开关磁阻电机在数控液压站节能中的应用

2012年1月 第40卷第2期 机床与液压 012 0 03969j0013881201202017 开关磁阻电机在数控液压站节能中的应用 李帅 ，虎恩典 ，李祖军 ，李桃 (1宁夏大学机械工程学院，宁夏银川750021； 2银川长城液压有限公司，宁夏银川750021) 摘要：将开关磁阻电机调速系统成功地运用于数控机床液压站，充分利用了开关磁阻电机的调速范围宽、调速性能优 异且在整个调速范围内都具有较高效率等特性，实现了保压时的自适应流量控制，满足了各种数控机床驱动负载动力要 求，使整个液压动力装置更节能。 关键词：开关磁阻电机；数控液压站；节能 中图分类号：1 文献标识码：B 文章编号：10013881(2012)20472 C I 150021，2o，50021，of of reit C to C as of of C C 着我国机床行业的发展，数控机床对液压动力 单元的要求也越来越高，比如节能、低噪声等。开关 磁阻电机(速系统 除了具有变频调速系统的一系列优点外，还具有比变 频调速系统更高的电能一机械能转换效率。近年来， 开关磁阻电机的应用和发展取得了明显的进步，已成 功地应用于电动车驱动、纺织机械等领域。作者将开 关磁阻电机调速系统运用于数控液压站中，实现液压 动力的自动调速、高响应的机械特性和节能式流量的 自适应控制，以满足各种数控机床驱动负载的动力要 求，使整个液压动力装置更节能。 1 系统的节能分析 传统的液压站在保压状态下，靠溢流阀来保持压 力的恒定，即保压时，系统压力达到溢流阀所调定的 压力，在电机转速不变的情况下，泵的流量不变，直 接通过溢流阀流回油箱。 由文献1可知，泵的输出功率出流量： P=卸。q 而实际流量n (排量容积效率叼 的乘积，即： q=Vt 。 由上式可知：传统的液压站在保压时，系统输出 的液压能全部浪费掉了，并且油液循环加快，不利于 油液冷却，设计时，一般用加大油箱的方法来弥补。 而文中所提出的液压动力装置，如图1所示。 至系统 1一压力传感器 卜溢流阀 (安全阀) 3_液压泵 5气口 6一液位计 ，一过滤器 8一风冷器 图1系统原理图 系统在保压时，溢流阀2不工作，仅作安全阀使 用，保压压力是低于溢流阀调定压力的，保压时的流 量冷器8流回油箱。节流阀3的流 量特性，参考文献1，可用小孔流量通用公式来 描述： 收稿日期：20101221 作者简介：李帅(1985一)，男，土家族，硕士研究生，研究方向为机电系统智能控制。通信作者：虎恩典，E383139250qq48 机床与液压 第4O卷 q=C 式中： 由孔口长径比决定，流量系数尺寸和液体性质有关，即在选定节流阀的节流口形 式以及油液温度在允许范围之内， 和。进而可得知：系统保压时，通过降低电机转速， 降低泵的流量q，调整节流阀3的开度，即改变A 的 值，就可以设定系统的压力值。从理论上讲，可以降 低电机转速至很小，使系统在保压时的功率趋近于 零，达到相当节能的效果。但实际上，受泵的低转自 吸性能的限制，系统保压时电机转速有个最小值 n i 。因齿轮泵低速时自吸性能好，高速时有相对小 的摩擦损耗，作者选用日本岛津齿轮泵， 最低转速500 r高转速3 000 r保压 时，液压能损耗功率P 为： 。V。n p 而传统的液压动力装置在保压时液压能的损耗功 率P P：= Vn叼 可以粗略估算，取n ； =500 rn=1 500 rPb i 500 1 一=一=一=一 JP n 1 500 3 说明文中提出的液压站在保压时，浪费的液压能 要比传统的少23。 2流量一压力特性曲线 传统数控液压站基于三相交流异步电动机，驱动 定量泵，靠溢流阀溢流来保压，系统的流量一压力特 性曲线如图2所示的A。 一c，点 应的压力为溢流阀调定压力p ，流量为Vn叩 。 