（机械制造及其自动化专业论文）变频液压泵控调速调压系统的实验研究及分析.pdf

a d i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt oz h e ji a n g u n i v e r s i t yo f t e c h n o l o g yi np a r t i a l f u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g e x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n da a n a l y s i so f t h ef r e q u e n c y - c o n v e r s i o n v e l o c i t y a n d - - p r e s s u r e - m o d u l a t i n gu s i n gi n h y d r a u l i cp u m ps y s t e m c a n d i d a t e ：l i ug u o w e n s p e c i a l t y ： m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g s u p e r v i s o r ：y uz h e q i n g t h ei n s t i t u t eo fm e c h a t r o n i cc o n t r o le n g i n e e r i n g ，z h e j i a n g u n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , h a n g z h o u ，p r c h i n a 舢2 川780眦呻im 8iii_洲丫 浙江工业大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个 人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育 机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名：立t ) 回又 日期：形年歹月5 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库 进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密函在上年解密后适用本授权书。 ， 2 、不保密口。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名：亨lif 司丈 刷磴氢命惭青 日期：口厂年月5 日 日期：口石年6 月日 日期：彩年万月5 日 浙江工业大学硕士论文 变频液压泵控调速调压控制系统的实验研究及分析 摘要 变频液压泵控调速调压是通过变频器改变电机输入电源频率来调 节电机转速，从而调节液压定量泵的转速，改变泵的流量，然后通过泵 容腔、负载容腔油液体积的改变达到控制液压系统状态，起到最大限度 的节约能源的目的。这种方法已经大量应用在工业生产的诸多领域里， 极大地推动了生产效率，提高了产品的性能和质量。本课题要研究的主 要内容是通过变频液压泵控调速调压系统设计及实验研究，探讨液压系 统的节能应用，以期对构建变频液压泵控调速典型系统有一定的导引作 用，并优化现有的液压调速调压节能系统。 本文首先简单介绍了变频泵控调速调压系统的控制原理，并列举了 几种典型变频泵控调速调压系统方案，同时提出了一种较有新意的添加 阻尼的变频泵控调速调压系统，为第四、五章实验的展开奠定理论基础， 并分析了变频泵控液压调速调压系统的性能特点。接着把变频器看成是 一个环节，根据系统工作原理图建立了静态数学模型，在此基础上建立 了变频液压泵控调速调压系统的动态数学模型，并将其化作状态方 程模型；然后用四阶龙格一库塔对此状态方程模型进行非线性阶 跃仿真，得出系统在阶跃信号输入下的各主要参数的输出响应。 搭建了实验闭环计算机辅助测控系统后，在分析了变频泵控液压调速调 压控制系统理论基础，从理论上分析系统开环时恒流、恒压和恒功率的 可行性，并付诸实验研究，然后结合实验曲线进行分析，阐明其控制性 能优劣，最后通过p i d 算法使闭环实时监控成为可能，并对比了有无 p i d 算法控制时的性能优劣。 