基于Amesim的電功率回收型液壓實驗臺仿真

摘要：針對傳統液壓臺通過節流和溢流調試能源消耗過高，液壓系統溫升過快的不足，本文提出了一種基于電功率回收型液壓實驗臺，介紹了系統的結構組成和工作原理，分析設計了各組成部件的關鍵參數，基于Amesim建立了功率回收型液壓系統模型，通過該模型對液壓系統的功率回收效率和泵排量響應特性進行仿真分析。研究表明：通過電功率回收方式，實驗臺可以降低系統的功率消耗，減少系統散熱。

關鍵詞：節能;電力回收;Amesim;復合能源

0? 引言

隨著能源的日益緊張和環境問題的日益嚴峻，節能減排作為解決兩大問題的重要手段和方法，有效的利用能源成為液壓行業的目標。目前國內對此已開展了部分研究，國內長安大學王振川提出一種電能回收方式，采用能量轉換方式存儲能量，并通過Amesim對其節能效果進行仿真[1]。本文提出了一種電功率回收的液壓泵、馬達實驗系統，并利用Amesim軟件建立新型的電功率回收能量的液壓泵實驗模型，在不同的加載方式下對回收效率進行仿真。

1? 實驗臺液壓系統組成和工作原理

液壓試驗臺包括變量泵和變量馬達組成的液壓回路，能量回收系統和復合電源系統，智能控制平臺及相關信號檢測元件。通過直流電動機驅動變量泵，變量泵輸出的高壓油帶動負載變量馬達旋轉，變量馬達將輸入的動能轉化為機械扭矩，最后驅動直流發電機，從而把液壓油的內能轉化為電能，將產生的電能通過儲能裝置存儲起來并回饋到電動機中，不足的能量由電網補充供給電動機，以達到能量循環利用的目的。

1.1 液壓回路

由變量泵、變量馬達、電動機、直流發電機組成，電動機用于被試液壓泵主體測試和加載。為了避免系統中的節流能量損失，系統主油路上沒有串聯任何閥件。變量馬達的輸出軸通過慣性塊與直流發電機的驅動軸相連，通過這種方式產生的電量存儲于復合電源中。在試驗測試過程中，溢流閥決定系統的最高壓力，當系統壓力超過設定值時，系統溢流。

在液壓系統運行過程中，轉速傳感器實時檢測電動機實際轉速并反饋給PI控制器，通過PI控制器控制電動機的轉速，以實現對電動機轉速的閉環控制;通過改變變量泵的排量，來調節變量泵的輸出流量，控制平臺輸出信號從0到1，泵排量由0排量到全排量。

1.2 能量回收系統

能量回收系統作為電功率回收液壓系統的重要組成部分，它由變量馬達、直流發電機，負載調節器組成，變量馬達和直流發電機通過慣性塊及旋轉扭矩產生器連接為一體，作為液壓系統的負載，通過調節扭矩大小，來改變系統負載。直流發電機通過開關端口轉換控制器有選擇性地向蓄電池組供電。

1.3 復合能源系統

復合能源系統主要用于電能的存儲、交直流轉化，以及協同給發動機供電，它由蓄電池組、DC/DC轉化器、AC/DC轉化器組成。蓄電池組由兩個蓄電池組成，這兩個蓄電池通過端口轉化實現輪流充放電，一個蓄電池通過端口轉化器與直流發電機相連，另一個蓄電池通過端口轉化器與DC/DC轉換器輸入端相連，當被充電的蓄電池SOC狀態達到充電上限值時，控制平臺檢測到這一信號狀態并向端口轉換控制器發出轉換信號，控制端口轉化器進行端口切換，從而實現這兩個蓄電池的充放電接口交換，被充滿電的蓄電池接入到DC/DC轉化器為電動機供電，原功率輸出蓄電池又被接入直流發電機端口進行充電，整個轉換過程實現能量的連續流動。

