小型液壓挖掘機電驅動動力源特性研究

劉 彬 閆 政 葛 磊 權 龍

(1.太原工業學院工程訓練中心， 太原 030008； 2.晉中學院機械學院， 晉中 030619;3.太原理工大學新型傳感器與智能控制教育部與山西省重點實驗室， 太原 030024)

0 引言

傳統液壓挖掘機多采用定轉速柴油發動機驅動液壓泵作為動力源，由于工況復雜，發動機常工作在低效區，故油耗大、能效低、排放嚴重[1]。油電混合動力因其較好的節能特性而受到工程機械行業的關注[2]。國內外對于油電混合動力工程機械的研究主要集中在控制策略、參數匹配與能量管理等方面[3-8]，這些研究在一定程度上避免了發動機工作在低效區，但受限于發動機較低的燃油轉化效率，節能效果仍不明顯。

隨著電池技術和超級電容的發展，工程裝備電動化成為新的發展趨勢[9-10]。基于電動機具有能量效率高、動態特性好和噪聲低等優點，權龍等[11]研究了可調速電機與液壓泵組成的電液動力源，認為其可以作為高效、高動態液壓動力源。電液動力源動態特性、能效等方面得到深入研究[12-19]，并成功應用于電動汽車、注塑機和叉車等領域[20-23]，效果良好。

挖掘機工況復雜、負載變化劇烈，電驅動液壓動力源技術在液壓挖掘機中的應用研究較少。為此，本文提出一種變轉速感應電動機驅動變量泵動力源，針對感應電動機變轉速系統動態響應較慢的問題，應用試驗方法分析其動態特性，并與傳統的發動機驅動液壓泵動力源特性進行對比，研究其應用于電動液壓挖掘機的可行性。

1 系統工作原理

液壓系統調速回路常采用節流調速或容積調速。傳統的液壓挖掘機常用柴油發動機驅動變量泵動力源，通過變量泵或節流方式調節運行速度。

如圖1所示，挖掘過程負載變化劇烈，發動機輸出扭矩在18～200 N·m波動。由于發動機在工作中轉速恒定，故常工作于高速小負荷工況，燃油消耗較高。圖2為變轉速-變排量液壓動力源結構。在該結構中，液壓系統流量由泵排量、泵轉速以及泵的容積效率3個變量確定。

圖1 挖掘機工作周期扭矩特性Fig.1 Excavator working cycle torque output characteristics

圖2 變轉速-變排量液壓動力源Fig.2 Variable speed and variable displacement hydraulic power source

泵輸出流量為

Q=nVηv

(1)

式中Q——流量，mL/min

V——液壓泵排量，mL/r

n——轉速，r/min

ηv——液壓泵效率

與傳統的柴油發動機液壓動力源相比較，變轉速-變排量液壓動力源增加了調節的自由度，可在較大范圍內實現電動機和液壓泵均工作在高效率區，能夠消除排放、減小噪聲。由于永磁同步電機具有響應速度快，動態特性好的特點，在電梯、注塑機的液壓系統中大量使用，但在液壓挖掘機中使用時，成本高、抗震性能差。

感應電動機結構簡單，運行可靠，且具有良好的抗震性能和高性價比，隨著矢量控制技術和直接轉矩控制技術的迅速發展，其變頻調速能力有了極大的提高。本文提出選擇矢量控制變頻驅動的三相感應電動機，驅動動態響應特性突出的軸向柱塞泵作為液壓系統動力源，應用于液壓挖掘機，并對其進行理論分析和試驗研究。

2 理論分析

2.1 感應電動機轉速及扭矩特性分析

將ωr與ωs相加得到ωe后，矢量控制所需的單位矢量(cosθe和sinθe)即可求得。圖中相關的2相旋轉/2相靜止是指de-qe坐標系向ds-qs坐標系的轉換，2S/3S變換為靜止坐標系的2/3變換。

感應電動機扭矩和轉子磁鏈表達式為

(2)

(3)

P——電機級數

ids——勵磁電流，A

iqs——扭矩電流，A

Te——額定扭矩，N·m

Lm——互感，mH

Lr——轉子繞組自感，mH

R′r——轉子等效電阻，Ω

圖3 矢量控制原理Fig.3 Vector control theory

(4)