总之，通过本课题的开闭环实验研究发现，定量泵的变频调速调压 一定程度上可以取代变量泵。变频液压泵控调速调压系统具有结构简 浙江工业大学硕士论文 单、易于控制、节能降耗等功效，这在长时间运行的大功率设备上将有 良好的应用前景。本文的研究对变频调速调压下的定量泵在工业生产领 域的应用起一定的指导作用。 关键词：变频液压调速调压定差减压阀数学建模仿真分析 浙江工业大学硕士论文 e x p e r i m e n t a ls t u d i e sa n da a n a l y s i so f t h ef r e q u e n c y c o n v e r s i o n 一一v e l o c i t y a n d - p r e s s u r e - m o d u l a t i n gs y s t e mu s i n gi nh y d r a u l i c p u m ps y s t e m a bs t r a c t t h ef r e q u e n c y - c o n v e r s i o n v e l o c i t y - a n d p r e s s u r e - m o d u l a t i n g s y s t e m u s i n gi nh y d r a u l i cp u m pc o n t r o ls y s t e mc a nr e g u l a t et h ev e l o c i t yo ft h e f i x e dd i s p l a c e m e n tp u m p ，c o n t r o lt h es t a t eo ft h eh y d r a u l i cs y s t e m ，a n d a t t a i nt h eo b je c t i v et of a r t h e s ts a v ee n e r g yb yr e g u l a t i n gt h ev e l o c i t yo ft h e p o w e rt h r o u g hi n v e r t e rt oc h a n g et h ei n p u tf r e q u e n c yo ft h ep o w e r t h i s m e t h o dh a sb e e nl a r g e l yu s e di nm a n yf i e l d so fi n d u s t r ya n d g r e a t l y p r o m o t e dt h ep r o d u c t i o ne f f i c i e n c y , i m p r o v e dt h eq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c e o ft h ep r o d u c t i o n t h e m a i n l yc o n t e n to fo u ri s s u e i st od i s c u s st h e a p p l i c a t i o no fe n e r g y - s a v i n g i n h y d r a u l i cs y s t e mt h r o u g ht h e s c h e m e d e s i g n m e n ta n de x p e r i m e n ta n a l y s i so ff c v p ms y s t e m w ee x p e c tt od i r e c t t h ec o n s t r u c t i o no ft h et y p i c a lf c v p ms y s t e ma n do p t i m i z et h ep r e s e n t h y d r a u l i cs y s t e mt h r o u g ho u rr e s e a r c h f i r s t l y , t h i sp a p e rs i m p l y i n t r o d u c e st h ec o n t r o l p r i n c i p l e o ft h e f c v p