電機-飛輪-油泵液壓動力單元實驗研究

羅琬先 陳柏金 顏笑鵬

華中科技大學材料成形與模具技術國家重點實驗室，武漢，430074

0 引言

節能降耗一直是液壓領域所關注的課題，在滿足工藝要求的前提下，降低電機功率和能量損耗對液壓機具有非常重要的意義。液壓機特別是鍛造液壓機一般采用油泵直接傳動，由電動機直接帶動油泵工作，油泵將機械能轉換為油液的壓力能，液壓缸驅動活動橫梁完成工作。鍛造液壓機的一個完整工作循環一般由空落行程、工作行程、回程及停止階段組成［1］。在液壓機的一個工作周期內，停止階段，電動機帶動油泵空轉；空落行程、回程階段負載很輕，液壓系統所需的驅動功率較?。辉诠ぷ餍谐屉A段，工件需要克服變形抗力做功，液壓缸壓力高，液壓系統的驅動功率大，液壓機電機功率一般按照最大工作壓力和最大速度確定。目前，大中型鍛造液壓機的裝機功率高達幾百甚至上千千瓦，液壓機啟動后，電機不間斷工作，大功率電機多數時刻帶動油泵空轉或低負荷運行，電機能量在整個工作運行過程中不能被充分利用，耗電量巨大，能量浪費嚴重［2］。

近幾年，有關鍛造液壓機節能技術的研究集中在電液比例控制技術、變頻調速技術、液壓蓄能器等方面［3-5］，但對飛輪應用于液壓機的研究則較少。GAO等［6］利用變頻電機與變量泵的復合容積調速方式，通過匹配各階段所需能量，得到最佳的電機轉速和油泵輸出流量。姚靜等［7］設計了一種由變頻直驅泵與蓄能器結合起來的新型泵-蓄能器復合動力源系統，實現了低裝機功率下動力源無溢流穩壓輸出。管成［8］設計了機械-液壓復合式節能系統，配合使用飛輪和蓄能器來實現節能。意大利SITI公司的MACTNUM05系列節能型全自動液壓壓磚機［9］由飛輪代替液壓系統中的蓄能器，靠皮帶打滑驅動飛輪，但該節能方法只適合于公稱壓力較小的液壓機。AHN等［10］利用離合器使飛輪在液壓系統中釋放和儲存能量。

當前，飛輪因其儲能能力強、使用成本低、結構緊湊而廣泛應用于機械壓力機，但飛輪應用于液壓機的方法尚不完善。在已有的方法中，飛輪儲能能力受電機轉差率和過載能力限制，電機容易因過載而被燒毀，依靠皮帶打滑、離合器驅動的飛輪很難滿足鍛造液壓機的工作需求。本文針對飛輪儲能技術用于液壓系統的現狀，結合變頻調速技術的優點，提出一種變頻驅動飛輪油泵的動力單元系統，并設計一套動力單元實驗裝置，由控制器控制飛輪能量的儲存與釋放，通過變頻調速使飛輪在低負荷時存儲能量，在滿負荷時釋放能量。該動力單元能夠滿足鍛造液壓機工作需求，且克服了飛輪儲能力受電機轉差率和過載能力限制的缺點，大大降低系統裝機功率和設備投入成本。

1 液壓動力單元實驗裝置

1.1 液壓動力單元實驗裝置原理

液壓動力單元實驗裝置工作原理如圖1所示。實驗裝置由電機提供源動力，飛輪在低負荷時儲存能量，滿負荷時釋放能量；控制器的D/A模塊輸出電壓信號，控制比例溢流閥工作，模擬負載壓力變化；壓力傳感器檢測油泵的實際輸出壓力，通過A/D模塊處理后反饋到控制器；飛輪邊緣設有均勻分布的小孔，通過接近開關記錄經過飛輪相鄰兩孔的時間間隔，獲得飛輪瞬時轉速；控制器獲得的飛輪瞬時轉速經過信號處理，通過D/A模塊轉換成變頻器輸入信號，使得電機變頻調速；通過A/D模塊測量變頻器模擬輸出信號，獲得電機輸出功率；控制器存儲壓力、轉速、輸出功率的數據，并上傳至電腦。

