基于變頻調(diào)速的汽車專用液壓控制系統(tǒng)

張超 趙穎淼 郭卓識

（機械工業(yè)第九設(shè)計研究院股份有限公司，長春 130011）

1 概述

目前大多數(shù)工廠里的液壓站是使用普通電機，不論機床是否滿負(fù)荷，工作液壓站電機都在額定轉(zhuǎn)速下運行，故液壓動力傳動的能量利用率不高，整機系統(tǒng)的效率較低，因此，節(jié)能一直是液壓動力傳動中的主要研究方向之一[1]。隨著能源要求的日益高漲，有效活用能源和降低噪聲已成為液壓行業(yè)的最大目標(biāo)，在汽車行業(yè)中尤為顯著。電機變頻調(diào)速技術(shù)依靠改變供電電源的頻率就可實現(xiàn)對執(zhí)行機構(gòu)的速度調(diào)節(jié)，使電機始終處于高效率的工作狀態(tài)。將電機頻率調(diào)速技術(shù)用于液壓系統(tǒng)還可以克服液壓系統(tǒng)的一些缺點，可以簡化液壓回路、減少液壓系統(tǒng)的能量損失、提高系統(tǒng)效率、降低噪聲等，其中最重要的是減少液壓系統(tǒng)的能量損失，提高整個系統(tǒng)的效率[2]。

2 交流變頻調(diào)速技術(shù)

交流變頻調(diào)速通過改變電機的供電頻率或定子電壓，或者同時改變供電頻率和定子電壓達到調(diào)速的目的?？紤]變頻器控制異步電動機調(diào)速系統(tǒng)，電機的實際轉(zhuǎn)速計算見公式（1）。

式中，n為電機轉(zhuǎn)速（r/min）；f為電源頻率（Hz），我國工業(yè)頻率為50 Hz；p為電機定子磁極對數(shù)；s為轉(zhuǎn)差率。

由上式可以看出，在保證轉(zhuǎn)差率s和磁極對數(shù)p不變的情況下，電機轉(zhuǎn)速n與電源頻率f成正比，即通過改變異步電動機的供電頻率f就能改變電動機的轉(zhuǎn)速，從而實現(xiàn)調(diào)速。這種通過改變電源頻率實現(xiàn)交流電動機調(diào)節(jié)的過程稱為交流電動機變頻調(diào)速技術(shù)。

3 變頻調(diào)速用于汽車專用設(shè)備液壓控制系統(tǒng)

以底盤部件—下控制臂鉸鏈孔翻邊機（用于汽車裝配線）為例，說明變頻調(diào)速在汽車專用設(shè)備液壓控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。該翻邊機是通過氣動、液壓控制裝置分別對左、右下控制臂鉸鏈孔進行翻邊，為下一工序的下控制臂鉸鏈壓裝機提供合格的壓裝件。

3.1 下控制臂翻邊機介紹

下控制臂鉸鏈孔翻邊機主要由工作臺、床身及翻邊機構(gòu)、日光燈及光柵支架、輸送工作臺及輸送機構(gòu)、氣動、液壓控制裝置、電氣控制裝置組成。

工作循環(huán)：首先操作者將工件放到移動工作臺的定位夾具上定位（工件在位/檢測開關(guān)、工件左右識別開關(guān)有信號），然后按下雙手按鈕，設(shè)備開始自動工作。翻邊孔定位、升降氣缸下降到位后，移動工作臺前進到位，下凹模移動氣缸前進到位，上凹模移動氣缸前進到位，兩凹模鎖緊氣缸前進，同時將2 個凹模鎖緊。中間鎖定板驅(qū)動油缸前進到位后，延時2 s 后，小孔壓頭油缸前進，對小鉸鏈孔進行找正后翻邊，到位后（小孔油缸保壓）大孔壓頭油缸前進，對大鉸鏈孔翻邊，延時2 s 后，大孔壓頭油缸先退回，然后小孔壓頭油缸退回，翻邊完畢。中間鎖定板驅(qū)動油缸退回，2 個凹模鎖緊氣缸退回，2 個凹模移動氣缸退回，移動工作臺氣缸退回到位，翻邊孔定位、升降氣缸上升到位，操作者將工件卸下，完成一個工作循環(huán)。

