)變頻技術(shù)就提出了更高的要求,增加了成本[8]。

多輸出泵是一種新型液壓元件,它在一個(gè)泵中實(shí)現(xiàn)多個(gè)泵的功能,有多個(gè)輸出油口,各個(gè)油口之間相互獨(dú)立互不影響。多輸出泵分為并聯(lián)型和比例型,前者是在一個(gè)泵中實(shí)現(xiàn)多個(gè)排量相同的泵,后者是在一個(gè)泵中實(shí)現(xiàn)多個(gè)排量成比例的泵,多輸出泵組成的調(diào)速回路的調(diào)速原理為多級(jí)容積調(diào)速[9-11]。現(xiàn)有的多輸出泵調(diào)速回路都是在傳統(tǒng)調(diào)速回路的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)的,為普通電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路,與普通電機(jī)-定量單泵相比,該類回路具有功率損失少、能適應(yīng)多個(gè)負(fù)載等優(yōu)點(diǎn)[12],但是這種調(diào)速回路仍然有節(jié)流損失和溢流損失,不能實(shí)現(xiàn)與負(fù)載的完全匹配。目前,對(duì)變頻電機(jī)-多輸出泵的組合調(diào)速問題的研究尚無人涉及。

本文在充分研究變頻調(diào)速、多輸出泵調(diào)速的基礎(chǔ)上,以變頻電機(jī)-比例型單作用多輸出泵為例,對(duì)變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路的速度特性和控制方法進(jìn)行研究。

1 變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路的速度特性和控制方法

1.1 變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路速度特性分析

以變頻電機(jī)-比例型單作用多輸出泵調(diào)速回路(簡(jiǎn)稱變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路)為例進(jìn)行分析,單作用多泵有一個(gè)內(nèi)泵和一個(gè)外泵,設(shè)內(nèi)外泵排量比例系數(shù)為C,內(nèi)泵的排量q1(流量Q1)與外泵的排量q2(流量Q2)之間的關(guān)系為

q2=Cq1

(1)

Q2=CQ1

(2)

圖1所示為變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路的系統(tǒng)原理圖。變頻電機(jī)帶動(dòng)單作用多泵,通過組合閥和換向閥驅(qū)動(dòng)液壓缸運(yùn)動(dòng),溢流閥起安全保護(hù)作用。該回路的電磁鐵工作情況見表1(表中只給出了液壓缸前進(jìn)時(shí)的電磁鐵得電情況),其中YA表示電磁鐵。

圖1 變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路原理圖

當(dāng)圖1回路采用普通異步電機(jī)時(shí),即為普通電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路,泵的轉(zhuǎn)速不變,單作用多泵只能輸出3種定流量,雖然通過有級(jí)容積調(diào)速在一定程度上實(shí)現(xiàn)了與負(fù)載流量的匹配,相對(duì)普通電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路減少了功率損失,但需要無級(jí)調(diào)節(jié)液壓缸的速度時(shí),只能在回路中增加節(jié)流閥,仍然會(huì)產(chǎn)生節(jié)流損失和溢流損失。

表1 變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路電磁鐵動(dòng)作順序表

圖2所示為變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路中液壓泵的輸出流量隨變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速而變化的速度特性圖。由圖可知,變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路有3條速度特性線。設(shè)變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路的速度特性與圖2中外泵的速度特性相同,則變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路要比變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路多出2條速度特性線。通過調(diào)節(jié)變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速和改變內(nèi)外泵的組合方式,理論上可以實(shí)現(xiàn)液壓缸從0到最大值范圍內(nèi)的無級(jí)調(diào)速,無節(jié)流和溢流損失,但變頻電機(jī)必須在泵轉(zhuǎn)速允許的范圍內(nèi)對(duì)液壓缸進(jìn)行無級(jí)調(diào)速,即電機(jī)轉(zhuǎn)速必須在nmin與nmax之間變化。

圖2 變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路的速度特性圖

泵的輸出流量為

Q1=nq1

(3)

Q2=nq2=Cnq1

(4)

Q3=n(q1+q2)=(1+C)nq1

(5)

式中:n為變頻電機(jī)轉(zhuǎn)速;Q3為內(nèi)外泵組合輸出流量。變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路泵的最小輸出流量和最大輸出流量分別為

