變頻電機-多輸出泵調速回路速度特性分析

聞德生,甄新帥,陳帆,周聰,柴偉超,王京

(燕山大學機械工程學院,066004,河北秦皇島)

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變頻電機-多輸出泵調速回路速度特性分析

聞德生,甄新帥,陳帆,周聰,柴偉超,王京

(燕山大學機械工程學院,066004,河北秦皇島)

針對普通電機多輸出泵調速回路存在功率損失、變頻電機定量單泵調速回路動態特性差及流量輸出范圍受泵轉速范圍的限制等問題,提出一種新型變頻電機-多輸出泵調速回路。該新型回路可以通過變頻電機進行無級調速,節省了普通電機多輸出泵調速回路中的功率損失;通過多輸出泵的多級容積調速,在不改變泵的允許轉速范圍的情況下,擴大了變頻電機定量單泵調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的增加而減小,最大輸出流量隨排量比例系數和多輸出泵作用數的增加而增加。AMEsim仿真結果表明,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動態響應的要求,提高了回路的適應性。

液壓調速回路;變頻調速;多輸出泵;速度特性;節能;動態響應

速度控制回路的作用是調節執行元件的運動速度,或者使執行元件在不同速度之間進行切換,它對系統的工作性能和其他基本回路的選擇起著決定性的作用。現有3種傳統的調速回路:①節流調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節流入或流出執行元件的流量實現速度調節,這種回路結構簡單、調速范圍大,但效率低、發熱量大;②容積調速回路通過改變變量泵或變量馬達的排量實現調速,這種調速方式沒有溢流和節流損失且效率高,但結構復雜;③容積節流調速回路采用變量泵供油,配合流量控制閥進行調速[1-4]。

變頻調速技術是一種新型調速技術,在機床、橡膠機械等各類固定式機械的液壓系統及挖掘機等行走機械的液壓系統中獲得了應用。該類液壓系統以變頻電機作為原動機,以定量單泵作為輸出油源,即變頻電機-定量單泵調速回路,通過改變電動機轉速而改變泵的輸出流量。該類調速回路能實現泵輸出流量與負載流量的匹配,無溢流損失,節能效果顯著且控制精度高[5-7]。但是,變頻技術在調速回路中應用時有2個問題:①為了保證液壓泵能夠吸油充分和正常工作,液壓泵應保持適當的轉速范圍,過低或過高都不合適,這樣就限制了變頻電機的轉速范圍,亦即液壓泵輸出流量的范圍;②在變頻調速液壓系統中,響應最慢的元件是變頻器和電動機,這樣在高響應的液壓系統中對變頻技術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,它在一個泵中實現多個泵的功能,有多個輸出油口,各個油口之間相互獨立互不影響。多輸出泵分為并聯型和比例型,前者是在一個泵中實現多個排量相同的泵,后者是在一個泵中實現多個排量成比例的泵,多輸出泵組成的調速回路的調速原理為多級容積調速[9-11]。現有的多輸出泵調速回路都是在傳統調速回路的基礎上設計的,為普通電機-多輸出泵調速回路,與普通電機-定量單泵相比,該類回路具有功率損失少、能適應多個負載等優點[12],但是這種調速回路仍然有節流損失和溢流損失,不能實現與負載的完全匹配。目前,對變頻電機-多輸出泵的組合調速問題的研究尚無人涉及。

本文在充分研究變頻調速、多輸出泵調速的基礎上,以變頻電機-比例型單作用多輸出泵為例,對變頻電機-多輸出泵調速回路的速度特性和控制方法進行研究。

1 變頻電機-多輸出泵調速回路的速度特性和控制方法

1.1 變頻電機-多輸出泵調速回路速度特性分析

以變頻電機-比例型單作用多輸出泵調速回路(簡稱變頻電機-單作用多泵調速回路)為例進行分析,單作用多泵有一個內泵和一個外泵,設內外泵排量比例系數為C,內泵的排量q1(流量Q1)與外泵的排量q2(流量Q2)之間的關系為

q2=Cq1

(1)

Q2=CQ1

(2)

圖1所示為變頻電機-多輸出泵調速回路的系統原理圖。變頻電機帶動單作用多泵,通過組合閥和換向閥驅動液壓缸運動,溢流閥起安全保護作用。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時的電磁鐵得電情況),其中YA表示電磁鐵。

圖1 變頻電機-單作用多泵調速回路原理圖

當圖1回路采用普通異步電機時,即為普通電機-多輸出泵調速回路,泵的轉速不變,單作用多泵只能輸出3種定流量,雖然通過有級容積調速在一定程度上實現了與負載流量的匹配,相對普通電機-定量單泵調速回路減少了功率損失,但需要無級調節液壓缸的速度時,只能在回路中增加節流閥,仍然會產生節流損失和溢流損失。

表1 變頻電機-單作用多泵調速回路電磁鐵動作順序表

圖2所示為變頻電機-單作用多泵調速回路中液壓泵的輸出流量隨變頻電機的轉速而變化的速度特性圖。由圖可知,變頻電機-單作用多泵調速回路有3條速度特性線。設變頻電機-定量單泵調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-單作用多泵調速回路要比變頻電機-定量單泵調速回路多出2條速度特性線。通過調節變頻電機的轉速和改變內外泵的組合方式,理論上可以實現液壓缸從0到最大值范圍內的無級調速,無節流和溢流損失,但變頻電機必須在泵轉速允許的范圍內對液壓缸進行無級調速,即電機轉速必須在nmin與nmax之間變化。