式中Imax——電源最大供電電流，A

可得電動機扭矩的輸出與de-qe動態模型中扭矩分量和勵磁分量均相關，在ids和iqs按照式(4)的關系分配時，感應電動機提供的扭矩最大，而根據力與速度的關系，在負載一定的情況下，加速度也最大。但Imax將限制電動機提供的最大扭矩和最大加速度。

電動機扭矩平衡式為

(5)

式中TL——負載扭矩，N·m

J——轉動慣量，kg·m2

ωr——轉子角速度，rad/s

感應電動機啟動時，轉子輸出的扭矩需與負載扭矩和轉速提升帶來的慣性扭矩相平衡。而啟動過程中，負載扭矩不變，電動機提供的扭矩越大，角加速度會越大。

2.2 軸向柱塞泵擺角響應特性

變排量泵選擇電液比例變量柱塞泵，該泵動態響應速度快，其排量計算式為

(6)

式中d——柱塞直徑，mm

D——柱塞分布圓直徑，mm

Z——柱塞數量δ——斜盤傾角

排量V可通過調節斜盤傾角δ進行調節。圖4為泵擺角階躍響應特性試驗曲線，試驗中泵出口預載閥設置最小壓力為3 MPa，由圖可知，擺角從0變化到100%時，實際響應時間僅為70 ms。

圖4 泵擺角響應特性 Fig.4 Pump swing angle response characteristics

在采用變轉速-變排量液壓動力源形式時，可以通過較快的泵擺角響應，彌補感應電機啟動速度慢的不足，優化液壓動力源響應。

3 試驗

3.1 試驗系統構建

圖5 試驗測試平臺Fig.5 Test rig1.軸向柱塞式變量泵 2.感應電機 3.光電碼盤 4.操作手柄 5.轉速控制柜 6.RS485通訊總線 7.變頻器 8.WT3000型高精度功率分析儀 9.dSPACE

為測試變轉速-變排量液壓動力源特性，構建了以小型液壓挖掘機動臂為測試對象的控制及采集試驗系統如圖5所示。系統中，以6 t小型挖掘機為試驗平臺，采用ABB變頻器驅動37 kW YVF2型高能效感應電動機和SYDFEE 2X/071型壓力流量復合電液比例變量柱塞泵，并與原45 kW的柴油發動機驅動力士樂A10V063L型負載敏感軸向柱塞變量泵的特性進行比較，采用dSPACE半實物仿真平臺控制并采集液壓系統流量、壓力等參數，dSPACE通過RS485總線與PLC通訊，控制變頻器對感應電動機進行轉速控制。

變轉速-變排量液壓動力源系統中電動機轉速和變量泵擺角在挖掘機運行過程中根據挖掘機不同工作模式不斷切換，使電動機、變量泵均工作于高效率工作區。感應電動機與變量泵配合能否在啟動、加載過程中保證壓力流量動態特性滿足挖掘機要求是本文研究的重點內容。

圖6為電動液壓挖掘機動力源測試原理，通過比例閥和溢流閥的設定可以模擬各種負載工況，也可通過液壓閥直接驅動動臂進行實際工況試驗；dSPACE可對泵擺角，電動機轉速進行設定、控制，同時可對液壓泵輸出壓力、輸出流量以及感應電動機實際轉速等參數進行深入分析。

圖6 液壓挖掘機電驅動動力源測試系統Fig.6 Test system of electric drive hydraulic power source

3.2 感應電動機空載特性

矢量控制變頻器驅動感應電機，當電機負載扭矩TL=0時，電機轉子提供的扭矩主要平衡慣性扭矩和摩擦扭矩。在圖6中，將感應電動機的輸出軸與液壓泵的輸入軸脫離，測試空載不同初始轉速感應電動機啟動特性。

由圖7可得，初始轉速0和初始轉速500 r/min的目標轉速達到額定轉速1 500 r/min時，兩種空載啟動速度基本相同。但目標轉速低于額定轉速和高于額定轉速時啟動速度均有所下降。根據電機扭矩平衡公式，從500 r/min到900 r/min和1 200 r/min時，角加速度較小，電流變化緩慢，使得電動機扭矩輸出增長較慢，所以啟動速度稍慢于0的初始速度的啟動時間。