Q2min=nminq2=Cnminq1

(6)

Q2max=nmaxq2=Cnmaxq1

(7)

變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路泵的最小輸出流量和最大輸出流量分別為

Q1min=nminq1

(8)

Q3max=nmax(q1+q2)=(1+C)nmaxq1

(9)

變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路與變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路最小輸出流量之差和最大輸出流量之差分別為

ΔQmin=Q2min-Q1min=(C-1)nminq1

(10)

ΔQmax=Q3max-Q2max=nmaxq1

(11)

所以,變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路比變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路有更低的最小輸出流量和更高的最大輸出流量,即有更大的流量調(diào)節(jié)范圍。

通過以上分析可知,在不改變泵允許轉(zhuǎn)速的條件下,與變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路相比,變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路擴(kuò)大了流量的輸出范圍。在變頻電機(jī)-比例型多作用多輸出泵和變頻電機(jī)-并聯(lián)多輸出泵調(diào)速回路中,由于泵或速度特性線數(shù)量的增加,其輸出的流量范圍將進(jìn)一步增大。表2總結(jié)了變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路與變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路ΔQmin與ΔQmax的規(guī)律。

表2 最小及最大流量差規(guī)律表

1.2 變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路控制方法研究

仍以單作用多泵為例,圖3所示為變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路分段流量圖。由圖可知,內(nèi)泵輸出、外泵輸出、內(nèi)外泵組合輸出的速度特性線的斜率依次增大,即電機(jī)的轉(zhuǎn)速每變化1 r/min,泵輸出流量的變化值依次增加;在負(fù)載流量由Q3變化到Q4的過程中,設(shè)3種供油方式下電機(jī)轉(zhuǎn)速變化的范圍依次為Δn1、Δn2、Δn3,易知Δn1>Δn2>Δn3;設(shè)3種供油方式下電機(jī)轉(zhuǎn)速每變化1 r/min所用時(shí)間Δt相等,則3種供油方式下該過程所用的時(shí)間依次為

圖3 變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路分段流量圖

(12)

t2=Δn2Δt

(13)

t3=Δn3Δt

(14)

t1>t2>t3

(15)

式中:t1為內(nèi)泵輸出所用時(shí)間;t2為外泵輸出所用時(shí)間;t3為內(nèi)外泵組合輸出所用時(shí)間;Δt為電機(jī)轉(zhuǎn)速每變化1 r/min所用時(shí)間。

圖4所示為液壓缸驅(qū)動(dòng)負(fù)載原理圖。

圖4 液壓缸驅(qū)動(dòng)負(fù)載原理圖

活塞與負(fù)載的力平衡方程為

(16)

其中

(17)

(18)

式中:AP為活塞有效面積;PL為負(fù)載壓力;m為負(fù)載質(zhì)量;y為負(fù)載位移;BP為黏性阻尼系數(shù);FL為負(fù)載力;Q為流量變化過程中某一時(shí)刻的負(fù)載流量;T為流量變化過程中的某一時(shí)刻。

由式(17)～式(19)可得,當(dāng)T=t時(shí),PL的最大值為

(19)

將t=ti(i=1、2、3)代入式(19),再由式(15)可得

PL1max

(20)

所以,當(dāng)負(fù)載流量由某一值升高到調(diào)定值時(shí),速度特性線中的斜率越大,則所用時(shí)間越少,壓力峰值越大,即快速性增加,穩(wěn)定性減弱[13-14]。由此可知,在要求穩(wěn)定性高的場(chǎng)合,控制系統(tǒng)遵循斜率就低原則,即優(yōu)先選擇斜率小的速度特性線,在要求快速性的場(chǎng)合,控制系統(tǒng)遵循斜率就高原則,即優(yōu)先選擇斜率大的速度特性線。所以,在執(zhí)行元件要求的每一個(gè)流量段內(nèi),可以根據(jù)工況對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)要求選擇相應(yīng)的供油方式。與變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路的一條速度特性線相比,變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路在不改變變頻器和電機(jī)的條件下,通過選擇不同斜率的速度特性線(即不同的組合供油方式)就能滿足液壓系統(tǒng)在不同工況下的響應(yīng)要求,減小了對(duì)變頻器和電機(jī)的要求,降低了成本。表3是每段流量采用的泵的組合方式與響應(yīng)要求之間的關(guān)系。

