张紧器液压与驱动系统节能分析.pdf

2 0 1 0年 1 月 第 3 8卷 第2期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS J a n ． 2 0 1 0 Vo 1 ． 3 8 No ． 2 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 13 8 8 1 ． 2 0 1 0 ． 0 2 ． 0 1 4 张紧器液压与驱动系统节能分析 张俊 亮 ，张宏 ，刘文利 ，钟朝廷 ，徐祥娟 1 ．中国石油大学，北京 1 0 2 2 4 9 ；2 ．中国海洋石油工程股份有限公 司，天津 3 0 0 4 5 0 摘要铺管船用张紧器属于海上作业设备，要求其在工作过程中尽量减少能耗。对张紧器液压夹紧和电机驱动系统进 行节能设计；在液压系统中动力源是液压系统的主要能耗因素，通过分析采用 A 7 V ． 8 0 ． E L型高效、节能、大功率的复合变 量泵来匹配液压系统达到节能的目的；在交流伺服电机驱动系统中，根据大功率电机的特点采用变频器对电机进行启停控 制，减小启动电流实现节能，同时在电机的运行过程中，通过对功率因数进行模糊控制达到节能 目的，并通过试验证明系 统节能效果。 关键词节能；张紧系统；复合变量泵；模糊控制 中图分类号 T K 0 1 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 4 0 3 Ana l y s i s o n Ene r g y Sa v i ng f o r Hy dr a ul i c a n d Dr i v i n g Sy s t e m o f Te n s i o ne r Z H A N G J u n l i a n g ，Z H A N G H o n g ，L I U We n l i ，Z H O N G C h a o t i n g ，X U X i a n u a n 1 ．C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m，B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 ，C h i n a ； 2 ．O f f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o ． ，L t d ． ，T i a n j i n 3 0 0 4 5 0 ，C h i n a Ab s t r ac t The t e n s i o n e r f o r pi p e l a y i n g v e s s e l i s a k i nd o f o f f s h o r e o pe r a t i o n e q ui pme nt ， i t i s i mpo r t a n t t o r e d uc e t h e e ne r g y c o n - s u mp t i o n ．T h e h y d r a u l i c a n d mo t o r d ri v i n g s y s t e m wa s d e s i g n e d t o s a v e e n e r g y ． I n h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m，t h e ma i n e n e r g y c o n s ump t i o n f a c t o r wa s po we r s o u r c e． S O v a r i a bl e c a p a c i t y pu mp A7V．