圖7 不同目標轉速電動機啟動時間Fig.7 Start time of motor at different setting speeds

圖8為空載目標轉速為1 500 r/min時的啟動電流，由于初始轉速為0啟動時慣性扭矩和摩擦扭矩更大，其啟動電流最大值接近500 r/min初始轉速啟動時啟動電流最大值的1.75倍。所以啟動時，需盡量避免電動機從停止狀態啟動，以降低啟動電流，減小損耗，并滿足液壓系統需要基礎轉速提供背壓的需求。

圖8 不同初始速度空載啟動輸入電流Fig.8 Motor input current with no-load at different start speeds

3.3 感應電動機負載啟動特性

由感應電動機空載特性可知，啟動時初始轉速為0或其他固定轉速時，對電動機動態特性影響較小。所以，可將電動機初始轉速設定為0。通過調整圖6中溢流閥壓力，將其設定為系統運行平均壓力15 MPa，液壓泵排量設定為其額定排量71 mL/r，相當于給液壓泵施加了平均功率的負載。將目標轉速設定為300、900、1 500 r/min，測試電動機的負載啟動特性，測試結果如圖9所示。

由圖9可知，感應電機啟動時，由于帶有較重負載，其啟動扭矩增加，啟動電流需快速上升才能得到必要的啟動扭矩，尤其在啟動初期，電流還未達到最大，故轉速上升較空載時稍慢。但在額定扭矩和額定電流范圍內，在啟動過程后期，電流迅速增加，使得啟動時間略長于空載啟動時間，300 r/min時延遲0.191 s，900 r/min時延遲0.161 s，1 500 r/min時僅延遲0.085 s。越接近額定轉速，其負載啟動特性越好。

圖9 感應電動機空載及負載啟動特性對比曲線Fig.9 Comparison of induction motors starting characteristics with or without load

3.4 感應電動機負載擾動特性

動力源在突加負載擾動時往往會出現偏離原有狀態的情況，偏離值越小，恢復越快，動力源特性越好。由于階躍負載在特性上與沖擊負載相近，且較易控制，為更好地獲得感應電動機驅動動力源的負載擾動特性，采用不同大小的階躍負載模擬實際負載施加在動力源上對感應電動機進行負載擾動特性測試。

本文通過對1 200 r/min和1 500 r/min兩個固定轉速施加不同的階躍負載，測試感應電動機的負載擾動特性。試驗中負載功率的設定通過調整溢流閥的壓力實現，但由于兩次測試轉速不同，導致液壓泵流量不同。而在輸出功率不同時，泵的效率也不相同。所以限于試驗條件，很難在不同轉速下精確施加相同的階躍負載。但通過擬合感應電動機轉速波動曲線，可發現轉速波動幅度與階躍負載大致呈線性關系，可以間接比較出不同轉速在相同階躍負載下的轉速波動特性和抗干擾能力。

圖10分別為1 200 r/min和1 500 r/min時的負載擾動波形。轉速1 200 r/min，泵輸出功率分別為8.6、14、20 kW時，電動機轉速波動為9.3%、12.8%和16.8%；轉速1 500 r/min，泵輸出功率分別為6.5、13.8、22.5 kW時，電動機轉速波動為3.5%、8.3%、10.8%。從測試結果可發現，在額定轉速下，感應電動機轉速波動幅度更小，表現出更強的抗干擾特性。而在負載突然消失時，相當于施加了反向階躍負載，感應電動機出現了幅度相當的轉速向上波動。

圖10 電動機負載擾動特性Fig.10 Load disturbance characteristics of induction motor

3.5 動態特性對比

3.5.1動臂舉升負載特性對比

在挖掘機運行周期中，動臂空載舉升是標準動作，通過該動作可以比較感應電動機與發動機在實際工況下的動態特性。由于文中挖掘機為成熟商用產品，在以1 500 r/min為額定轉速的感應電動機替換了額定轉速2 000 r/min的發動機后，為保證改造后挖掘機動作特性一致，故將原有排量為63 mL的變量泵換為排量為71 mL的變量泵。保證系統流量保持在120 L/min左右。由于兩種動力源所使用的變量泵排量不同，所以在完成動臂舉升動作時泵輸出功率有所不同。

