改善变频液压系统调速性能方案分析.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3 卷 第 1 4期 机床 与液压 MACHI NE TO0L＆ HYDRAUL I CS J u1 ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ．1 4 D OI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 4 ． 0 4 1 改善变频液压系统调速性能方案分析 蔡冬林 ，安亮 ，陈晓迪 南通航运职业技术学院，江苏南通 2 2 6 0 1 0 摘要变频液压调速系统具有能量消耗低、调速范围宽、控制精度高等优势，越来越受到业界重视，但因为它存在环 节多和控制死区等不足，使调节快速性和工作效率降低，限制了其应用范围。在综合分析 目前 3种典型的变频液压调速系 统的基础上，提出了变频泵阀并联液压调速系统方案。仿真结果表明该方案能兼顾泵控系统能源效率高和阀控系统调节 速 度快 的特点 ，具有一定的理论研究和实践应用价值 。 关键词变频液压调速系统 泵阀并联 ； 方案分析 中图分类号 T H1 3 7 文献标 志码 A 文章编 号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 5 1 4 -1 2 4 - 3 An a l y s i s o f I mp r o v i n g S p e e d Co nt r o l Pe rfo r ma n c e o f Va r i a b l e Fr e q ue n c y Hy dr a u l i c Sy s t e m CAI Do ng l i n．AN Li a n g。CHEN Xi a o di N a n t o n g S h i p p i n g C o l l e g e ，N a n t o n g J i a n g s u 2 2 6 0 1 0 ， C h i n a Ab s t r a c t Va r i a b l e f r e q u e n c y h y d r a u l i c s p e e d c o n t r o l s y s t e m h a s h i g h v a l u e s i n l o w e n e r g y c o n s u mp t i o n，b r o a d s p e e d c o n t r o l r a ng e a n d h i g h c on t r o l a c c ur a c y，wh i c h r e c e i v e s mo r e a n d mo r e a t t e nt i o n i n i n du s t r i a l c i r c l e．Bu t b e c a u s e o f i t a l s o ha s mo r e l i n ks a n d c o n t r o l d e a d z o n e ， q u i c k a d j u s t i n g c h a r a c t e r i s t i c a n d o p e r a t i o n e ffic i e n c y a r e d e c r e a s e d ，S O i t s a p p l i e d r a n g e i s l i m i t e d ． O n b a s i s o f c o mp r e h e n s i v e l y a n a l y z i n g t h r e e k i n d s o f e x i s t i n g t y p i c a l v a r i a b l e f r e q u e n c y h y d r a u l i c s p e e d c o n t r o l s y s t e m ，a s c h e me o f v a r i a b l e f r e q ue nc y h y d r a ul i c s p e e d c o nt r o l s y s t e m wi t h p ump a n d v a l v e pa r a l l e l c o n ne c t i o n wa s p ut f o r wa r d．