圖1 動力實驗裝置工作原理圖Fig.1 Principle of power experimental device

1.2 實驗裝置組成

液壓動力單元實驗裝置主要部件及參數如下：三相交流異步電動機Y2-160L-4（額定功率15 kW，額定轉速1 450 r/min）；HD-A2FO斜軸式軸向柱塞定量泵（排量為32 mL/r）；飛輪（轉動慣量為1.12 kg·m2）；比例溢流閥HD-DBEM1030B315YM；變頻器MS2000-7R5G/011P-4；單片機控制器CPU為AT89S52，外擴12位A/D、D/A芯片、顯示屏、串口芯片等。圖2為控制器硬件系統框架圖。

圖2 控制器硬件系統框架圖Fig.2 Controller hardware system frame diagram

2 液壓動力單元理論分析

式中，q為極對數，q=2；U1為電機定子側電壓，U1=380 V；ω1為角頻率，ω1=2πf；f為電機運行頻率；s為轉差率；R1為定子電阻；R2為轉子電阻，R2=0.95 Ω；L1為定子電感；L2為轉子電感。

s很小時，可忽略式（1）分母中含s的各項，則有

2.1 液壓動力單元數學模型

異步電機的數學模型是一個高階、非線性、強耦合的多變量系統，在變頻工作方式下，其動態過程的電磁方程組極其復雜。對于液壓系統的動態過程而言，電機電磁瞬間變化過程很短，不考慮電機的電磁變化后，電機電磁轉矩公式為

本實驗裝置中，變頻器采用恒壓頻比帶定子壓降補償的控制方式，基本上保持磁通Φm在各級轉速上都為恒值，最大轉矩保持不變，如圖3所示。

圖3 恒轉矩調速方式時電機的機械特性Fig.3 Mechanical properties of electrical motor in constant torque speed control mode

在式（2）中有

式中，n0為電機定子轉速，r/min；n為電機轉子轉速（瞬時轉速），r/min。

則可進一步化簡得

由機械系統動力學可知［11］，液壓動力單元的動力學方程為

式中，TR為等效負載轉矩；Ti為電機轉矩；J為電機和飛輪的轉動慣量。

電機滿負荷工作時，電機電磁轉矩為額定值，此時電機轉矩平衡方程為

式中，TN為電機的額定轉矩，TN=95.5 N·m；TR為等效負載轉矩，N·m；BT為電機軸阻尼系數，BT=0.02 N·m·s/rad。

負載轉矩即為油泵的輸出轉矩，電機負載等效轉矩

式中，p為泵出口壓力，Pa；qV為泵的排量，qV=32 mL/r；η為油泵效率，η=0.92。

電機轉速隨著負載增加而連續變化，控制器根據飛輪瞬時轉速反饋信號連續變頻調速，在各級頻率下，保證Δn=n0-n相同，即電機輸出轉矩相同。在本實驗的變頻調速過程中，電機的輸出轉矩可近似認為是不變的。設計飛輪時，應從飛輪儲能時間、飛輪轉速變化幅度、液壓系統工作狀況等方面考慮，假設飛輪平均功率-P為電機功率的30%，轉速變化幅度和轉動慣量不能太大，在滿負荷工作下，電機定子轉速由n0=1 500 r/min降低到n1=1 000 r/min，滿負載工作時間t=1.5 s，由飛輪動力單元守恒公式得飛輪轉動慣量為1.12 kg·m2，考慮電機和油泵的轉動慣量，總轉動慣量J=1.3 kg·m2。

2.2 液壓動力單元理論變化曲線

以鐓粗工藝變形抗力變化曲線為例，實驗通過控制油泵輸出壓力模擬負載變化，根據油泵輸出壓力變化，將動力單元實驗的一個工作周期分為低負荷加壓階段、工作加壓階段、卸壓階段、空載階段。