ms y s t e m ，a n de n u m e r a t e ss e v e r a lk i n d so ft y p i c a ls c h e m ea b o u tt h e f c v p m ，a tt h es a m et i m ep u t sf o r w a r dak i n do fi n n o v a t i v es y s t e mi nw h i c h d a m pi se q u i p p e d ，a n da n a l y s e st h ec h a r a c t e ro ft h ef c v p ms y s t e mt ob a s i s t h ed e v e l o p m e n to fe x p e r i m e n ti nc h a p t e r5a n d6 t h e nw ee s t a b l i s ht h e s t a t i cm a t h e m a t i c sm o d e la c c o r d i n gt ot h es y s t e m sf u n c t i o n a ld i a g r a m ， t r a n s f o r mi ta st h em o d e lo ft h ee q u a t i o no ft h es t a t e ，t h e ns i m u l a t ei t s n o n l i n e a rs t e pc h a r a c t e rb yu s i n g4o r d e re q u a t i o no fr o m b e r g - p a g o d a ，g e t t h eo u t p u tr e s p o n s eo fv a r i a b l ep a r a m e t e r su n d e rs t e ps i g n s t h e nw e c o n s t r u c tt h ec o m p u t e ra i dt e s ts y s t e mf o rt h ec l o s e l o o pe x p e r i m e n t ，t h e n a n a l y z et h et h e o r e t i c a lb a s i so ft h ef c v p ms y s t e ma n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h e o p e n l o o ps t a t eo fs t a b l e f l u x ，s t a b l e p r e s s u r ea n ds t a b l e p o w e rf r o mt h e p r i n c i p l e ，i l l u m i n a t ei t sa d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e st h r o u g ht h ea n a l y s i s o ft h ee x p e r i m e n tc u r v e s f i n a l l yw em a k et h er e a lt i m e c l o s e 1 0 0 pc o n t r o l p o s s i b l et h r o u g hp i d a l g o r i t h m ，a n d c o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fp e r f o r r n a n c ew h e nu s i n gp i da n dn o t i ns h o r t ，w ef i n d o u t ，t h r o u g ht h er e s e a r c h ，t h a tf c v p mh a sm a n y a d v a n t a g e st h a tv a r i a b l ep u m pd o e s n tp o s s e s s ，a n dc a nt a k ep l a c eo fi tt o s o m ed e g r e e w i t ht h ea d v a n t a g e so f s i m p l es t r u c t u r e ，e a s yt oc o n t r o l ，a n d e n e r g y 。