8 0． EL wi t h hi g h e ffi c i e n t ． e n e r gy s a v i ng a nd h i g h p o we r wa s c h o s e n t o a c h i e v e e n e r gy s a v i n g ． I n t h e AC s e r v o mo t o r s y s t e m ． t h e t r a n s d u c e r wa s a d o p t e d t o c o n t r o l s t a r t a n d s t o p o f t h e mo t o r a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f h i g h p o we r mo t o r ， a n d t h e p o w e r f a c t o r w a s c o n t r o l l e d b y f u z z y a ri t h me t i c i n t h e mo v i n g p r o c e s s i n o r d e r t o s a v e t h e e n e r g y ． Th e e x p e r i me nt a l r e s u l t s ho ws t h a t t h e e n e r gy s a v i ng e f f e c t i s o bv i o u s b y u s i n g t h i s me t h o d ． Ke y wo r ds Ene r gy s a vi n g； Te n s i o n s y s t e m； Va ria b l e c a pa c i t y pu mp； F u z z y c o n t r o l 海上油气 田开采出的油气多数是通过管道输送至 陆上加工并分别输送到用 户 ，所 以海底管道铺设是海 洋石油开采 的重要环节。张紧器是海洋管道铺设 的关 键设备 ，在深海区域作业的铺管船工作时间长 ， 其能源供给受海洋环境影 响 ，因此 ，在铺 管作业过程 中要尽可能的减少能耗。在铺管过程 中，对张紧器张 紧系统进行节能控制 ，将 大大提高能源 的利用率 ，节 约铺管成本 。张紧器张紧系统 由液压夹紧系统和交流 伺服 电机驱动系统组成 ，通过分析液压系统的主要能 耗因素 ，采用变量泵达到节能的目的；在交流伺服电 机驱动系统中，根据张紧器工作特点，利用变频器对 电机进行启停控制和运行过程中采用模糊控制减少电 机能耗 。 1 液压系统节能分析 液压系统节能的目的是提高系统能量的利用率降 低 系统能量消耗 。液 压系统 中能量 消耗 ￡ 为无 功功 率与输入功率之比为 1一 l一 b 。7 7 P P 。 。 ‘ 。 式中叼 为匹配效率； 为传输效率；叼 为液动机 效率 。 因执行元件为间隙密封式液 压缸 ，所 以 叩 可取 1 ，系统液压效率 7 7 ， 7 ， JP L q L d t 叼 J__ Jp q d t 巫 Ip q d t 由上式可以看 出，过剩流量 △ g和 △ p是产生液 压系统能耗 的根本原因 ， 所以 ，液压系统动力源输 出 的流量过剩和压力过剩是造成 能耗 的根本原 因。在液 压系统工作过程 中使动力源输 出压力 、流量和系统相 适应 ，实现功率适应控制 ，最大限度的提高匹配效 收稿 日期 2 0 0 9 0 31 1 基金项目国家8 6 3项目 2 0 0 6 A A 0 9 A 1 0 5 - 2 作者简介张俊亮 1 9 7 6 一 ，男，讲师 ，博士研究生，研究方 向为机电系统控制及 自动化。电话1 3 2 6 0 2 6 7 2 6 7 ，E m a i l z h a ng dz u 1 26 ．c o n． 第 2期 张俊亮 等张紧器液压与驱动系统节能分析 4 1 率 ，是理想的节能办法 。 2 张紧器液压系统动力源及动力源控制 张紧器液压系统设计过程中，在保证系统可靠的 前提下 ，无论 在系统设计还是元件选型方面都按照节 能降耗的理念设计。张紧器液压夹紧系统采用动力 源 驱动 4个 液 压 缸 运 行 的模 式 ，对 于铺 设 深 度 为 3 O 0 0 m的铺 管张紧器 而言 ，在各个 工作 阶段液压 缸所需系统提供 流量 和压力如表 i 所示。 表 l 各 工作 阶段流量压 力表 经计算 液压 系统动 厂一 厂 ] 力源排量大 于 1 9 7 L ／ I I I m i n 、最 大 压 力 大 于 g s 卜斗 3 1 ． 