而文中数控液压站的流量一压力特性曲线为， 点以通过系统软件设定保压值 p ，同时调节节流阀开度，使开关磁阻电机自动调 速，调整流量至q ；点过溢流阀 来设定，其值约为P +05 从图中还可以看 出该数控液压站和传统的相比，节约的能量即为 2流量一压力特性曲线 3开关磁阻电机调速系统 开关磁阻电机调速系统(效率高，输出功率大，在宽广的调速 范围内，整体效率比其他系统高出10以上；在低 转速段具有高输出转矩，普通交流电机驱动的系统空 载时功率因数为0204，满载时为08608，而 开关磁阻电机驱动的系统功率因数空载时可达 0995，满载时可达098。文中采用开关磁阻电机调 速系统，所节约的能量占整机节能的80。 31硬件部分 控制器选用分利用系统接口丰富、功能强、 高速性能好、指令系统简单易操作等特点，可简化系 统硬件电路设计。控制器结构框图如图3所示，主要 包括主控制器接口电路、功率变换器以及驱动电路、 绕组电流检测电路、转子位置检测电路、压力检测环 节以及按键显示电路等。 f，泵 泵 压力 流量 图3 2软件部分 系统在运行中，软件对功率开关的导通角和关断 软件部分采用实现电 角进行实时控制，由中断服务程序捕获转子位置， 流对 实时更新控制参数，以满足不同工业场合的要求， 流力检测以及 对于运行中出现的短路、过流、堵转等故障，控制 换相控制均放在定时器周期中断服务子程序中，频率 软件都可以给出报警信息，构成友好的人机交互界 为2 子位置检测放在外部中断服务子程序中。 (下转第68页) 68 机床与液压 第40卷 生培柏审 l。 抽 I ，： e 日叫丽I 一习F习 j目 j l 州I Ch l 图5通信界面 322模拟窗口 模拟窗口主要为显示模拟的十字路口车辆通行状 况。根据中继器发送上来的车辆信息模拟当前道路状 况。 当中继器发送来车辆信息时，根据其所处的车道 和方位信息在相应的路口放上模拟汽车。根据车速设 定车辆的移动量，同时可以看到在一段路面上每个方 向上的车辆数。 当某个方向来的车辆数超过正常车流量时，根据 智能优化算法综合其他路面的情况自动调节信号灯时 间参数，使得总体等待时间最小。路面交通模拟界面 如图6所示。 图6道路交通模拟界面 323数据库信息查看窗口 对检测到的车辆信息以及交通灯时间参数分别建 立数据库存储，进行有效的数据存储，以满足应用需 求，比如查看各个路段不同时间段的车流量，各路口 交通灯时间参数的修改历史等。 在数据库信息查看界面可以选择要查看的数据 库，主要有车流量和红绿灯时间的信息，也可以导出 数据做其他的分析处理。 4小结 该系统具有以下优点，使道路上的交通信息与交 通相关信息尽量完整和实时。 (1)采用地磁传感器监测车辆通行的情况，节 点设计体积小，便于安装、替换。 (2)智能交通系统的网络化，可以将各个道路 的车流量信息统计存储，为城市规划等提供数据参 考。 (3)采用双地磁传感器，将两路地磁信号作相 关计算，提取渡越时间，获得车辆通行速度，从而可 以有效地监测超速行驶，提高交通执法的力度。 智能交通系统是目前世界交通运输领域的前沿研 究课题。发达国家提出并执行了一系列研究计划，其 核心是针对日益严重的交通需求和环境保护压力，采 用通信技术、计算机技术、控制技术、信息处理技术 等对传统交通运输系统进行深入改造。在我国，智能 交通的研究处于起步阶段。伴随着经济的发展，城市 化进程的加快，大城市交通拥堵以及能源、环境问题 也变得相当严重。智能交通系统研究必将为我国社会 经济的飞速发展提供强有力的支撑 。 参考文献： 【1】杜宏川我国智能交通系统发展现状与对策分析J 吉林交通科技，2009(1)：6063 【2】贾书洪，贾新宇，李晓静基于度采集系统设计J电脑编程技巧与维护，2009 (1)：5354 【3】罗冰L (20090820)【4】高军哲，潘孟春，田武刚，等基于数字寻北仪设计J单片机与嵌入式系统应用， 2010(1)：4749 (上接第48页) 面。由于开关磁阻电机调速这一技术在国内已经很成 熟，因此文中不再赘述。 4结论 将基于开关磁阻电机调速系统应用于数控液压站 中，除了在噪声方面不是很理想外，其他性能均能满 足国家标准 ：压力振摆02 液温升不大 于25，油液温度不大于60。此外，该数控液压 站在保压时，功率消耗仅850 W，因此，在节约能源 方面具有推广价值。 参考文献： 【1】姜继海，宋锦春，高常识液压与气压传动M北京：高 等教育出版社，2002