s a v i n g ，l th a sab r i g h tf u t u r ei nt h ei n d u s t r yf i e l dw h e r ee q u i p m e n t s o ：tl a r g ep o w e ro f t e nw o r ks ol o n gat i m e t h er e s e a r c ho f o u ri s s u ew i l lh a v e s o m ed i r e c t i o nt ot h e a p p l i c a t i o no ff c v p mi ni n d u s t r yf i e l d k e yw o r d s ： f c v p m ，u n i f o r mp r e s s u r e d r o pv a l v e ，m a t h e m a t i c a l m o d e l ，c l o s e l o o p ，s i m u l a t i o na n da n a l y s i s i v 浙江工业大学硕士论文 目录 摘要i a b s t r a c t ii i 目录v 第一章绪论1 1 1 选题背景及意义1 1 1 1 选题背景l 1 1 2 课题的效益和意义2 1 2 液压调速调压回路的现状。3 1 3 变频调速技术概述6 1 3 1 变频调速技术的发展。：6 1 3 2 变频液压调速调压控制技术的发展现状7 1 3 3 变频调速调压液压控制技术的应用前景8 1 4 本课题所作工作。9 第二章变频液压泵控调速调压系统方案设计1 0 2 1 变频调速的理论基础1 0 2 2 变频调速系统的几种控制方式原理简介1l 2 3 变频泵控液压调速调压系统的设计1 2 2 3 1 典型变频泵控液压调速调压系统1 2 2 3 2 加阻尼的变频泵控液压调速调压系统1 4 2 4 变频器中常用的控制方式l6 第三章变频液压泵控调速调压系统的动静态数学建模与仿真17 3 1 系统工作原理1 7 3 2 定差减压阀阀口开度18 3 3 系统静态数学模型l9 3 4 静态模型的仿真分析2 0 3 5 系统的动态建模与分析2 0 3 5 1 系统动态方程建模。2 0 3 5 2 系统的动态仿真与分析。2 4 3 6 环境因素的影响2 8 3 6 1 阶跃幅值不同时的响应情况2 8 3 6 2 负载刚度的影响2 8 3 6 3 油液体积模数的影响2 9 3 6 4 阀芯粘性阻力系数的影响3 0 第四章变频液压泵控调速调压开环实验及其结果分析3 1 4 1 理论基础31 4 2 恒流实验3 3 4 2 1 恒流变量3 3 4 2 2 恒流实验分析3 4 4 3 恒压变量3 6 4 4 恒功率变量3 8 v 浙江工业大学硕士论文 4 5 结论4 0 第五章变频液压泵控调速调压闭环测控系统4 1 的搭建及其p id 算法的实现4 1 5 1 计算机辅助测控系统简介。4 l 5 1 1 变频液压泵控调速调压实验测控系统的构成4 1 5 1 2 工业计算机4 l 5 1 3 数据采集卡4 3 5 1 4 压力传感器4 4 5 2 三菱变频器简介4 5 5 2 1f r e 5 0 0 系列变频器技术指标。4 5 5 2 2f r e 5 0 0 系列变频器的接线4 6 5 3 压力传感器的标定4 8 5 4p i d 控制简介。4 9 5 4 1p i d 控制原理5 0 5 4 2 控制器。5 1 5 4 3 数字pid 控制算法5 2 5 5 变频液压泵控调速调压控制系统软件设计5 4 5 6 闭环调速调压系统p i d 实时监控结果分析5 6 第六章变频液压泵控调速调压系统研究的结论与展望6 0 6 1 全文总结：6 0 6 2 后续展望6 0 参考文献6 2 附录l 6 5 致谢7 2 攻读硕士期间发表的论文7 3 v i 浙江工业大学硕士学位论文 第一章绪论弟一早硒y 匕 【摘要】本章首先阐述了选题背景和意义，指出变频液压泵控调速调压系统研究的可 行性和实用性；接着分析了当前液压调速调压回路的现状，指出变频液压泵控调速 调压回路的先进之处：最后阐明本课题所做工作。 