圖11 動臂舉升電動機轉速特性Fig.11 Speed characteristics in arm lifting of induction motor

圖12 動臂舉升發動機轉速特性Fig.12 Speed characteristics in arm lifting of engine

由圖11和圖12可知，在承受更大的輸出功率情況下，電動機轉速最大波動率達到7.6%，而發動機最大波動率達到9.9%，波動幅度降低23.5%。在1.4 s后，電動機轉速恢復至1 500 r/min，但發動機在整個加載區間內，轉速被壓低至1 400 r/min附近波動，電動機體現出更好的負載轉速恢復特性。在穩定運行階段，電動機也表現出良好的速度穩定性，而發動機的轉速波動在運行期間一直存在。但在負載消失時，發動機轉速逐步恢復正常，沒有出現明顯的向上波動情況，而電動機在負載消失時出現了5.9%的轉速向上波動情況。

3.5.2變轉速-變排量動力源壓力流量特性

從前述分析可知，矢量控制下，感應電動機轉速抗干擾能力優于發動機，但其啟動時間需0.4 s，動態響應較慢。所以需與電液比例柱塞變量泵擺角的快速響應特性配合以得到滿足需求的壓力和流量特性。控制策略如下：利用感應電動機較穩定的調速特性，在挖掘機空載時將感應電動機轉速設定為200 r/min，既節能又能穩定運行，提供一定的背壓。沿用原挖掘機發動機轉速根據工況進行分段調節的方法，操作手根據具體工況要求，將感應電動機目標轉速設定在動態特性較好的1 200～1 500 r/min之間時的某一轉速。動作時，根據手柄傾角決定流量需求，通過計算可得到變量泵的擺角需求。在轉速上升的同時，泵擺角也開始動作，由于變量泵的響應更快，可用以補償感應電動機較慢的動態響應，滿足壓力和流量需求。該策略可使電動機在空載時處于較低的工作轉速，能量消耗小，噪聲低。在挖掘機動作時使電動機轉速快速進入高轉速區，配合挖掘機需要的壓力、流量特性，同時電動機和變排量泵處于相對高效區間，取得較好的節能效果。

以動臂負載舉升為例進行測試，控制方式為：感應電動機轉速從初始200 r/min至1 500 r/min變化，泵擺角同時快速從0變化至70%。較快的泵擺角變化，可較好地補償轉速變化慢帶來的流量輸出速度較慢的情況。轉速上升至設定轉速后即進入轉速穩定狀態，之后以排量控制為主對挖掘機動作進行控制。

圖13為變轉速-變排量動力源和恒轉速(發動機驅動)-變量泵動力源在動臂舉升時液壓泵的壓力和流量特性。由于變轉速-變排量動力源中泵排量較原泵大，所以在相同轉速時變轉速-變排量動力源輸出流量略大。從輸出壓力來看，由于動臂舉升時，發動機轉速恒定，通過改變液壓泵擺角控制系統流量和壓力，壓力上升穩定。而電動機在動臂舉升時轉速從200 r/min上升至1 500 r/min需要一定時間，所以在初始階段壓力有一個下降，之后隨著電動機轉速和泵擺角的上升，壓力開始穩定上升，且上升速度略快于發動機驅動的液壓泵。感應電動機驅動與變量泵協調運行時泵輸出壓力和流量的上升時間分別較傳統發動機驅動提升了14.9%和26.3%。所以變頻器驅動的感應電動機通過轉速的變化和液壓泵擺角的變化進行配合，能夠滿足挖掘機系統運行對泵輸出壓力和流量的需求。

圖13 不同動力源泵輸出壓力流量特性Fig.13 Pump output pressure and output flow by motor or engine

4 結論

(1)提出了變轉速感應電機驅動變量泵作為挖掘機動力源的方案，構建了試驗平臺，并通過對矢量控制及液壓泵排量控制的理論分析和試驗測試，對該液壓動力源特性進行了研究。

(2)對變轉速-變排量動力源系統空載和帶載啟動的動態特性和負載特性進行了測試。通過動臂舉升動作，測試了動力源負載特性，相比于發動機驅動液壓泵動力源，轉速波動降低了23.5%。

(3)提出了挖掘機不工作時電動機在200 r/min低速運行，工作時根據工況設定電動機在1 200～1 500 r/min范圍內的某一轉速運行的方案。通過動臂空載舉升測試，驗證了在該方案下，變量泵快速的擺角控制可以彌補電動機帶負載啟動時間較長的缺點，泵輸出壓力和流量的上升時間較傳統發動機驅動變量泵分別縮短了14.9%和26.3%。