3.2 下控制臂翻邊機液壓站分析

該設(shè)備液壓系統(tǒng)的工作過程有主運動、輔助運動和待機3 部分組成。主運動為壓頭油缸工作部分，所用時間稱為主運動時間；輔助運動為所有氣缸工作和工人上、卸件部分；待機為翻邊機不工作，生產(chǎn)線上其他設(shè)備工作階段。規(guī)定后兩部分所有總時間統(tǒng)稱為輔助時間。

翻邊機所使用的液壓站在選擇電動機時是按照最大壓裝力20 kN 來選擇的，但是在所有輔助時間內(nèi)翻邊機都是處于空載狀況下，導(dǎo)致電動機效率不高，能源浪費。要想提高設(shè)備的整機效率，應(yīng)該把電動機提供的功率和負(fù)載所需要的功率相匹配，這種從系統(tǒng)的角度和全局的觀點來考慮液壓動力設(shè)備的節(jié)能問題就是固定液壓動力設(shè)備的全局負(fù)載敏感和全局功率匹配。

變頻調(diào)速技術(shù)主要是通過調(diào)節(jié)電動機頻率改變轉(zhuǎn)速減少葉片泵的排量，從而降低功率節(jié)省能耗[3]。對于該臺設(shè)備，主要是在輔助時間內(nèi)調(diào)節(jié)電動機的頻率來減少泵的排量進而降低功率。將變頻技術(shù)融入原有的液壓系統(tǒng)控制中，更合理的利用能源，滿足機床工作循環(huán)中對能源的不同需求，開發(fā)出既能滿足工作節(jié)拍又節(jié)約能源的液壓控制系統(tǒng)。

3.3 設(shè)備控制系統(tǒng)的設(shè)計

通過變頻器調(diào)節(jié)電動機頻率改變轉(zhuǎn)速減少葉片泵的排量，從而降低功率節(jié)省能耗。在沒有采用變頻技術(shù)的情況下，電機是在額定轉(zhuǎn)速下運行，電機頻率為工頻50 Hz，泵打出的流量一直為額定流量；當(dāng)采用變頻技術(shù)的條件下，由變頻器的設(shè)定參數(shù)可知，變頻器可使電機的頻率降低到10 Hz，即輔助時間內(nèi)電機頻率為10 Hz。對于該臺設(shè)備，主要是在輔助時間內(nèi)調(diào)節(jié)電動機的頻率來減少泵的排量進而降低功率。

3.4 設(shè)備控制系統(tǒng)節(jié)能分析

下控制臂翻邊機的生產(chǎn)工作節(jié)拍為所有油缸運動時間之和+所有氣缸運動時間之和+工人操作時間。設(shè)定液壓站工作時間t0=11.3s，氣動部分工作時間t1=12.5s，工人操作時間t2=30s，則設(shè)備生產(chǎn)的工作節(jié)拍tz=53.8 s。

系統(tǒng)采用雙聯(lián)葉片泵供油系統(tǒng)，其中在壓裝時間內(nèi)2 個泵同時向系統(tǒng)供油；當(dāng)處于輔助時間時，大小泵低壓卸荷。由該系統(tǒng)葉片泵的型號PV2R13-14-76 可知小泵的公稱排量為14 mL/r，大泵的工程排量為76 mL/r，電機YVF2-200L1-6 的額定轉(zhuǎn)速nD=980 r/min，p=18.5 kW。

因此，經(jīng)計算，小泵的理論流量QN1=13.72 L/min；大泵的理論流量QN2=74.48 L/min ；泵的總流量QZ=QN1′+QN2′=88.2 L/min 。

a.在沒有采用變頻技術(shù)的情況下，電機是在額定轉(zhuǎn)速下運行，泵打出的流量一直為額定流量QZ。

在壓裝時間內(nèi)，大小泵同時工作，從設(shè)計要求可知，系統(tǒng)使用壓力pq為7 MPa，總效率η1=0.85，此時的功率P1計算見公式（2）。

經(jīng)計算，P1=12 kW。

在輔助時間內(nèi)，大小泵都低壓卸荷，流量為QZ=88.2 L/min，查產(chǎn)品樣本《油研液壓機器2006》先導(dǎo)控制溢流閥流量—卸荷壓力特性和最低調(diào)節(jié)壓力特性圖可得，當(dāng)流量為88.2 L/min 時，卸荷壓力pX為0.45 MPa，取壓力損失pS為0.3 MPa，此時的總效率η2=0.15 ，此時的功率P2計算見公式（3）。