1 1 选题背景及意义 本课题要研究的主要内容是通过变频液压泵控调速调压系统设计及实验研究分 析，探讨液压系统的节能应用，以期对构建变频液压泵控调速调压典型系统有一定 的导引作用，并优化现有的液压调速调压节能系统。 1 1 1 选题背景 2 1 世纪是一个高度自动化的世纪，各种大中小型电动、机械装置琳琅满目。随 着科技的发展和人类的新需要，大型智能化生产设备将应运而生，而液压技术是能 量传输和对外做功的核心环节，并承担着以电气、传感技术为主要构成的中枢神经系 统( 信息感受和控制环节) 和机械骨骼系统( 整体框架支撑环节) 两者间承上启下的联 结，是能量传递或做功环节中必不可少的一部分。 7 0 年代末世界性的能源危机，促使人们对能源和节能问题有了更深的认识，液 压工程中的节能技术也就成为当今液压技术工作者关注的重要研究课题之一。而节 能的目的是最大限度的提高能量利用率。对于液压工程技术领域而言，就是要求用 最小的输入能量确保一定的输出。变频液压调速调压技术便是迎合了当今国际控制 技术的主流发展方向应运而生的。长期以来，直流发电机一电动机及其晶闸管一直流 电动机组调速控制方式得到广泛应用，但直流电动机有换向器和电刷，维护保养很 麻烦，价格也昂贵。过去的许多方法，如变极调速和绕线转子异步电动机转子回路 串电阻调速，前者为有级调速，后者能耗大，适用面有限；调压调速、转差电动机 调速，虽能平滑调速，但调速范围不大，能耗多，不能在大功率场合中应用；串级 调速功率虽稍大，但需转子异步电动机，调速范围也不大，且功率因数较低，应用 并不广泛。随着电力电子器件、微电子技术、电动机和控制理论的发展，近十多年 来已出现了用晶闸管、大功率晶体管等组成的，容量覆盖面很宽的异步电动机变频 调速系统，特别是微型计算机与矢量控制技术的应用，使得交流变频调速的性能己 可与直流调速相媲美。原来以恒速传动的风机、水泵类负载，从节能需要出发，已 大量采用交流变频调速系统；传统上采用的直流调速的轧钢、造纸和提升机械，及 加工机床、机器伺服系统等，也已用高性能交流变频调速代替直流调速。而电液控 浙江工业大学硕士学位论文 制领域中的变频调速调压，也将无疑对液压技术控制领域的带来深远的影响。它克 服了电气传动无法实现集中控制、很难实现高精度的控制的不足，具有动态响应快、 调速范围宽、分辨率高、抗污染性强、节能性好等优点。 1 1 2 课题的效益和意义 更好的研究及利用变频液压调速调压系统，可以对系统实现节能应用，保证加 工工艺中的最佳转速，平稳实现加减速，高精度转矩控制以及减少污染等方面产生 重要的影响。因此，研究变频调速调压控制系统具有很大的理论意义和实用价值。 另外，通过本论文研究，可望直接应用在有需要液压力控制的液压机械、液压式材 料试验机等场合，而我省的湖州机床厂是生产液压机械的大厂，浙江竟远机械设备 有限公司是生产液压式材料试验机的知名厂家。研究成果有望首先在诸如此类厂家 获得应用，既推动技术进步，也产生经济效益；又鉴于浙江省对能源的需求日渐攀 升，本课题希望对缓解其沉重的能源包袱、并促进其科技经济发展等方面起到积极 的作用；对构建变频液压泵控调速调压典型系统有一定的导引作用。这种新的液压 节能方法，如果调至最佳并推广开来，必将大大优化液压控制技术的前景，具有重 要的实用意义。表1 一l 对几种常用回路做了一个简单的比较，其性能优劣一目了然。 例如，在注塑机中，就可以应用这项技术。一般情况下，按注塑机的设计原则，液 压泵驱动电机的功率是最高负荷的1 2 0 ，而在实际注塑加工中，其实际工作负荷往 往低于最高设计负荷，而且在注塑过程的不同阶段所需压力、流量也各不相同，导 致液压泵驱动电机的工作能力常有很大的富余，造成在注塑机中“大马拉小车”的 动力浪费现象普遍存在，从而留下了很大的节能空间。若用计算机来检测来自于注 塑机控制系统的工作状态信号，并对这些信号信息进行分析和计算，根据注塑机当 前的工作状态( 开模、合模、射胶、回料、顶出等) 和工作压力及工作流量的要求， 自动控制变频器的频率，从而调节油泵的转速，使油泵的实际流量与注塑机的流量 需求相一致，从而消除溢流现象，节省电能。这项技术不仅可以应用在注塑机上， r s - 2 3 2 c 接口 r s - 2 3 2 c r s 一4 8 5 转换器 计算机 变频器1 p u 楼口 分配器1 二 分配器 变频器2 p u 接口 图1 1 变频调速一机多控图 变频器n ip u 接口l 终端阻抗 浙江工业大学硕士学位论文 在矿山机械、建筑机械等行业也有着良好的推广前景。