T he s i mul a t i o n r e s u l t s h o ws t h a t t he s c h e me c a n h a v e b o t h h i g h e n e r g y e f f i c i e n c y o f p u mp c o n t r o l a n d q u i c k a d j u s t i n g s p e e d c h a r a c t e r i s t i c o f v a l v e c o n t ml s y s t e m，w h i c h h a s c e r t a i n va l u e i n t h e o r e t i c a l s t u d y a nd pr a c t i c a l a pp l i c a t i o n ． Ke y wo r d s Va ri a b l e f r e q u e n c y h y d r a u l i c s p e e d c o n t r o l s y s t e m；P u mp a n d v a l v e p a r all e l c o n n e c t i o n ；S c h e me a n a l y s i s 变频液压系统 因具有节能 、寿命 长 、噪声低等特 点逐渐被广泛应用 ．如变频液压舵机 、变频液压电梯 等，并被认为是未来液压技术发展的方向．但由于电 机起动电磁转矩波动 、低速运行过热 ．液压泵低速时 输出脉动 、润滑 不 良、效 率 低 下 ，变 频 调节 环 节 众 多、系统复杂、惯量较大。以上不足降低了变频液压 系统在液压 机 械 中的 调速 范 围、节能效 果 和工 作 能 力。为了改善变频液压系统调速特性和整体性能，文 中在分析 已有变频液压调速系统方案 的基础上 ．提 出 了在变频液压系统 中采用泵 阀并联控制调速系统 ，通 过验证 ，该系统具有较好 的调速特性 ，响应快 、刚度 硬 、稳定性好 。 1 变频液压调速系统几种方案 1 ． 1 变频 泵控液 压调 速 系统 图 1 所示 变频泵控调速液压系统采 用变频 电机 1 驱动双 向液压泵 2实现液压系统流量改变以调节液压 马达 6的速度。此系统电机和液压泵不需要长期工 作在高转速状态下 。而是根据马达所需的转速确定所 要供应的流量，没有溢流损失和伺服元件。系统效率 高 、磨损少 、噪声 低 、振 动小 。采用 矢量 变频控 制 ， 可获得与直流电机相等的特性 ，在满足最低稳定转速 的情况下 ，能实现较宽 的调速范 围，而变量泵 由于斜 盘位置的限制 ．降低了系统调速范围。液压系统的负 载特性和速度刚性取决于泄漏系数和负载转矩的大 小 ．但矢量变频泵控调速液压 系统好于变量泵定量马 达系统。由于液压泵和电机存在最低稳定转速的问 题 ，使得液压系统在低速场合应用受到限制。同时， 变频液压调速系统仿真穿越频率和截止频率很低 ，表 明系统动态响应慢 ，不适合在速度变化要求高的情况 使 用 1 --变 频 电机 2 --双 向液 压 系 3 --单向阀 4 -- 梭 阀 5 _ - 安 全 阀 6 _ - 液压马达 图 1 变频泵控液压调速系统 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 0 5 作者简介蔡冬林 1 9 7 3 一 ，男，硕士，副教授，研究方向为轮机工程。E - m a i l c a i d l n t s c ． e d u ． a n 。 第 1 4期 蔡冬林 等 改善变频液压系统调速性能方案分析 1 2 5 1 ． 2变频 泵 阀 串联 调 速液 压 系统 如图 2所示 ，变频 泵阀串联调速液压系统主要 由 变频器 1 、电机 2 、定 量泵 3 、比例 阀 6和双 向定量马 达 7等组成，它是将容积调速和节流调速相串联的一 种方式 。