5 M P a ，且在液压缸 g 。 卜 _ _ ] I I 快进、工进、保压、快 l l I f 退阶 段 输出 流 量 各 不相 卜 士 _ 同。所 以张 紧器液压 系 为一高压大 流量液压 图 动力源动力特性图 系统，选择合理的动力源对系统节能来讲更为关键。 综合分析液压系统动力源特性可用图 1 表示 ，各 种动力 源特性及效率为 、 1 定量泵 溢流阀 效率 叼 p q 2 定量泵 压力 匹配 效率 卵 Ps q 3 变量 泵 压力补偿 效率 叼 一／ I P 4 、 复合变量泵效率 叼 一Y I s 所 以，张紧器液压系统动力源采用 R E X R O T H公 司生产 的 A 7 V ． 8 0 ． E L型高 效 、节能 、大 功率 的复合 变量泵，通过两个比例放大器输入控制信号分别进行 流量和压力 的开环控制 。它在保证达到输入信 号对应 的流量时，使泵的出口压力最低。当压力达到控制信 号设定压力 时 ，泵实现零流量输出。这种 复合 变量泵 不仅动态特性好 ，还可 以通过电控调节 变量泵 的压力 和流量 ，实现和系统良好的功率匹配 。 复合变量泵的控制采用单片机为控制核心 ，通过 电信号的输出来控制泵的流量和压力 ，控制系统结构 如图2所示。根据 A 7 V ． 8 0 ． E L型复合变量泵的电流- 流量和电流一 压力曲线，通过键盘输入流量和压力参 数 ，显示器显示相应的数值，单片机与 D ／ A转换芯 片 D A C 0 8 3 2采用 双缓 冲方式 接 口，输 出信 号经放 大 后与复合变量泵的流量、压力信号接口连接。 流 压 信 呐 8 2 s s 号 U 放 大 图2 复合变量泵流量压力控制结构图 由于复合变量泵的输出压力与外负载有关 ，所 以，在快进 、工进 阶段 设 定泵的流量 分别为 1 5 0 1 ．,／ m i n和 7 5 I Mm i n 。由于液压 缸 活塞在上 履带 自重 的影 响下下落，所以不需要复合变量泵提供压力 ，这时， 泵的输 出压力为最小；在保压阶段 ，外负载逐渐增 大 ，设定 复合变量泵 的输 出压力最大为 3 1 ． 5 MP a ，当 压力值 达到设定 值时 ，输 出流量 为零 ；在快 退 阶段 ， 设定复合变量泵 的流 量为 1 4 7 1 Mm i n ，在工 作过程 中， 泵的输出压力随负载的变化而变化 ，但流量保持恒 定 。在液压缸工作的 4 个 阶段 ，复合变量泵 的流量和 压力输 出和系统相匹配 ，没有过流量 和过压力 ，实现 系统的适应性控制，提高能源的利用率。 3 驱动系统的节能分析 在交流伺服电机驱动系统中，根据张紧器工作特 点 ，通过变频器对 电机进行启停控制和运行过程 中通 过对功率因数进行模 糊控 制来达 到节能 的 目的。电机 启动过程中的变频控制可以防止启动电流过大造成的 能源浪费。下面着重对后者进行分析 。 1 控制 系统分析 功率因数是反 映电气设备从 电源取得有功功率的 物理量。提高电机的功率因数，降低其无功损耗 ，是 电动机 节能、高效率工作 的有效方法。系统 的功率 因 数控制器 的原理框 图如 图 3 所示 。 图 3功率 因数控 制器原理框 图 在异步 电机系统 中采用 基于 功率 因数 c o s 0的闭 环控制系统 ，对节能是有 实际意义 的。 2 系统的控制算法 系统采 用模糊 控 制策 略对 电机 运行 效 率加 以调 整。功率 因数 的理 论取值 为 0 ，1 ，给定 被控对 象 的功率因数为 0 ． 8 ，功率因数偏差的变动为 一 0 ． 8 ， 0 ． 2 。设实际测得 电机功率 因数为 Y ，给定值为 r ， 选择偏差 e ，e k ， 一r k ，偏差变化 e k e k 一e k一 1 作为对应模糊控制器的输入变量 ，控 制晶闸管导 通 的导通 角 为输 出 变量 ，构 成一 个二 维 的模糊控制器 。 在模糊控制器中，输入量功率因数偏差的语言变 量为 E，基 本 论 域 为 [一0 ． 8 ，0 ． 2 ] ，模 糊 论 域 为 4 2- 机床与液压 第3 8卷 [ 一 6 ， 6 ] ，则误 差 e的量 化 因子 k 6 ／ 0 ． 51 2 。 