它具有节能、减少发热和噪 声及简化液压系统等优点，尤其对于长期运转的大功率设备效果更加明显。另外可 以用一台工控机控制多台变频器，输出所需要的不同压力，使能量消耗控制在最小 状态。其一机多控如图1 1 。 1 2 液压调速调压回路的现状 表1 1 液压系统基本回路的对比 液压回路 原理图 能量特性 恒流量系统 l = q 一只 彝 l a s 浪费能源 b = a e p 1 p w = q 嗽b q 只 利用叫 ，7 = 3 8 oq q - a x 恒压力系统 = q 嗽只 备 p s 盘费能源 b = o e p l 只= a ( b e ) 利用能源 r = 6 7 0 qq a x 变频液压泵控调速调压 i 系统 1 p s = a ( 只+ 卸岱) 匝固h 浪费能源 ， p i 7 iap 1 3 p s = q 舅逮描蛰) 。 禾i 用能源 只= q a p 岱 ill 0 qq 赢缸 刁6 7 纵观国内液压技术发展历程，其调速调压控制方法大致有以下几种：二次调节 系统、压力匹配液压回路、负载感应电液系统和定量泵加变频调速调压电液系统。 下面介绍这几种液压调速控制技术的原理及其应用。 浙江工业大学硕士学位论文 a ) 二次调节系统 图1 2二次调节系统原理图 4 4 一 二次调节静液传动系统( 简称二次调节系统) 一般由恒压油源、二次元件( 液 压泵马达) 、工作机构和控制调节机构等组成口1 。二次调节系统是工作于恒压网络 的压力耦联系统。其工作原理是：在恒压网络中，通过调节二次元件斜盘倾角来改 变二次元件排量，以适应负载( 工作机构) 转矩的变化，使负载按设定的规律变化。 图1 2 是二次调节系统原理图，二次元件3 的排量由控制器4 根据一定的控制方法 来改变二次元件3 斜盘倾角的大小和方向，进而改变二次元件3 的排量，使系统稳 定地工作在某一工作状态，这个平衡状态可产生于任何的设定转速，因此可使二次 元件的转速无级变化。另外，p 。点压力可直接调节变量泵l ，来限制流量；当二次 元件工作于液压泵工况时，向系统回馈能量，回收的能量既可以由蓄能器储存，也 可以立即提供给其他用户使用。 b ) 压力匹配液压回路 图1 3 为一种使用比例方向阀的压力匹配回路。阀处于中位时，定差溢流阀 的控制口与油箱相通，定量泵卸载。阀换向，定差溢流阀的控制口与阀的相应油口 相通。定差溢流阀成为具有节流功能的比例方向阀的压力补偿阀。使阀进出口压差 为常数。这样，经过比例方向阀的流量即进入液压缸的流量仅仅与比例方向阀的开 口量，即与比例方向阀阀芯移动量成比例，而与负载的变化无关。定差溢流阀与比 例方向阀配合，使比例方向阀不但控制了液压缸的运动方向，也控制了进入缸的流 量即缸的工作速度；同时由于负载压力的反馈作用，使液压泵的工作压力自动跟随 负载压力的变化而变化，始终比负载压力高一恒定值，实现了压力匹配m 。 浙江工业大学硕士学位论文 c ) 电液负载感应系统 圈1 3 压力匹配回路 巨一阿 日涵 图1 4 负载感应回路 7 0 年代初国外学者在车辆液压系统中，首先提出了将节流调速和容积调速相结 合的多路控制系统负载感应系统d ，。 负载感应控制就是将变化的负载压力反馈到压力补偿装置或液压泵的变量调节 机构，使液压系统供压与负载压力相适应，从而减少压力过剩。负载感应是接收或 “感应”负载压力的一种方法以及将它反馈到控制系统，使控制负载回路的流量压力 不会因为负载的变化而受影响。没有负载感应，流量压力会随负载而变化的h 1 。图 1 4 为负载感应调速系统。在图1 4a 中，由节流阀、定量泵和负载感应元件组成 调速回路，系统正常工作时，定量泵的过剩流量经与系统并联的负载感应元件流回 油箱，消除了系统压力过剩，但不能消除流量过剩。在图1 4 b 中，由于负载感应装 置与泵的变量调节机构联系在一起，使变量泵的压力、流量能与负载压力、流量相 适应，系统不会产生过剩压力和过剩流量。 d ) 定量泵加变频调速调压控制系统 浙江工业大学硕士学位论文6 一 变频液压调速调压系统的原理如图1 5 所示，采用变频调速电机、定量泵一定量 马达构成液压调速调压系统，高压安全阀防止系统过载，丁，给马达加载，光电编码 器时刻检测马达转速并反馈给控制器，形成闭环实时控制系统侣1 。 交流变频调速调压以其独特优势在液压系统中得以广泛应用，2 0 世纪9 0 年代 以来，交流变频调速调压已在液压电梯和注塑机系统中得到了应用，节能效果显著。 