經(jīng)計算，P2=7.4 kW。

若按一天工作16 h 計算，所消耗的電量計算見公式（4）。

式中，N1為壓裝時間耗電量；N2為輔助時間耗電量；Nz為總耗電量。

經(jīng)計算，N1=40.3 kW·h；N2=93.5 kW·h；Nz=133.8 kW·h。

b.當(dāng)采用變頻技術(shù)的條件下，由變頻器的設(shè)定參數(shù)可知，變頻器可使電機的頻率降低到10 Hz，即輔助時間內(nèi)電機頻率為10 Hz。

當(dāng)電機頻率為10 Hz 時，由公式（1）經(jīng)計算得，此時的電機轉(zhuǎn)速n0=200 r/min。

在輔助時間內(nèi)，此時的流量，Q′z=18 L/min 同樣查表可得此時的卸荷壓力為0.35 MPa，總效率，此時的功率計算見公式（5）。

式中，P′x為卸荷功率；P′s為輔助功率。

若按一天工作16 h 計算，所消耗的電量計算見公式（6）。

綜上可得，該設(shè)備使用變頻技術(shù)后的節(jié)能效率k見公式（7）

經(jīng)計算，k=51%。

4 研究成果總結(jié)及應(yīng)用領(lǐng)域分析

4.1 總結(jié)

a.變頻液壓調(diào)速回路是具有實際應(yīng)用價值的，從技術(shù)角度上是完全可行。與變量泵調(diào)速回路相比，避免了在低速輕載時異步電機效率低的問題，可以有效地提高回路效率，節(jié)省能量形成一種新型液壓調(diào)速回路；

b.變頻調(diào)速回路具有交流變頻調(diào)速的一系列優(yōu)點，例如實行矢量控制、轉(zhuǎn)矩補償和滑差補償獲得較高的調(diào)速精度，還有可以數(shù)字量輸入，便于計算機控制技術(shù)的介入[4]；

c.變頻調(diào)速回路的泵和電機絕大多數(shù)時間在基頻下運行，避免長期高速下運行，有效減少磨損和系統(tǒng)噪音，提高液壓泵的使用壽命；

d.避免變量泵調(diào)速回路所需自動調(diào)節(jié)流量的伺服控制機構(gòu)要求的油液清潔度。由電機來改變定量泵的轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)流量，提高了油液的抗污染能力；

e.可以降低回路的造價，與日本產(chǎn)品比較，一臺變頻器加定量泵比一臺能達到同樣調(diào)速性能的變量泵成本降低約10%。

4.2 應(yīng)用領(lǐng)域分析

a.小功率情況下，交流變頻調(diào)速系統(tǒng)控制方便、節(jié)能效果好、成本低、占用空間小；

b.液壓系統(tǒng)中采用的異步電動機變頻技術(shù)調(diào)速效率高、調(diào)速性能好，可以在大功率間歇運動的調(diào)速系統(tǒng)中廣泛應(yīng)用，例如各個車間里輔助時間很長的翻邊機、壓裝機設(shè)備，節(jié)能效果更為顯著；

c.變頻技術(shù)在液壓系統(tǒng)中的應(yīng)用使定量泵代替了變量泵，降低了系統(tǒng)對環(huán)境和油液的要求，該復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)綜合了交流變頻技術(shù)和液壓技術(shù)的優(yōu)點[5]。

5 結(jié)束語

隨著電機變頻調(diào)速技術(shù)的日漸成熟和電力電子及控制技術(shù)的進一步發(fā)展，矢量型變頻器的價格將有所下降，應(yīng)用將更加普及。由于變頻液壓動力系統(tǒng)是一種從動力源頭考慮功率匹配的全局型節(jié)能動力系統(tǒng)，在重載、輕載及無載時，變頻液壓動力系統(tǒng)的效率明顯地高出傳統(tǒng)的容積控制系統(tǒng)[6]，毫無疑問，變頻液壓技術(shù)將會得到進一步發(fā)展，變頻液壓動力系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)蟠笸貜V，新的更有效的補償變頻液壓動力系統(tǒng)慢時變特性對輸出影響的措施將會被提出。