基于Amesim的電功率回收型液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)仿真

摘要：針對(duì)傳統(tǒng)液壓臺(tái)通過(guò)節(jié)流和溢流調(diào)試能源消耗過(guò)高，液壓系統(tǒng)溫升過(guò)快的不足，本文提出了一種基于電功率回收型液壓實(shí)驗(yàn)臺(tái)，介紹了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成和工作原理，分析設(shè)計(jì)了各組成部件的關(guān)鍵參數(shù)，基于Amesim建立了功率回收型液壓系統(tǒng)模型，通過(guò)該模型對(duì)液壓系統(tǒng)的功率回收效率和泵排量響應(yīng)特性進(jìn)行仿真分析。研究表明：通過(guò)電功率回收方式，實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以降低系統(tǒng)的功率消耗，減少系統(tǒng)散熱。

關(guān)鍵詞：節(jié)能;電力回收;Amesim;復(fù)合能源

0? 引言

隨著能源的日益緊張和環(huán)境問(wèn)題的日益嚴(yán)峻，節(jié)能減排作為解決兩大問(wèn)題的重要手段和方法，有效的利用能源成為液壓行業(yè)的目標(biāo)。目前國(guó)內(nèi)對(duì)此已開(kāi)展了部分研究，國(guó)內(nèi)長(zhǎng)安大學(xué)王振川提出一種電能回收方式，采用能量轉(zhuǎn)換方式存儲(chǔ)能量，并通過(guò)Amesim對(duì)其節(jié)能效果進(jìn)行仿真[1]。本文提出了一種電功率回收的液壓泵、馬達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，并利用Amesim軟件建立新型的電功率回收能量的液壓泵實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ停诓煌募虞d方式下對(duì)回收效率進(jìn)行仿真。

1? 實(shí)驗(yàn)臺(tái)液壓系統(tǒng)組成和工作原理

液壓試驗(yàn)臺(tái)包括變量泵和變量馬達(dá)組成的液壓回路，能量回收系統(tǒng)和復(fù)合電源系統(tǒng)，智能控制平臺(tái)及相關(guān)信號(hào)檢測(cè)元件。通過(guò)直流電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)變量泵，變量泵輸出的高壓油帶動(dòng)負(fù)載變量馬達(dá)旋轉(zhuǎn)，變量馬達(dá)將輸入的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械扭矩，最后驅(qū)動(dòng)直流發(fā)電機(jī)，從而把液壓油的內(nèi)能轉(zhuǎn)化為電能，將產(chǎn)生的電能通過(guò)儲(chǔ)能裝置存儲(chǔ)起來(lái)并回饋到電動(dòng)機(jī)中，不足的能量由電網(wǎng)補(bǔ)充供給電動(dòng)機(jī)，以達(dá)到能量循環(huán)利用的目的。

1.1 液壓回路

由變量泵、變量馬達(dá)、電動(dòng)機(jī)、直流發(fā)電機(jī)組成，電動(dòng)機(jī)用于被試液壓泵主體測(cè)試和加載。為了避免系統(tǒng)中的節(jié)流能量損失，系統(tǒng)主油路上沒(méi)有串聯(lián)任何閥件。變量馬達(dá)的輸出軸通過(guò)慣性塊與直流發(fā)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)軸相連，通過(guò)這種方式產(chǎn)生的電量存儲(chǔ)于復(fù)合電源中。在試驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，溢流閥決定系統(tǒng)的最高壓力，當(dāng)系統(tǒng)壓力超過(guò)設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)溢流。

在液壓系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)電動(dòng)機(jī)實(shí)際轉(zhuǎn)速并反饋給PI控制器，通過(guò)PI控制器控制電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，以實(shí)現(xiàn)對(duì)電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速的閉環(huán)控制;通過(guò)改變變量泵的排量，來(lái)調(diào)節(jié)變量泵的輸出流量，控制平臺(tái)輸出信號(hào)從0到1，泵排量由0排量到全排量。