本课题所研究的变频液压泵控调速调压控制是在此基础上进行的更深一步的研究。 1 3 变频调速技术概述 图1 5 变频液压泵控调速调压原理图 1 3 1 变频调速技术的发剧“7 j 直流电动机调速用发电机一电动机组控制是调速电动机的先驱。在初期主要是 直流发电机一电动机方式或汞孤整流器方式，改变励磁电流或控制汞弧整流器的触 发相位角以获得可变直流电源，从而改变直流电动机的转速。这个时代的控制回路 采用电子管等，在系统的效率、稳定性方面欠佳。1 9 6 7 年，大容量平板形晶闸管开 始生产。这种大容量晶闸管供电的直流电动机在工厂实践中被证明其良好的性能、 效率、稳定性及维修性，以后就跨入了真正晶闸管供电给直流电动机的时代。1 9 7 0 年晶体管放大器变为集成电路放大器，从此性能就更上一层楼了。 由于直流调速系统可以获得优良的静、动态性能指标，因此在很长的一段历史 时期内，直流电机调速占据了电机调速传动领域的统治地位。但直流电动机有一些 固有的难以克服的缺点，主要是机械式换向器带来的弊端。另外还包括：维修工 作量大，事故率高；容量、电压、电流和转速的上限值均受到换向条件的制约， 浙江工业大学硕士学位论文 在些大容量、特大容量的调速领域中无法应用；使用环境受限，特别是在易燃 易爆场合，难以应用。 另一方面，对于交流电动机的调速传动，其控制的基本原理很早被确立，转子 电阻控制、电机串级调速等方式已实用化，而且交流电动机也有其固有的优点：容 量、电压、电流和转速的上限不像直流电动机那样受限制；结构简单、造价低； 坚固耐用，事故率低，容易维护。但是在早期，交流调速只能使用一些简单的交 流调速方案，如：变极调速、定子调压调速、转差离合器调速等等。这些简单的交 流调速方案性能较差，只能在某些特定的场合有所应用。但是交流电动机在稳定性、 可靠性、维修性等方面有些不足，使用范围受到限制。2 0 世纪6 0 年代出现了v v v f 变频调速技术，随着这项技术的发展，调速装置( 变频器) 性能的日益完善，交流 调速性能差的问题己经得到了根本性的解决。 1 9 6 5 年以后由于晶闸管及控制用晶体管的进步，控制绕线转子异步电动机的转 子电压进行调速运转的静止串级调速、采用晶闸管变频器进行同步电动机调速的无 换向器电动机、采用晶闸管变频器使笼型异步电动机进行调速等依次实用化，完成 了以变频器调速为主流的更替。目前采用变频调速传动的系统性能已经可以超过直 流调速系统，再加上交流电机固有的优点，可以预见在不久的将来，交流调速传动 将会完全取代直流调速传动。以后随着电力半导体及控制器件的发展，直流电动机 调速时代将过渡到交流调速化的时代。 采用电力电子及微电子技术的调速电动机，由于控制性能、速度控制范围、效 率及维修性能方面优良，现已广泛的被采用。 1 3 2 变频液压调速调压控制技术的发展现状及弊端 众所周知，变频调速是一种高效率、高性能的调速方法，通过变频器改变电机 转速，从而调节油泵转速，达到调压之目的。这种技术特别适用于笼型异步电机。 脉宽调制( p w m ) 技术、矢量控制技术、无速度传感器技术的发展和应用使得交流电 机变频调速在许多场合已经大量取代直流调速系统。从目前工控领域的发展现状看， 它也代表着电力驱动的水平与方向。随着各种大功率智能型电力电子器件的不断问 世和计算机技术的飞速发展，变频调速调压技术也愈加成熟，其动态响应速度和过 载能力已经能够满足一般液压系统动态稳定性的要求，其价格已下降到用户普遍可 以接受的程度。由此，我们在液压控制系统中融入变频调速调压技术，将传统的定 量泵转化为“变量泵 ，变回流式调节为容积式调节，根据生产中各工艺流程“按 需分配 ，从而达到高效节能之目的。正是因为这样才引起了人们研究发展它的极 大兴趣。 浙江工业大学硕士学位论文 自2 0 世纪9 0 年代初日本三菱公司( m i t s u b i s h i ) 率先推出变频驱动的液压电梯 后哺1 ，到9 0 年代末，瑞士柏林格公司( b e r i n g e r ) 和德国l c i s t r i t z ag 公司都相继推 出了变频驱动液压产品呻j 0 1 。柏林格公司推出的变频驱动液压电梯，其控制系统采 用变频和阀控技术相结合的方案，用其高质量的动态双向流量传感器作为反馈元器 件实现闭环控制呻1 。德国l e i s t r i t za g 推出的变频驱动液压电梯是采用变频驱动技 术和活塞缸带配重系统相结合的方案。 