閉式泵控液壓機運行與能效特性

李鵬和， 馮克溫， 郝云曉， 張紅娟， 權(quán) 龍

(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點實驗室， 山西 太原 030024)

引言

液壓機是用于壓縮工件使其發(fā)生塑性變形的機器，其特點是滑塊質(zhì)量大和工進負載力大，而且能量損耗嚴重。ZHAO Kai等[1]對液壓機能耗的根源進行了深入研究，結(jié)果表明，整機能量利用效率僅為7%，造成液壓機能效低下的主要原因是裝機功率與需求功率不匹配，次要原因是重力勢能的浪費[2]。液壓機的基本動作是液壓缸帶動滑塊的一維運動，即空程下放、工件加工(工作行程)和回程提升。裝機功率需要滿足工作行程的最大功率，同時又服務(wù)于非工作行程。然而，在整個工作周期中，非工作行程占相當大的比例，導(dǎo)致裝機功率與所需功率不匹配，造成大量能量浪費[3]。液壓機在空程下放的過程中，滑塊的重力勢能等能量減少，但沒有做有效功，而是轉(zhuǎn)化為熱量耗散，引起了大量重力勢能、動能和液壓能的浪費。因此，液壓機節(jié)能的途徑有2個，即功率匹配和能量再生[4-5]。

為了解決功率不匹配問題，可以為液壓系統(tǒng)配備變速電機和變量泵，從而實現(xiàn)對所有工作點的高效跟蹤[6-7]；也可以利用飛輪儲能系統(tǒng)在非工作行程儲存冗余能量，在工件加工行程釋放能量，進而降低裝機功率[8]。近年來，人們從液壓機組的角度入手，通過共享由幾個驅(qū)動區(qū)域組成的驅(qū)動系統(tǒng)，驅(qū)動多臺工況順次銜接的液壓機來匹配功率[9-10]，并且通過調(diào)度功率不同的驅(qū)動系統(tǒng)分區(qū)，縮短了空載時間，減少了空載流量，提高了液壓機的能效[11-12]。

有的學(xué)者還從液壓系統(tǒng)的角度解決功率不匹配問題。液壓系統(tǒng)可分為閥控和泵控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡單，成本較低，得到了廣泛應(yīng)用，為了避免功率不匹配，閥控系統(tǒng)常常采用負載敏感技術(shù)[13]，但依然存在節(jié)流損失；泵控系統(tǒng)能很好避免控制閥的能量損失，但泵控非對稱缸需要解決流量不匹配問題[14-15]。目前較有發(fā)展前景的是，采用變轉(zhuǎn)速電機帶動泵馬達直接驅(qū)動執(zhí)行器[16]，既能實現(xiàn)功率實時匹配，還能實現(xiàn)能量回收。

能量再生的實現(xiàn)途徑有3個：機械存儲、液壓存儲和電氣存儲[17]。機械存儲是指將空程下放的重力勢能轉(zhuǎn)化為飛輪的動能，或者轉(zhuǎn)移為另一臺液壓機滑塊回程提升的重力勢能[18]，這屬于機械能內(nèi)部的變換，效率較高，但是控制性能較差；液壓存儲是指將重力勢能轉(zhuǎn)化為液壓能回收到蓄能器里并在加工行程釋放出來[19-21]，這也是能量回收最常見的方式；電氣存儲是指將能量回收到超級電容或蓄電池[22-23]，其優(yōu)勢在于對能量的再利用具有很好的可控性，但要求機器驅(qū)動單元裝配的是電機而不能是內(nèi)燃機。

液壓機電氣化應(yīng)用勢必是未來發(fā)展的大趨勢，但很少有學(xué)者在電氣存儲方面進行能量再生的研究。為此，本研究引入了超級電容儲能系統(tǒng)進行液壓機能量再生研究。為了解決功率不匹配問題，采用了伺服電機驅(qū)動的泵控非對稱缸液壓系統(tǒng)，為了應(yīng)對液壓機負載力大的問題和充分發(fā)揮電機的性能，本研究采用了雙排量液壓泵，對液壓機的工作循環(huán)進行了階段劃分和工況分析；制定了儲能系統(tǒng)能量管理策略對能量進行回收和再利用；搭建了帶儲能系統(tǒng)的液壓機試驗臺對液壓機能效特性進行了試驗研究；搭建了仿真模型進一步開展液壓機運行與能效特性的仿真研究。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)方案的基本組成