语言变量 选取 7个语 言 值 髓 ， ，S 1 ，C E，L 1 ， ， 。输入量功率因数变化为前后两次功率 因数 的变化 ，相 应 的 语 言 变 量 为 E C ，其 基 本 论 域 为 [一 0 ． 8 ，0 ． 8 ] ，模 糊论域 Y [一 6 ， 6 ] ，则误 差 e c 的量化 因子 k 6 ／ 0 ． 8 7 ． 5 ，语 言变量选 取 5个 语言值 船 ，P S ，Z O，N S ，N B 。输 出量导通角的 语言变量为 ，其基本论域为 [一 6 O ，6 0 ] ，模糊论 域 Z [ 一 6 ， 6 ] ， 则误差 u 的量化因子 6 ／ 6 0 0 ． 1 ，语言变量选取 7个语言值 船 ，P ，P S ，Z O， N S ，N M，N B 。选取三角形作为隶属函数曲线。根据 专家知识 和熟练操作人员经验积 累，对异步电机运行 时输入输 出变量 的变化规律 ，总结 出基于 i f E a n d E C t h e n U可以给出模糊规则 ，由模糊规则可列 出模 糊规 则表 ，见表 2 。 表 2 模糊规则表 针对论域 ，l ， 全部元素 的所 有组合 ，求取相应 语言变量的控制量变化 的模糊集合 ，并用最大隶属度 法 ，对此模糊集 合进 行模糊 判 断 ，取得 以论 域 z的 元素表示的控制量变化值 ／ 2 。本系统在离线计算基础 上，可建立模糊控制器查询表。计算出查询表后，将 其事先存于计算机存储单元中，并编制一个查找查询 表的子程序。在实际控制过程中，模糊控制器在每一 个控制 周期 中，将 采集 到 的实 测误 差 e k 0 ， 1 ，2 ，⋯ 和计算 得 到的误差 变化e k 一 e k 一1 分 别乘 以量化 因子 k ，k ；取得 以相应论域元 素表征 的 查找查询表所需 e 和 e 后 ，通过 查找查 询表相 应 的 行和列 ，立 即可输 出所 需 的控制量 变化 U 再 乘 以 比例因子 K 便是加 到控 制 晶闸管导通 的导通 角 的 变化值 ，从 而实现 系统快速实时控制 。 3 试验结果与分析 为了验证节能控制器的实际节能效果 ，在异步电 机上进行试 验 ，可 以得 到在不 同情况下 的试验数 据。 对额定功率为 4 5 0 k W 的交流伺服异步电机，在不同 的负载率下接人节能控制器对电机进行降压节能，试 验结果见表3 。随着负载率增加，节电率减小。所以 尽量保持轻载运行 或负载率不要超过 0 ． 8 。 表 3 节能实验表 负载率0 0 ． 1 0 ． 2 0 ． 3 0 ． 4 0 ． 5 0 ． 6 0 ． 7 0 ． 8 节 电率 3 2 ． 6 2 8 ． 3 2 1 ． 2 1 3 ． 2 1 0 ． 1 7 ． 2 2 ． 6 2 ． 0 0 ． 3 4结论 通过对海洋管道铺设 的关键设备张紧器的液 压夹紧系统和 电机驱动系统进行节能设计及控 制 ，提 高能源的利用率 ，节约铺 管成本 。通过分析液压 系统 的主要 能耗 因素 ，采用变量泵达 到节能 的目的 ；而在 交流伺 服电机驱动系统 中，根据 张紧器工作特点 ，通 过变频器对 电机进行启停控制能够节能 ，并着重论述 在电机的运行过程中，通过对功率因数进行模糊控 制 ，减少电机 能耗 ，来达到节能的 目的。 参考文献 【 1 】 M i t c h e l l M R ， D e s s u r e a u h J G ． A c o n s t a n t t e n s i o n w i n c h d e s i g n a n d t e s t o f a s i m p l e p a s s i v e s y s t e m[ J ] ． O c e a n E n g i n e e r i n g ， 1 9 9 2 ， 5 1 9 4 8 9 4 9 6 【 2 】郑贵良， 程显东． 滩海铺管船用张紧器[ J ] ． 石油工程建 设 ，1 9 9 9 5 3 5 3 8 ． 【 3 】S a b a g S a i d R， E d g e B i l l y L ， S o e d i 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