当泵 3处于最低稳定转速的时候 。通过调节 阀 6可获得马达的低转速，随着所需马达转速 的升 高 ，阀 6置于最 大流量 位置 ，此时由变频液 压泵 实现 流量调节 。该系统满足 了液压低速运转的需求 ．具有 较好的阀控刚性和负 载特性 ，且 加减 速调 节响应 快 。 但由于阀串联参与调节，系统在运行过程中始终存在 溢流损失，故系统效率较低，适用于液压系统功率不 大 的场合 。 1 l 一 变频 器 2 -- 电机 卜 定量 泵 4 _ 过滤 器 卜 单 向阀 6 -- 比例 阀 8 7 _双 向定量 马 达 8 ． _ 安全 阀 图2 变频泵阀串联调速液压系统 1 ． 3 变频泵阀并联调速液压 系统 如图 3 所示 。变频泵阀并联调速液压系统是将 比 例调速阀 3 与容积调速相并联 。比例调速阀旁通分流 一 部分泵的流量 。从而 对液压 马达 进行速 度调节 ] 。 该 系统主要用于变频液 压泵在最 低稳定 转 速运行 时 ， 通 过逐步关小 比例调速阀 。使 液压马达加速 ，或反之 使液压马达减速在 中高速阶段。通过改变泵的转 速 ，控制输出液体流量 ，调节液压马达的速度。由于 比例调速阀只在低速阶段调节，所以系统流量损失 小、效率较高，能实现满转矩启动，同时因存在旁通 调 节的特性 ，速度刚性较差_ 2 ] 。 1 一变 频 嚣 4 2 一定 量 泵 3 -- 比例 调速 阀 4 _马 达 图3 变频泵阀并联调速液压系统 2 变频液压调速 系统技术分析 2 ． 1 控 制 策略 变频液压调速系统结构复杂性决定了控制对象本 身是大惯性、时变、非线性复杂系统。同时存在调节 死 区 ，液 压马达 响应慢 、跟随性差 、且抗 干扰能力 不 强等 。在实际应用 中，各型变液压调速系统采用 了闭 环控制、补偿控制和复合控制等策略，运用模糊、自 适 应 、滑模控制算法 ，有效提高了变频泵控系统的过 程控制和静、动态响应能力，再结合对系统压力、流 量和转速等实行双参数 、多参数调节 ，进一步改善 了 液压系统的负载特性和速度刚性，使其应用范围得到 了拓宽 5 ] 。在方案设 计中 ，要 依据实际需要选择合适 的控制策略和控制算法。 2 ． 2 系统 结构 变频泵阀串联调速和变频泵 阀并联调速液压系统 是 对变频 泵控调速液压系统性能的改进和提高 。主要 是结合了容积调速和节流调速的优势，但泵阀串联调 速液压系统在容积效率、控制品质和系统稳定等方面 要 劣于泵 阀并联 调速液 压系统 。且两 种控制 方案的复 杂性 和元件数量 相同。图 3 泵 阀并联调速液压 系统 采 用容积旁通调速方案无需单设能源．只解决了低速段 调速问题。在变量泵调速液压系统中容积旁通调速方 案 还被用 于抑制 阶跃 负载 ，另一种泵 阀并联 方案采 用 辅助泵向并联的伺服阀供油方案，可实现全范围全过 程控制 ，能源效率接近 于泵控 系统 [ 3 ] 。采用辅 助泵 的 并 联泵 阀调速液压系统通过双通道向系统供油 ，并 根 据误差的大小 ．选择泵控 、阀控或泵阀同时控制。误 差值的选择是关键 。过大会影响系统的快速性，过小 会影响系统的稳定性和效率。失去泵控和阀控切换的 意义 。 2 ． 3 变频 方 式 变频液压调速系统中常用 U ／ F控制 、转差频率 控制 、矢量控制方式 。U ／ F控制方式采用 电压频率 比 控制 ，系统控制简单 ，变频器要求低 ，开环回路中无 需任何检测设备 ，抗负载能力差 ，机械特性不硬 ，转 速稳定性差 。但成本低 ，适用于要求不高的场所_ 6 ] 。 转差频率控制采用频率闭环控制。间接控制转矩，电 机输出特性较硬．但气隙磁通易受运行环境影响，使 驱动性能降低 。不能保持良好的动态特性。矢量控制 采用速度环和电流环控制，把三相异步电动机当成直 流电机。具有与直流电机一样的输出特性，在带速度 传感器的情况下。调节精度显著提高，动态响应性 好 ，受环境影响小，在目前要求较高的变频液压系统 中常采用矢量变频控制方式 ] 。 3 变频液压泵阀并联控制调速系统 随着工作环境复杂性增加、设备运行品质要求的 提高和负载功率的持续提升，原有变频液压调速系统 难以适应新的要求。必须对系统进行技术改进提高其 综合性能。