圖1為系統(tǒng)方案原理圖，主要由液壓系統(tǒng)、驅(qū)動單元和儲能系統(tǒng)3部分組成。液壓系統(tǒng)包括雙排量泵馬達、液控單向閥、蓄能器和液壓缸，用于產(chǎn)生壓力帶動滑塊壓縮工件；驅(qū)動單元包括伺服驅(qū)動器和永磁同步電機，用于為液壓泵提供動力；儲能系統(tǒng)包括雙向DC-DC 變換器和超級電容，用于能量回收與再利用。

圖1 系統(tǒng)方案原理圖Fig.1 Schematic diagram of system scheme

1.2 液壓機工況分析

圖2所示為液壓機的1個工作周期，后文中以時間為橫軸的圖均與此圖時間對應(yīng)，其中，實線為設(shè)定的液壓缸速度v曲線，虛線為設(shè)定的液壓缸位移x曲線。

液壓機的工作過程可分為3種工況8個階段：空程下放(加速、勻速、減速)、工件加壓(加壓、保壓)、回程提升(加速、勻速、減速)：

(1) 空程下放 液壓缸有桿腔為高壓，無桿腔為低壓，液壓泵將液體從高壓的有桿腔泵送到低壓的無桿腔，屬于超越負載工況，此時液壓泵處于馬達工況，給予伺服電機主軸動力，故電機處于發(fā)電狀態(tài)；

(2) 工件加壓 液壓缸無桿腔需要很大的壓力才能壓縮工件，此時液壓泵轉(zhuǎn)換為小排量泵，將液體從低壓的有桿腔泵送到壓力很大的無桿腔，此時電機處于電動狀態(tài)；

(3) 回程提升 液壓缸有桿腔處于高壓狀態(tài)，液壓泵將液體從低壓的無桿腔泵送到高壓的有桿腔，故電機需要提供動力，處于電動狀態(tài)。

圖2 液壓機的工作周期Fig.2 Working cycle of hydraulic press

2 儲能系統(tǒng)策略

2.1 能量管理策略

當液壓機的用電功率變化時，電機母線電壓會隨之波動，當回收能量時電機發(fā)電，母線上的濾波電容會積累電荷導(dǎo)致母線電壓迅速飆升。母線電壓的劇烈波動會影響電機工作的可靠性，為了維持母線電壓的相對穩(wěn)定，制定了如圖3所示滯環(huán)儲能系統(tǒng)能量管理策略，在電機發(fā)電時儲能系統(tǒng)充電以回收能量，在電機峰值功率時儲能系統(tǒng)放電以補充能量：

圖3 儲能系統(tǒng)能量管理策略Fig.3 Energy management strategy for energy storage system

(1) 當母線電壓高于降壓閾值Ubuck時，儲能系統(tǒng)處于降壓充電模式，但只有當電壓升高到降壓觸發(fā)值Uup以上才會觸發(fā)充電模式啟動，啟動后母線電壓會下降，但只有當電壓下降到Ubuck以下才會觸發(fā)充電模式停止；

(2) 當母線電壓低于升壓閾值Uboost時，儲能系統(tǒng)處于升壓放電模式，但只有當電壓降低到升壓觸發(fā)值Udown以下才會觸發(fā)放電模式啟動，啟動后母線電壓會上升，但只有當電壓上升到Uboost以上才會觸發(fā)放電模式停止。

在本研究中，電機母線電壓的標準值U0為542 V，為了較好地觸發(fā)能量的回收與再利用，取Uup=570 V，Ubuck=550 V，Uboost=535 V，Udown=530 V。

2.2 功率控制策略

在能量管理策略中，最重要的就是控制儲能系統(tǒng)的能量回收和輔助供電功率，其功率控制策略如圖4所示。

圖4 儲能系統(tǒng)功率控制策略Fig.4 Power control strategy of energy storage system

在空程下放工況，電機發(fā)電，母線電壓急劇升高，此時需要控制雙向DC-DC變換器將電能回收到超級電容中。但是，如果回收的功率太小則不能使母線電壓恢復(fù)期望水平，也會造成能量浪費；如果回收的功率太大則超級電容會從電網(wǎng)取電，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)增多，降低能量利用率。為了使能量回收功率能夠適應(yīng)發(fā)電功率，以母線電壓為控制對象，采用PID控制方法來控制能量回收功率，然而PID反饋算法存在一定的滯后，尤其是當被控對象發(fā)生劇烈變化時，PID的穩(wěn)定性偏差。因此，進一步結(jié)合了前饋控制算法以避免出現(xiàn)劇烈變化的情況。

