實(shí)驗(yàn)室變頻調(diào)速泵控系統(tǒng)功率匹配技術(shù)實(shí)現(xiàn)與探討

摘 要：文章為促進(jìn)機(jī)電專業(yè)PLC控制系統(tǒng)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)程與生產(chǎn)過(guò)程的對(duì)接，提高應(yīng)用電液系統(tǒng)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題的綜合能力，設(shè)計(jì)了一套基于變頻調(diào)速的三相異步電動(dòng)機(jī)拖動(dòng)電力比例液壓泵的泵控實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，其中涉及PLC技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、液壓泵控技術(shù)、功率匹配技術(shù)。

關(guān)鍵詞：PLC；變頻調(diào)速；電比例變量液壓泵；泵控系統(tǒng)

前言

為改善機(jī)電專業(yè)PLC控制技術(shù)與液壓傳動(dòng)系統(tǒng)過(guò)程中出現(xiàn)的學(xué)生應(yīng)用能力不強(qiáng)、知識(shí)點(diǎn)孤立、與實(shí)際脫鉤等情況。經(jīng)過(guò)企業(yè)走訪調(diào)研，對(duì)企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程技術(shù)應(yīng)用和高校教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行了對(duì)比排查，選取了本應(yīng)用案例作為實(shí)驗(yàn)背景，融入了PLC控制技術(shù)、液壓傳動(dòng)技術(shù)、變頻調(diào)速技術(shù)、組態(tài)軟件技術(shù)、控制理論等機(jī)電行業(yè)必備知識(shí)或技能。通過(guò)本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，不僅可以達(dá)到加深對(duì)PLC控制系統(tǒng)和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)自身知識(shí)的認(rèn)識(shí)和理解，還可以促進(jìn)PLC控制技術(shù)與液壓傳動(dòng)技術(shù)課程間的知識(shí)融合，提高解決電液控制技術(shù)實(shí)際問(wèn)題的綜合能力。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)動(dòng)力部分采用變頻調(diào)速三相異步電動(dòng)機(jī)+電比例變量液壓泵的泵控系統(tǒng)，電動(dòng)機(jī)和液壓泵采用彈性聯(lián)軸器進(jìn)行連接。通過(guò)操作操作臺(tái)上的手柄，改變變頻器的輸出頻率f，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，即調(diào)節(jié)液壓泵的轉(zhuǎn)速n，同時(shí)需要對(duì)變量泵的比例電磁鐵進(jìn)行控制而調(diào)節(jié)變量泵的排量Vg，通過(guò)轉(zhuǎn)速n和排量Vg的控制實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓泵流量q的控制，以達(dá)到改變負(fù)載運(yùn)動(dòng)速度的目的。綜合考慮選用受到電動(dòng)機(jī)功率、扭矩及散熱情況等因素的限制，電機(jī)的轉(zhuǎn)速不可能無(wú)限制的升高或者降低，因此對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)速（額定轉(zhuǎn)速n=1500rpm）的調(diào)節(jié)范圍設(shè)定為800-1800rpm，其中電機(jī)、變頻器額定功率均為75kW，液壓泵的最大功率（△P=350bar）為186kW，在控制過(guò)程中需要對(duì)系統(tǒng)工作壓力p、電機(jī)轉(zhuǎn)速n、泵排量Vg進(jìn)行功率匹配控制，達(dá)到保證系統(tǒng)安全的前提下最大地發(fā)揮系統(tǒng)性能的目的。

2 控制方案分析

本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵問(wèn)題在于解決小容量電動(dòng)機(jī)匹配大容量液壓泵的功率匹配問(wèn)題。泵轉(zhuǎn)速n僅由操作手柄控制，不受其他因素影響，則在泵轉(zhuǎn)速已知情況下，結(jié)合系統(tǒng)的實(shí)時(shí)反饋壓力p，通過(guò)控制器運(yùn)算可得出泵的排量控制值，以保證系統(tǒng)發(fā)揮當(dāng)前最大性能（速度）的同時(shí)，不超過(guò)電機(jī)額定功率發(fā)生過(guò)載現(xiàn)象，使系統(tǒng)安全高效運(yùn)行，其控制原理如圖1所示。

具體的控制策略如下：

（1）轉(zhuǎn)速n的變化范圍需設(shè)定為600-1800rpm。

（2）600≤n<1500rpm時(shí)，恒扭矩控制方式，保證系統(tǒng)以最大扭矩輸出。

（3）1500≤n≤1800rpm時(shí)，恒功率控制方式，保證系統(tǒng)工作在額定功率下以盡量大的扭矩輸出。

（4）壓力的范圍30-320bar。

3 PLC控制器程序設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)臺(tái)將M440變頻器的一些性能參數(shù)信號(hào)輸送到PLC中，PLC根據(jù)內(nèi)部的程序來(lái)控制相應(yīng)的電磁閥動(dòng)作以實(shí)現(xiàn)控制要求。由于電動(dòng)機(jī)自身不帶轉(zhuǎn)速傳感器，其轉(zhuǎn)速n由變頻器的輸出頻率決定，故可以從變頻器處將電動(dòng)機(jī)即泵的控制頻率信號(hào)反饋至控制器。電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速n=60f/p，其中p為極對(duì)數(shù)，由電動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定，該電動(dòng)機(jī)p=2，控制流程如圖2。

電機(jī)處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)建立M440與PLC之間的通信，電機(jī)的轉(zhuǎn)速直接的反饋到PLC中，PLC將設(shè)定的轉(zhuǎn)速與實(shí)測(cè)的轉(zhuǎn)速比較，經(jīng)過(guò)控制器處理發(fā)出改變變頻控制方式的指令，在PLC中部分的變頻器控制程序如圖3。

4 結(jié)束語(yǔ)

文章采用西門子的S7-300PLC和M440實(shí)現(xiàn)了小容量電動(dòng)機(jī)匹配大容量液壓泵情況下的功率匹配技術(shù)，使系統(tǒng)在運(yùn)行過(guò)程中，可根據(jù)電機(jī)的轉(zhuǎn)速和負(fù)載壓力反饋?zhàn)詣?dòng)調(diào)整工作模式，保證系統(tǒng)最大利用率同時(shí)又保障系統(tǒng)工作安全，其中涉及的知識(shí)和技術(shù)，對(duì)于機(jī)電專業(yè)學(xué)生加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的理解和應(yīng)用能力的提高，都具有重要意義。

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作者簡(jiǎn)介：臧其亮（1983-），男，江蘇徐州人，碩士，助教，工程師，研究方向：自動(dòng)控制。