1.4 智能控制平臺

它包括濾波電路、DSP處理器、光電隔離電路以及驅動放大電路。采集各傳感器檢測系統壓力、流量、轉速、扭矩及蓄電池組SOC狀態等參數狀況，這些信號經濾波電路處理后，輸入至DSP中，DSP對輸入數據進行處理后經光電隔離電路輸出PWM信號，PWM信號經驅動放大電路控制電機電樞電流，從而實現電機轉速控制，改變液壓泵、液壓馬達排量，控制負載調節系統，使系統按照要求穩定安全運行。

2? 功率回收型液壓試驗臺建模

針對本文研究的功率回收型液壓試驗臺系統，選擇Amesim中的液壓庫、機械庫、信號控制庫、電機及驅動庫中的元件，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。

完成模型搭建后，分別在子模型模式下選擇最優子模型，參數模式下設置相關參數。模型參數如表1所示。

3? 仿真分析

在上述所建立的功率回收型液壓試驗臺模型上，選擇合理的負載工況進行仿真，根據仿真結果對試驗臺系統的性能進行分析，并對系統評價。

3.1 液壓系統功率回收效率試驗

功率回收效率為發電機回收功率與電動機輸出功率的比值。我們選取在液壓泵處在全排量，液壓馬達處在全排量，電動機轉速1500r/min的情況下，選取工況分別為20%，40%，60%，80%以及滿負載，來仿真該試驗臺的功率回收效率，仿真時間均為100s。

圖1為負載變化曲線，在0-3s期間，負載線性上升，3s以后，負載穩定。

圖2為系統功率回收效率曲線，在20%負載工況下，開始階段，由于發電機回收功率為負值，固回收效率為負值，在0.24s時，系統回收效率達到最低點，在8s后，發電機回收功率大于0，系統回收效率為正值，隨著仿真的進行，回收效率逐漸增加;在仿真終止時，系統的回收效率為47.1%。隨著負載扭矩的增大，回收效率也逐漸增加，變化趨勢不明顯，在滿載工況下，系統回收效率達55.9%。

經過仿真驗證，在液壓泵加載的實驗中，系統需要從電網獲取的功率僅為試驗驅動功率的一半左右，其余均由回收的能量提供，能量利用率高，可減少系統的總裝機功率，降低系統的能耗。

3.2 液壓泵排量響應時間試驗

在液壓馬達處于全排量，電動機恒轉速1500r/min的情況下，負載扭矩工況為1000N*m，600N*m，200N*m，在液壓泵排量控制端口輸入階躍信號，仿真液壓泵排量響應動態特性，得到零排量到滿排量的上升時間和由滿排量到零排量的下降時間。

由表2中得，升排量響應時間和降排量響應時間隨著負載扭矩的減小而縮短;在相同的負載扭矩下，升排量響應時間比降排量響應時間長。

4? 結論

該功率回收型液壓試驗臺系統可以穩定正常運行，能量利用率高，降低系統的能耗，實驗測試了液壓泵的排量動態響應特性隨負載壓力增大的變化情況，驗證了功率回收型試驗系統的正確性和實用性。該試驗系統適用于大型機械的靜液壓作業驅動等液壓泵或馬達的加載試驗測試，試驗臺系統總效率達56%，既可進行間斷性測試，也可長時間測試，同時測試所需的電功率降低后，對供電電網的影響也會減少。

參考文獻：

[1]王振川.功率回收型液壓泵試驗臺動態性能仿真[D].西安：長安大學，2015.

[2]羅亞南.基于電功率回收的大功率液壓泵/馬達試驗系統設計與效率分析[J].軌道交通裝備與技術，2013，03（002）：20-21.

[3]付永領，齊海濤.LMS Imagine. Lab AMESim系統建模和仿真實例教程[M].北京：北京航空航天大學出版社，2011.

[4]呂景忠，朗淑芬，孫晶.快速連接液壓泵和液壓馬達實驗裝置[J].試驗技術與管理，2010，27（4）：45-46.

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作者簡介：魏進（1991-），男，陜西西安人，碩士，助教，主要研究方向為機電一體化。