在工件加壓工況，電機處于峰值功率，超級電容儲能系統(tǒng)的輔助供電功率的控制思想也跟能量回收時一致，在此不再贅述。

3 液壓機能效特性試驗

為了研究液壓機空程下放工況的能效特性，提取液壓機的主要結(jié)構(gòu)，并利用加載缸的恒力模擬滑塊的重力，搭建了如圖5所示帶儲能系統(tǒng)的液壓機試驗臺，其中滑塊的質(zhì)量為150 kg，超級電容的容值為5 F。

圖5 帶儲能系統(tǒng)的液壓機試驗臺Fig.5 Hydraulic press test bench with energy storage system

試驗采集了液壓機在空程下放工況下電機的功率P，如圖6所示，電機的發(fā)電功率約為800 W，經(jīng)過計算，在空程下放時，電機的發(fā)電能量為868 J。

圖6 電機在空程下放工況的功率Fig.6 Generating power of motor in empty range

圖7為空程下放時進行能量回收時母線電壓uh的變化，可以看出，母線電壓經(jīng)過振蕩后會穩(wěn)定在570 V 左右，不再上升到700 V以上，說明制動電阻沒有導(dǎo)通，電機發(fā)電的能量沒有被消耗掉，而母線電壓保持相對穩(wěn)定，說明發(fā)電的能量均已被儲能系統(tǒng)回收。

若不對電機發(fā)電的這部分能量進行回收，那么母線上的濾波電容就會因為電荷積累導(dǎo)致母線電壓急劇飆升到700 V以上，從而觸發(fā)制動電阻導(dǎo)通消耗電能。這不僅造成了能量浪費，還增加了系統(tǒng)的散熱負擔(dān)。因此，本研究提出的儲能系統(tǒng)方案，一方面對能量進行回收，另一方面還能起到維持母線電壓的相對穩(wěn)定的作用。

圖7 能量回收時母線電壓的變化Fig.7 Change of bus voltage during energy recovery

圖8為滑塊空程下放階段能量回收時超級電容電壓uSC的變化，根據(jù)電容能量計算公式，可以算出在1個周期內(nèi)實際回收到儲能裝置的能量為688 J，而電機的發(fā)電能量為868 J，因此儲能系統(tǒng)的能量回收效率為79.3%。

圖8 能量回收時超級電容電壓的變化Fig.8 Change of super capacitor voltage during energy recovery

4 液壓機運行與能效特性仿真分析

超級電容儲能系統(tǒng)與液壓機產(chǎn)生聯(lián)系的紐帶是直流母線。將儲能系統(tǒng)的高壓端接入液壓機的電機母線端，構(gòu)成了本研究帶儲能系統(tǒng)的液壓機，其仿真模型如圖9所示，由液壓機和超級電容儲能系統(tǒng)組成，并由三相電源供電。

圖9 帶儲能系統(tǒng)的液壓機仿真模型Fig.9 Simulation model of hydraulic press with energy storage system

4.1 液壓機運行特性

圖10為液壓缸位移x響應(yīng)特性，可以看出，在空程和回程階段，液壓缸的實際位移與設(shè)定位移緊密跟隨；在工件加壓階段，由于有很大的負載力，實際位移稍微落后，但是在位置反饋閉環(huán)的補償下，在工件保壓階段能夠精準地停在指定位置，使工件加工具有良好的加工質(zhì)量。

圖10 液壓缸位移響應(yīng)特性

圖11為使用單排量泵與雙排量泵時電機轉(zhuǎn)矩T的對比，可以看出，使用單排量(45 mL/r)液壓泵時，其電機峰值轉(zhuǎn)矩為169 N·m，而使用雙排量(28, 45 mL/r)液壓泵時， 其電機峰值轉(zhuǎn)矩為105 N·m，大大減低了對電機負載的要求。當使用單排量泵時，其排量受到電機峰值轉(zhuǎn)矩的限制，不能選取太大，因而在空程和回程時的速度就受到了限制。因此，本研究選用雙排量泵的意義在于，當液壓機在空程和回程階段，用大排量可以大大提高液壓缸的運行速度，從而節(jié)省非工作行程的時間，提升工作效率；在工件加壓階段，用小排量可以大幅度減小對電機轉(zhuǎn)矩的要求，減小電機體積、重量和成本。不僅如此，雙排量泵的使用還減小了電機在工作行程與非工作行程的功率差，使得電機在整個工作周期都更靠近高效工作區(qū)。