综合以上分析，设计了一种带辅助泵的变 频泵 阀并 联液压 调速系统方案 见图 4 。 1 2 6 机 床与液压 第 4 3卷 l 一 变 频泵2 、3 一 双 向液压 锁4 一 定 量泵5 一 比例 抉 同阀 6 _ - 背 压 阀 7 一 比例溢 流 阀8 、 安 全 阀 l o _ _ 马达 图 4 变频泵 阀并联液压调 速系统 3 ． 1 系统 组成 变频泵 阀并联液压调速 系统主要 由变频泵 1 、马 达 1 0组成 闭式主回路 ，定量泵 4 、比例换 向阀 5 和 比 例溢 流阀 7 组成辅 助泵供 油路 ，两 个油 路联合 控制 ， 实现对 执行机 构的调 速。在 动态调节过程 中 ，主要 由 比例换 向阀瞬时控制输 出流量 以保 证动 态调节 性 能 ， 达到稳 态过程 后关 闭 比例换 向阀 。由变频 液压泵 根据 系统的实际需 要提供 流量。 比例溢 流阀在 系统稳 态时 对辅助泵卸荷 ，以减 少溢流损失 ，还可通 过在辅 助泵 前安装蓄能器 ，提高系统的响应速度 ，节 省阀控 系统 的功耗。 3 ． 2调速 特性 变频泵阀并联液压调 速系 统仍是 定值调 节 系统 ， 与泵控慢 响应 回路 相 比，由于增加 了阀控 快 响应 回 路 ，相当于 引人 了具 有整 定 和实 现微 分作 用 的调 节 器．调节品质明显提高，稳定性也得到增强。在动态 响应 的过程 中 ，采用 泵 阀 同时调 节 。当误 差减 少 到 一 定值时。只让变频泵工作 ，同时选择泵控阀控的 最佳 流量 比例 ，既 能降低 系 统 的超调 ，又 能提 高 系 统的效率。综合考虑负载特性和现场环境，采用矢 量变频和有速度传感器的闭环回路 ，可提高变频泵 阀并 联液压 系统调 速 的精 度 和硬 度 ，同时降低 最 小 稳定 转速 。 3 ． 3 系统仿 真 确定初始条件、系统参数和状态方程，对变频泵 阀并联液压调速 系统进行仿真 和优化 ，以获得最佳 流 量分配 系数等 。变频泵 阀并联调速液压 系统 、泵控调 速液压 系统 和阀控调速 液压 系统 阶跃仿 真曲线 比较 见 图 5 。变频泵阀并联调速液压系统 的响应特性要 优 于 泵 控调速 液压系统和阀控调 速液压系统响应 特性 。 a 泵 阀并 联 图5 变频调速液压系统仿真曲线比较 4 结 论 变频泵 阀并联调速液压系统方案体现 了并联调节 的技术路线 ．吸收 了阀控液压系统调速快速性好的优 点 ．避免 了单独 变频 泵 控系 统环 节 多 、响 应慢 的不 足 ．较好地解决 了能源 效率 和控制 品质之 间 的矛 盾 ， 丰 富了变频液压 系统 的调速方式 ，拓展变频液压调速 系统 的应用范 围 ，具有一定 的理论研究和实 际应用价 值。今后还需在降低稳定转速、确定最佳流量分配、 泵 阀控制平滑切换等方 面加强研究 。 参考文献 『 1 ]马俊功， 王世富， 王 占林． 液压马达速度伺服系统研究 『 J _ ． 机床与液压， 2 0 0 2 4 9 8 - 1 0 1 ． 『 2 ]丁海港 ， 赵继云 ， 石峰． 矢量变频液压 容积节流调 速系统 研究『 J ] ． 机械科学与技术， 2 0 0 9 ， 2 8 9 1 2 2 1 1 2 2 4 ． [ 3 ]王占林． 近代电气液压伺服控制[ M] ． 北京 北京航空航 天大学出版社 ． 2 0 0 5 ． 『 4 ]彭天好 ， 徐兵 ， 杨华 勇 ， 等． 变频 液压技 术 的发展及 研究 综 述[ J ] ． 浙江大学学报 ， 2 0 0 4 2 2 1 5 - 2 2 1 ． 『 5 ]彭天好 ， 朱刘英 ， 胡 佑兰 ， 等 ． 基 于 A ME S i m 的泵控 马达 变转速系统仿真分析[ J ] ． 液压与气动 ， 2 0 1 0 9 5 5 7 5 61 ． [ 6 ]韩安荣． 通 用变频器及其应用 [ M] ． 北京 机械工 业 出版 社 ． 2 0 0 9 ． 『 7 ]纪友哲． 电机一 泵一 阀联合控制作动器的研究[ D] ． 北京 北京航空航天大学 ， 2 0 0 8 1 1 1 2 ． 『 8 ]彭天好， 孙继亮 ， 汲方林． 变转速液压容积调速系统的控 制结构『 J ] ． 机床与液压 ， 2 0 0 5 3 1 1 9 - 1 2 0 ．