表3 多輸出泵組合輸出方式與響應(yīng)要求的關(guān)系

隨著泵作用數(shù)的增加,速度特性線的數(shù)量也隨著增加,那么控制系統(tǒng)在每個(gè)流量段可供選擇的斜率即控制方式也在增加,這對(duì)于系統(tǒng)滿足多個(gè)響應(yīng)需求具有重要意義。

2 系統(tǒng)仿真

綜合上述分析,利用AMEsim軟件對(duì)圖1所示的變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路進(jìn)行建模和仿真,系統(tǒng)模型如圖5所示。因?yàn)槎噍敵霰檬且环N新型液壓元件,在液壓庫中沒有相應(yīng)的模塊,所以用一個(gè)轉(zhuǎn)速控制信號(hào)控制兩個(gè)變頻電機(jī),并用兩個(gè)排量不同的定量單泵分別代替多泵中的內(nèi)泵和外泵。表4和表5分別為液壓系統(tǒng)的元件參數(shù)值和系統(tǒng)仿真參數(shù)值的設(shè)置。根據(jù)搭建的系統(tǒng)圖及仿真參數(shù),得出了在3種不同的供油情況下,負(fù)載流量由初始流量變化到調(diào)定流量的過程中負(fù)載速度隨時(shí)間的變化規(guī)律,如圖6所示。

圖5 變頻電機(jī)-單作用多泵調(diào)速回路仿真原理圖

圖6中:0～2 s是系統(tǒng)啟動(dòng)階段,速度由振動(dòng)逐漸趨于平穩(wěn);在速度上升階段,供油方式不同則上升時(shí)間隨之變化,組合輸出流量越大,上升時(shí)間就越少,快速性增加,3種供油方式所用時(shí)間依次約為1、

表4 液壓系統(tǒng)元件參數(shù)表

表5 仿真參數(shù)表

(a)內(nèi)泵單獨(dú)供油

(b)外泵單獨(dú)供油

(c)內(nèi)外泵同時(shí)供油圖6 不同供油方式下負(fù)載速度的變化

0.7、0.4 s;系統(tǒng)運(yùn)行至4.3 s左右時(shí),液壓缸行程結(jié)束,負(fù)載速度為0,但當(dāng)速度下降到0時(shí)內(nèi)外泵同時(shí)供油要比內(nèi)泵單獨(dú)供油的速度振蕩明顯增加,即穩(wěn)定性隨著組合輸出流量的增大而減弱,驗(yàn)證了理論分析的正確性,但其振蕩原因尚需深入研究。

3 結(jié) 論

本文通過對(duì)變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路速度特性的分析,可以得出以下結(jié)論。

(1)與普通電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路相比,變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路減少了節(jié)流損失和溢流損失,節(jié)約了能量。

(2)在不改變泵允許轉(zhuǎn)速的情況下,與變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路相比,變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路擴(kuò)大了流量輸出范圍,即擴(kuò)大了執(zhí)行元件的速度調(diào)節(jié)范圍。

(3)在不改變變頻器的情況下,變頻電機(jī)-多輸出泵調(diào)速回路通過在每個(gè)流量段選擇不同的供油方式,就可以滿足系統(tǒng)在不同工況下穩(wěn)定性、快速性的響應(yīng)要求,與變頻電機(jī)-定量單泵調(diào)速回路相比,降低了對(duì)變頻器和電機(jī)的要求,減少了成本。

[1] 李壯云. 液壓元件與系統(tǒng) [M]. 3版. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2011: 307-325.

[2] 官忠范. 液壓傳動(dòng)系統(tǒng) [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2004: 41-99.

[3] 崔培雪, 鳳憲琴. 典型液壓氣動(dòng)回路600例 [M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2011: 3-15.

[4] 邵俊鵬, 周德繁, 韓桂華, 等. 液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)禁忌 [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008: 146-165.

[5] 張利平. 液壓傳動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與使用 [M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2010: 343-346.