圖2 變頻電機-單作用多泵調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為變頻電機轉速;Q3為內外泵組合輸出流量。變頻電機-定量單泵調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-多輸出泵調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-定量單泵調速回路與變頻電機-多輸出泵調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-多輸出泵調速回路比變頻電機-定量單泵調速回路有更低的最小輸出流量和更高的最大輸出流量,即有更大的流量調節范圍。

通過以上分析可知,在不改變泵允許轉速的條件下,與變頻電機-定量單泵調速回路相比,變頻電機-單作用多泵調速回路擴大了流量的輸出范圍。在變頻電機-比例型多作用多輸出泵和變頻電機-并聯多輸出泵調速回路中,由于泵或速度特性線數量的增加,其輸出的流量范圍將進一步增大。表2總結了變頻電機-多輸出泵調速回路與變頻電機-定量單泵調速回路ΔQmin與ΔQmax的規律。

表2 最小及最大流量差規律表

1.2 變頻電機-多輸出泵調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-單作用多泵調速回路分段流量圖。由圖可知,內泵輸出、外泵輸出、內外泵組合輸出的速度特性線的斜率依次增大,即電機的轉速每變化1 r/min,泵輸出流量的變化值依次增加;在負載流量由Q3變化到Q4的過程中,設3種供油方式下電機轉速變化的范圍依次為Δn1、Δn2、Δn3,易知Δn1>Δn2>Δn3;設3種供油方式下電機轉速每變化1 r/min所用時間Δt相等,則3種供油方式下該過程所用的時間依次為

圖3 變頻電機-單作用多泵調速回路分段流量圖

(12)

t2=Δn2Δt

(13)

t3=Δn3Δt

(14)

t1>t2>t3

(15)

式中:t1為內泵輸出所用時間;t2為外泵輸出所用時間;t3為內外泵組合輸出所用時間;Δt為電機轉速每變化1 r/min所用時間。

圖4所示為液壓缸驅動負載原理圖。

圖4 液壓缸驅動負載原理圖

活塞與負載的力平衡方程為

(16)

其中

(17)

(18)

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

由式(17)～式(19)可得,當T=t時,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,當負載流量由某一值升高到調定值時,速度特性線中的斜率越大,則所用時間越少,壓力峰值越大,即快速性增加,穩定性減弱[13-14]。由此可知,在要求穩定性高的場合,控制系統遵循斜率就低原則,即優先選擇斜率小的速度特性線,在要求快速性的場合,控制系統遵循斜率就高原則,即優先選擇斜率大的速度特性線。所以,在執行元件要求的每一個流量段內,可以根據工況對系統的響應要求選擇相應的供油方式。與變頻電機-定量單泵調速回路的一條速度特性線相比,變頻電機-多輸出泵調速回路在不改變變頻器和電機的條件下,通過選擇不同斜率的速度特性線(即不同的組合供油方式)就能滿足液壓系統在不同工況下的響應要求,減小了對變頻器和電機的要求,降低了成本。表3是每段流量采用的泵的組合方式與響應要求之間的關系。

表3 多輸出泵組合輸出方式與響應要求的關系

隨著泵作用數的增加,速度特性線的數量也隨著增加,那么控制系統在每個流量段可供選擇的斜率即控制方式也在增加,這對于系統滿足多個響應需求具有重要意義。

2 系統仿真

綜合上述分析,利用AMEsim軟件對圖1所示的變頻電機-單作用多泵調速回路進行建模和仿真,系統模型如圖5所示。因為多輸出泵是一種新型液壓元件,在液壓庫中沒有相應的模塊,所以用一個轉速控制信號控制兩個變頻電機,并用兩個排量不同的定量單泵分別代替多泵中的內泵和外泵。表4和表5分別為液壓系統的元件參數值和系統仿真參數值的設置。根據搭建的系統圖及仿真參數,得出了在3種不同的供油情況下,負載流量由初始流量變化到調定流量的過程中負載速度隨時間的變化規律,如圖6所示。

圖5 變頻電機-單作用多泵調速回路仿真原理圖

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

表4 液壓系統元件參數表

表5 仿真參數表

(a)內泵單獨供油

(b)外泵單獨供油

(c)內外泵同時供油圖6 不同供油方式下負載速度的變化

0.7、0.4 s;系統運行至4.3 s左右時,液壓缸行程結束,負載速度為0,但當速度下降到0時內外泵同時供油要比內泵單獨供油的速度振蕩明顯增加,即穩定性隨著組合輸出流量的增大而減弱,驗證了理論分析的正確性,但其振蕩原因尚需深入研究。

3 結 論

本文通過對變頻電機-多輸出泵調速回路速度特性的分析,可以得出以下結論。

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

(2)在不改變泵允許轉速的情況下,與變頻電機-定量單泵調速回路相比,變頻電機-多輸出泵調速回路擴大了流量輸出范圍,即擴大了執行元件的速度調節范圍。

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

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(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,博士生導師。

國家自然科學基金資助項目(50975246)。

時間: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