1.2 能量回收系統(tǒng)

能量回收系統(tǒng)作為電功率回收液壓系統(tǒng)的重要組成部分，它由變量馬達(dá)、直流發(fā)電機(jī)，負(fù)載調(diào)節(jié)器組成，變量馬達(dá)和直流發(fā)電機(jī)通過(guò)慣性塊及旋轉(zhuǎn)扭矩產(chǎn)生器連接為一體，作為液壓系統(tǒng)的負(fù)載，通過(guò)調(diào)節(jié)扭矩大小，來(lái)改變系統(tǒng)負(fù)載。直流發(fā)電機(jī)通過(guò)開(kāi)關(guān)端口轉(zhuǎn)換控制器有選擇性地向蓄電池組供電。

1.3 復(fù)合能源系統(tǒng)

復(fù)合能源系統(tǒng)主要用于電能的存儲(chǔ)、交直流轉(zhuǎn)化，以及協(xié)同給發(fā)動(dòng)機(jī)供電，它由蓄電池組、DC/DC轉(zhuǎn)化器、AC/DC轉(zhuǎn)化器組成。蓄電池組由兩個(gè)蓄電池組成，這兩個(gè)蓄電池通過(guò)端口轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)輪流充放電，一個(gè)蓄電池通過(guò)端口轉(zhuǎn)化器與直流發(fā)電機(jī)相連，另一個(gè)蓄電池通過(guò)端口轉(zhuǎn)化器與DC/DC轉(zhuǎn)換器輸入端相連，當(dāng)被充電的蓄電池SOC狀態(tài)達(dá)到充電上限值時(shí)，控制平臺(tái)檢測(cè)到這一信號(hào)狀態(tài)并向端口轉(zhuǎn)換控制器發(fā)出轉(zhuǎn)換信號(hào)，控制端口轉(zhuǎn)化器進(jìn)行端口切換，從而實(shí)現(xiàn)這兩個(gè)蓄電池的充放電接口交換，被充滿電的蓄電池接入到DC/DC轉(zhuǎn)化器為電動(dòng)機(jī)供電，原功率輸出蓄電池又被接入直流發(fā)電機(jī)端口進(jìn)行充電，整個(gè)轉(zhuǎn)換過(guò)程實(shí)現(xiàn)能量的連續(xù)流動(dòng)。

1.4 智能控制平臺(tái)

它包括濾波電路、DSP處理器、光電隔離電路以及驅(qū)動(dòng)放大電路。采集各傳感器檢測(cè)系統(tǒng)壓力、流量、轉(zhuǎn)速、扭矩及蓄電池組SOC狀態(tài)等參數(shù)狀況，這些信號(hào)經(jīng)濾波電路處理后，輸入至DSP中，DSP對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行處理后經(jīng)光電隔離電路輸出PWM信號(hào)，PWM信號(hào)經(jīng)驅(qū)動(dòng)放大電路控制電機(jī)電樞電流，從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制，改變液壓泵、液壓馬達(dá)排量，控制負(fù)載調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使系統(tǒng)按照要求穩(wěn)定安全運(yùn)行。

2? 功率回收型液壓試驗(yàn)臺(tái)建模

針對(duì)本文研究的功率回收型液壓試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)，選擇Amesim中的液壓庫(kù)、機(jī)械庫(kù)、信號(hào)控制庫(kù)、電機(jī)及驅(qū)動(dòng)庫(kù)中的元件，所建立的仿真模型如圖2所示，該模型主要由液壓回路模塊、能量回收模塊、復(fù)合能源模塊，加載單元等組成，其中加載單元在能量回收模塊內(nèi)。