[6] 彭天好, 徐兵, 楊華勇. 變頻液壓技術(shù)的發(fā)展及研究綜述 [J]. 浙江大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版), 2004, 28(2): 215-221. PENG Tianhao, XU Bing, YANG Huayong. Development and research overview on variable frequency hydraulic technology [J]. Journal of Zhejiang University (Engineering Science), 2004, 28(2): 215-221.

[7] 黎勉, 羅勇武, 查曉春, 等. 交流變頻調(diào)速在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用 [J]. 機(jī)床與液壓, 1997(6): 15-16. LI Mian, LUO Yongwu, ZHA Xiaochun, et al. Application of speed control with AC frequency conver-sion in hydraulic system [J]. Machine Tool & Hydraulics, 1997(6): 15-16.

[8] 馮開林, 劉廣瑞. 變頻調(diào)速在液壓技術(shù)中的應(yīng)用研究 [J]. 山東工程學(xué)院學(xué)報(bào), 1997, 11(2): 28-30. FENG Kailin, LIU Guangrui. A study on application of conversion technology for governing speed in hydraulic system [J]. Journal of Shandong Institute of Technology, 1997, 11(2): 28-30.

[9] 劉巧燕, 李喜田, 高俊峰, 等. 比例型多泵多馬達(dá)傳動(dòng)概述 [J]. 液壓氣動(dòng)與密封, 2015(5): 1-3. LIU Qiaoyan, LI Xitian, GAO Junfeng, et al. The overview of proportional multi-pump and multi-motor transmission system [J]. Hydraulics Pneumatics & Seals, 2015(5): 1-3.

[10]WEN Desheng, WANG Zhili. Output speed and flow of double-acting double-stator multi-pumps and multi-motors [J]. Journal of Zhejiang University: Science A Applied Physics & Engineering, 2011, 12(4): 301-309.

[11]WEN Desheng. Theoretical analysis of output speed of multi-pump and multi-motor driving system [J]. Science China: Technological Science, 2011, 54(4): 992-997.

[12]聞德生, 郭高峰, 杜孝杰, 等. 新型液壓多泵在液壓調(diào)速系統(tǒng)中的節(jié)能分析 [J]. 中國機(jī)械工程, 2011, 22(24): 2966-2969. WEN Desheng, GUO Gaofeng, DU Xiaojie, et al. Research on energy-saving methods for hydraulic speed-regulating circuit based on multi-pump [J]. Chinese Journal of Mechanical Engineering, 2011, 22(24): 2966-2969.

[13]孔祥東, 王益群. 控制工程基礎(chǔ) [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 2008: 127-132.

[14]王春行. 液壓控制系統(tǒng) [M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社, 1999: 40-47.

(編輯 武紅江)

Speed Characteristic Analysis for Speed Regulation Circuit of YVF-Multi-Output Pumps

WEN Desheng,ZHEN Xinshuai,CHEN Fan,ZHOU Cong,CHAI Weichao,WANG Jing

(College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao, Hebei 066004, China)

A new speed regulation circuit driven by a YVF-multi-output pump is proposed to deal with problems that there exist energy loss in general motor-multi-output pump speed regulation circuits,and the YVF-constant single pump speed regulation circuit has the disadvantage of poor dynamic response and its output flow is restricted by the allowable range of pump speeds. The proposed circuit saves energy loss of general motor-multi-output pump speed regulation circuits through the stepless speed control of YVF. The range of output flow is expanded without changing the allowable range of pump speeds, and multiple speed characteristic lines are obtained through the step speed control of multi-output pump. Theoretical analysis shows that there is no energy loss in new circuit, and the minimum output flow decreases as the displacement ratio of multi-output pump increases and the maximum output flow increases as both the ratio and the action number of multi-output pumps increase. The results of AMEsim simulation show that the proposed circuit meets the dynamic responses of different working conditions and improves the adaptability of the speed regulation circuit through selecting different speed characteristic lines.

hydraulic speed regulation circuit; variable frequency speed regulating; multi-output pump; speed characteristic; energy saving; dynamic response

2016-04-12。

聞德生(1954—),男,教授,博士生導(dǎo)師。

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(50975246)。

時(shí)間:2016-09-02

http:∥www.cnki.net/kcms/detail/61.1069.T.20160902.1630.002.html

10.7652/xjtuxb201610015

TH137.1

A

0253-987X(2016)10-0099-05