通過上述實驗參數計算額定負載壓力大小，當負載壓力小于18 MPa時，電動機提供能量足夠克服負載做功，不需要飛輪提供能量；當負載壓力大于18 MPa時，電機功率小于負載所需功率，僅靠電動機無法滿足負載做功需求，需要飛輪提供剩余能量。負載最大壓力設為26 MPa，在低負荷階段，通過比例溢流閥控制輸出壓力，輸出壓力由0增加至18 MPa；工作加壓階段輸出壓力由18 MPa穩定增加至26 MPa；卸壓階段輸出壓力由26 MPa降低至0，圖4所示為鐓粗變形抗力隨工作行程的變化曲線和模擬負載壓力變化隨時間的變化曲線。表1為模擬負載壓力變化實驗參數。

圖4 墩粗變形抗力和模擬負載壓力變化曲線Fig.4 Curve of pier deformation force and simulated pressure

表1 模擬負載壓力變化實驗參數Tab.1 Simulation parameters of roughing process

在工作加壓階段，油泵輸出壓力曲線方程為p=5.33t+18；在卸壓階段，壓力變化曲線方程為p=62-24t。電機工作轉速不同，電機輸出功率不同，分別在1 450 r/min、1 150 r/min、850 r/min工作轉速下，將以上參數代入電機轉矩平衡方程（式（7）），利用MATLAB計算得到負載轉矩大于電機轉矩時的電機轉速變化曲線，如圖5所示。

圖5 不同工作轉速下電機轉速變化曲線Fig.5 Variation of motor speed in different initial speed

根據電機轉速和壓力變化數據，以及電機功率公式PM=TNω和負載功率計算公式PL=TRω，可得到電機輸出功率和負載功率隨時間的變化曲線，如圖6所示。

圖6 不同工作轉速下電機功率和負載功率變化曲線Fig.6 Variations of motor power and load power in different initial speed

由圖5、圖6可以看出，當負載功率大于電機輸出功率時，電機轉速降低，系統對電機變頻調速，電機輸出轉矩不變，飛輪釋放能量，飛輪釋放的能量和電機輸出能量一起克服負載做功，直至最低轉速。當電機功率大于負載功率時，變頻調速至初始工作轉速，飛輪儲存能量；電機輸出功率隨電機轉速降低而下降，由于輸出壓力和轉速的變化，負載功率呈先增大、后減小的變化規律；負載功率與電機功率之差即飛輪釋放的能量，工作轉速越高，飛輪提供的能量越多。工作轉速為850 r/min時，電機轉速由850 r/min降到420 r/min；工作轉速為1 150 r/min時，電機轉速由1 150 r/min降到700 r/min；工作轉速為1 450 r/min時，電機轉速由1 450 r/min降到1 045 r/min。

3 液壓動力單元實驗

3.1 實驗方案

分別在不同工作轉速下，對液壓動力單元實驗裝置進行模擬鐓粗工藝實驗，圖7所示為動力單元實驗裝置，其實驗參數見表1。通過D/A模塊控制比例溢流閥壓力，模擬一個工作周期4個階段輸出壓力的變化：輕負載加壓階段（0～18MPa）、工作加壓階段（18～26 MPa）、卸壓階段（26～0 MPa）、空載階段（準0 MPa）。利用接近開關記錄飛輪瞬時轉速，將處理后的轉速信號通過D/A模塊轉化成變頻器輸入信號，控制電機變頻調速，當電機達到最低轉速時，D/A模塊輸出信號至工作頻率，電機回到初始工作轉速；通過壓力傳感器測量一個工作周期內的系統壓力，通過A/D模塊測量變頻器模擬輸出端子電壓信號，獲得電機輸出功率；將數據上傳至電腦，并繪制成電機輸出功率和負載功率、轉速和壓力隨時間變化的曲線。