完成模型搭建后，分別在子模型模式下選擇最優(yōu)子模型，參數(shù)模式下設(shè)置相關(guān)參數(shù)。模型參數(shù)如表1所示。

3? 仿真分析

在上述所建立的功率回收型液壓試驗(yàn)臺(tái)模型上，選擇合理的負(fù)載工況進(jìn)行仿真，根據(jù)仿真結(jié)果對(duì)試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)的性能進(jìn)行分析，并對(duì)系統(tǒng)評(píng)價(jià)。

3.1 液壓系統(tǒng)功率回收效率試驗(yàn)

功率回收效率為發(fā)電機(jī)回收功率與電動(dòng)機(jī)輸出功率的比值。我們選取在液壓泵處在全排量，液壓馬達(dá)處在全排量，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速1500r/min的情況下，選取工況分別為20%，40%，60%，80%以及滿負(fù)載，來(lái)仿真該試驗(yàn)臺(tái)的功率回收效率，仿真時(shí)間均為100s。

圖1為負(fù)載變化曲線，在0-3s期間，負(fù)載線性上升，3s以后，負(fù)載穩(wěn)定。

圖2為系統(tǒng)功率回收效率曲線，在20%負(fù)載工況下，開(kāi)始階段，由于發(fā)電機(jī)回收功率為負(fù)值，固回收效率為負(fù)值，在0.24s時(shí)，系統(tǒng)回收效率達(dá)到最低點(diǎn)，在8s后，發(fā)電機(jī)回收功率大于0，系統(tǒng)回收效率為正值，隨著仿真的進(jìn)行，回收效率逐漸增加;在仿真終止時(shí)，系統(tǒng)的回收效率為47.1%。隨著負(fù)載扭矩的增大，回收效率也逐漸增加，變化趨勢(shì)不明顯，在滿載工況下，系統(tǒng)回收效率達(dá)55.9%。

經(jīng)過(guò)仿真驗(yàn)證，在液壓泵加載的實(shí)驗(yàn)中，系統(tǒng)需要從電網(wǎng)獲取的功率僅為試驗(yàn)驅(qū)動(dòng)功率的一半左右，其余均由回收的能量提供，能量利用率高，可減少系統(tǒng)的總裝機(jī)功率，降低系統(tǒng)的能耗。

3.2 液壓泵排量響應(yīng)時(shí)間試驗(yàn)

在液壓馬達(dá)處于全排量，電動(dòng)機(jī)恒轉(zhuǎn)速1500r/min的情況下，負(fù)載扭矩工況為1000N*m，600N*m，200N*m，在液壓泵排量控制端口輸入階躍信號(hào)，仿真液壓泵排量響應(yīng)動(dòng)態(tài)特性，得到零排量到滿排量的上升時(shí)間和由滿排量到零排量的下降時(shí)間。

由表2中得，升排量響應(yīng)時(shí)間和降排量響應(yīng)時(shí)間隨著負(fù)載扭矩的減小而縮短;在相同的負(fù)載扭矩下，升排量響應(yīng)時(shí)間比降排量響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)。

4? 結(jié)論

該功率回收型液壓試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)可以穩(wěn)定正常運(yùn)行，能量利用率高，降低系統(tǒng)的能耗，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了液壓泵的排量動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性隨負(fù)載壓力增大的變化情況，驗(yàn)證了功率回收型試驗(yàn)系統(tǒng)的正確性和實(shí)用性。該試驗(yàn)系統(tǒng)適用于大型機(jī)械的靜液壓作業(yè)驅(qū)動(dòng)等液壓泵或馬達(dá)的加載試驗(yàn)測(cè)試，試驗(yàn)臺(tái)系統(tǒng)總效率達(dá)56%，既可進(jìn)行間斷性測(cè)試，也可長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試，同時(shí)測(cè)試所需的電功率降低后，對(duì)供電電網(wǎng)的影響也會(huì)減少。

參考文獻(xiàn)：

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作者簡(jiǎn)介：魏進(jìn)（1991-），男，陜西西安人，碩士，助教，主要研究方向?yàn)闄C(jī)電一體化。