圖11 電機轉(zhuǎn)矩對比Fig.11 Contrast of motor torque

4.2 液壓機能效特性

圖12為電機在整個工作周期中的功率曲線，空程下放階段為發(fā)電狀態(tài)，其他階段為電動狀態(tài)。在電機發(fā)電時，如果不對能量進行回收，那么母線上的濾波電容就會因為電荷積累而使得母線電壓迅速飆升到七百多伏，從而觸發(fā)制動電阻導(dǎo)通，消耗能量抑制電壓繼續(xù)上升。但是制動電阻消耗發(fā)電能量轉(zhuǎn)化為熱量，不僅降低了系統(tǒng)的能量利用效率，而且增加了系統(tǒng)的散熱負擔(dān)。因此，本研究引入了超級電容儲能系統(tǒng)對電機發(fā)電的能量進行回收再利用。

圖12 電機在整個工作周期中的功率Fig.12 Power of motor during its entire operating cycle

電機的功率和儲能系統(tǒng)的功率會直接影響母線電壓的高低。圖13為整個工作周期能量補償前后母線電壓的變化曲線，能量補償前，儲能系統(tǒng)只對電機發(fā)電能量進行回收，能量補償后，儲能系統(tǒng)既對發(fā)電能量進行回收又對系統(tǒng)峰值功率進行補充。

在空程下放工況，電機發(fā)電，母線電壓會迅速飆升。根據(jù)圖3可知，當母線電壓大于570 V時會啟動Buck充電模式，使得母線電壓穩(wěn)定在570 V左右。此時不再有電荷積累，母線電壓不再上升，說明電機發(fā)的電均被儲能系統(tǒng)吸收。

在工件加壓工況，電機功率較大，線路阻導(dǎo)致母線電壓下降得比較嚴重。因為損耗功率與阻抗上電壓的平方成正比，在峰值功率時線路阻抗會消耗更大部分的能量，從而降低了能量利用效率。若此時能從直流母線直接補充電能，則可提升母線電壓并降低線路損耗。如圖13所示，可以看出儲能系統(tǒng)的能量補償使得工件加壓階段母線電壓得到了提高。

圖13 能量補償前后母線電壓變化Fig.13 Bus voltage changes before and after energy compensation

在回程提升工況，電機功率不大，并不會觸發(fā)圖3所示儲能系統(tǒng)能量回收與補償?shù)臈l件，因此儲能系統(tǒng)不工作。

圖14為母線電壓與超級電容電壓對照圖，可以看出，儲能系統(tǒng)在液壓機工作的整個周期的能量管理，在空程下放發(fā)電階段，將滑塊的動勢能和蓄能器的液壓能轉(zhuǎn)換為電能回收到超級電容；在工件加壓峰值功率階段，將超級電容的能量釋放以補償母線所需的電能，降低對電網(wǎng)的功率沖擊，減小線路阻抗的電能損耗。從圖14中的超級電容電壓計算出存入到超級電容中的能量為588 J，而從圖12計算得電機發(fā)電能量為739 J，故儲能系統(tǒng)的回收效率為79.6%。

圖14 母線電壓與超級電容電壓變化Fig.14 Changes of bus voltage and super capacitor voltage

圖15為使用儲能系統(tǒng)前后液壓機能耗E的對比，經(jīng)計算可知，加入儲能系統(tǒng)后，液壓機的能耗降低了6.9%。

圖15 使用儲能系統(tǒng)前后液壓機能耗對比Fig.15 Comparison of energy consumption of hydraulic press before and after using energy storage system

5 結(jié)論

本研究提出了帶超級電容儲能系統(tǒng)的雙排量泵-馬達閉式驅(qū)動液壓機方案，經(jīng)過仿真與試驗研究，得出了以下結(jié)論：

(1) 本研究提出的方案能夠回收空程下放超越負載工況下電機發(fā)電能量，儲能系統(tǒng)回收效率約為79.3%，降低整機能耗的6.9%；

(2) 制定的能量管理策略能起到穩(wěn)定母線電壓的作用，從而減小峰值功率時對電網(wǎng)的沖擊，增強系統(tǒng)可靠性，并且減小線路阻抗對電能的消耗；

(3) 雙排量液壓泵能夠大幅度減小對電機最大轉(zhuǎn)矩的需求，同時提高非工作行程的運行速度，提升整機工作效率。