圖7 液壓動力單元實驗裝置Fig.7 Experimental device of hydraulic power unit

3.2 實驗結果及分析

實驗過程中，電機實際初始工作轉速分別為1 435 r/min、1 175 r/min、901 r/min，動力單元實驗在一個工作周期內，電機輸出功率和負載功率、轉速和壓力隨時間變化見圖8～圖10，圖中t1為低負荷加壓階段時間，t2為工作加壓階段時間，t3為卸壓階段時間，t4為空載階段時間。

圖8 初始轉速為1 435 r/min時系統各參數變化曲線Fig.8 Variation of System parameters at 1 435 r/min initial speed

由圖8～圖10可知，在低負荷加壓階段，電機平穩運行，電機功率隨負載加壓上升至額定功率。工作加壓階段，負載壓力超過額定壓力，電機功率小于負載功率，電機轉速降低，負載功率和電機功率之間的能量差即飛輪釋放的能量。飛輪釋放的能量和電機輸出能量共同克服負載做功，電機輸出功率隨電機轉速下降而降低，負載功率先升高、后下降，系統壓力波動較大，電機轉速呈小幅度階梯形下降。在卸壓階段，壓力不會瞬時完全釋放，電機轉速仍會下降，直到最低轉速，當電機輸出功率大于負載功率時，電機轉速開始上升，此時飛輪儲存能量，電機轉速回到初始工作轉速。

圖9 初始轉速為1 175 r/min時系統各參數變化曲線Fig.9 Variation of System parameters at 1 175 r/min initial speed

圖10 初始轉速為901 r/min時系統各參數變化曲線Fig.10 Variation of System parameters at 901 r/min initial speed

由于飛輪的轉動慣量大，電機轉速響應變慢，當負載壓力增加時，電機轉速下降，變頻器對電機變頻調速，受磁滯效應、轉動慣量和實驗誤差等因素的影響，電機轉速、油泵流量響應不及時，轉速呈階梯形變化，系統壓力波動增大；但總體而言，轉速變化、電機功率和負載功率變化規律與理論變化規律是一致的。

考慮普通電機-油泵動力系統，按照最大壓力和速度確定裝機功率，并將圖8～圖10數據整理至表2。

表2 不同工作轉速下的實驗結果Tab.2 Results of experiment in different work speed

如表2所示，當負載功率大于電機輸出功率，工作轉速為1 435 r/min時，電機轉速降低至914 r/min，系統裝機功率下降34.9%；工作轉速為1 175 r/min時，電機實際轉速下降至748 r/min，系統裝機功率下降33.3%；工作轉速為901 r/min時，電機實際轉速下降至392 r/min，系統裝機功率下降34.8%。電機輸出功率越高，飛輪具有的能量越大。電機在901 r/min工作轉速下，電機轉速低，電機變頻調速時，電機發熱量大，液壓泵吸油性能變差。

4 結論

（1）針對鍛造液壓機裝機功率大、鍛造工況能耗損失較大的問題，結合飛輪儲能和變頻調速技術，提出變頻驅動飛輪油泵動力系統。相比于以最大壓力和速度確定裝機功率的電機-油泵動力系統，本文提出的變頻驅動飛輪油泵動力系統，在相同的工況和實驗條件下，飛輪轉動慣量為1.12 kg·m2，電機轉速變化幅度在500 r/min左右，可使系統裝機功率至少降低30%。

（2）本動力單元電機轉速變化幅度不受電機過載能力和轉差率限制，相比電機-飛輪-油泵系統，提高了飛輪儲存能力，電機不會因過載發熱而燒毀。

（3）電機低轉速工作時，在變頻調速過程中發熱比較嚴重，液壓泵吸油性能變差。

（4）變頻驅動飛輪油泵動力系統工作特性與材料成形裝備的工藝特性基本一致，系統輸出壓力隨工藝所需能量變化，在選擇合理的飛輪轉動慣量和電機轉速變化幅度下，低裝機功率下的動力系統能夠滿足工藝所需能量，且系統工作穩定。

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