目前，国外有些公司将电机和泵集成一体， 再和相应的变频器配套，做成变频驱动液压动力泵站，成为一个功能部件产品。如 t r u n i n g e r a g 公司生产的e p q 泵( e l e c t r i c a lp qp u m p ，e p q 泵) 。e p q 泵实际上是变 频交流伺服电机驱动的内啮合齿轮泵，通过变频器控制电机转速，使得系统的压力 和流量得到精确控制。例如在注塑机中使用e p q 泵时，可以缩短循环周期，降低能 耗。这种e p q 泵己有系列产品供应。除了在液压电梯和注塑机上应用以外，变频驱 动液压技术还在飞机、液压转向系统、制砖厂等方面获得应用。 国内变频驱动液压技术的研究是和液压电梯的研究密不可分的。浙江大学流体 传动及其控制国家重点实验室自1 9 9 2 年展开对变频驱动液压电梯的研究以来，先后 开发研制了三种变频液压电梯控制系统：变频一阀控相结合、上下行全变频和带蓄 能器的变频控制系统。浙江大学张健民等用交流变频调速的笼型异步电动机驱动螺 杆泵，应用于液压电梯的上升速度控制，以达到节能目的，取得了良好效果j 羽。 广东工业大学罗勇武等对交流变频闭式容积调速液压控制系统进行了开环控制研究 u 丑，并获得广东省重点攻关项目资助。西安交通大学王世明等对以交流变频电机 与定量泵代替变量泵的闭式容积调速回路作了模糊神经网络闭环控制研究n 乳埔1 ，取 得了较高的速度稳定性和回路刚度。 但是目前的研究应用还存在一些问题，主要是：低速时液压泵输出的流量脉动 也将是低频的( 虽然螺杆泵无流量脉动，但液压系统中使用广泛的柱塞泵、叶片泵、 齿轮泵均存在流量脉动) ，这种流量脉动引起的压力脉动对控制压力精度有不同程度 的影响，进而影响转速的调节，如何想办法降低甚至消除这种脉动，并通过实验加 以研究，都是本论文研究的重点。 1 3 3 变频调速调压液压控制技术的应用前景 交流变频调速技术应用时间较短，所以对变频调速与定量泵相结合的较间接的 控制方式的应用，国外虽然已经进行一些可贵的探索和尝试，但尚未在工业应用中 普及，其缺点也在所难免。所以本论文提供一种新的压力控制方法，部分完善了交 流变频调速技术在液压系统中的应用；同时结合交流变频调速的流量控制，进行交 流变频调速电机与液压泵相结合来实现液压系统的压力流量复合控制的研究。这种 浙江工业大学硕士学位论文 9 一 新型的泵控系统具有结构简单、成本较低、节能性好等特点，在以异步电机作为原 动机的液压系统中，将有广阔的应用前景。 通过本论文研究，我们还可结合原来交流变频调速的流量控制技术，构成交流 变频调速电机与定量泵实现的液压系统压力流量复合控制，为变频调速的笼型电机 在液压领域的全面应用奠定基础。一般来讲，由液压驱动的注塑机是需要压力流量 复合控制的典型场合，而浙江省是注塑机生产大省，如浙江塑料机械总厂、宁波海 天机械有限公司都是全国著名的注塑机生产厂家，所以本课题的研究对浙江省科技、 经济的发展将起到积极的促进作用。 1 4 本课题所做工作 1 、 设计变频液压泵控调速调压系统的可行方案； 2 、 搭建变频液压泵控调速调压系统液压实验台，其中包括硬件的购置、安装、 连线及其调试； 3 、 建立变频液压泵控调速调压系统的数学模型； 4 、通过仿真研究变频液压泵控调速调压系统的静态和动态特性： 5 、通过开环实验的研究分析来验证本课题的可行性和实用性； 6 、编写闭环实时监控软件，通过p i d 算法实现系统闭环实时监控功能。 浙江工业大学硕士学位论文 第二章变频液压泵控调速调压系统方案设计 l o - 一 【摘要】本章首先简单介绍了变频泵控调速调压系统的控制原理，并列举了几种典 型变频液压泵控调速调压系统方案，同时提出了一种较有新意的添加定差减压阀的 变频泵控调速调压系统，为第四、五章的实验展开奠定理论基础，并分析了变频泵 控液压调速调压系统的性能特点。 2 1 变频调速的理论基础【2 1 】 由电机理论知道，异步电动机的转速表达式为： 行= 6 0 f l ( 1 一s ) p 式中： z 电源频率， p 电动机磁极对数， s 转差率。 ( 2 - 1 ) 由( 2 - 1 ) 式知若连续地改变电动机的供电频率z ，就可实现对电动机同步转速 玎的平滑调节，从而实现异步电动机的无级调速。在电动机调速时，希望电动机的主 磁通保持不变，否则带负载能力下降。而主磁通丸和频率又满足下式： 式中： e i = 4 4 4 f l n l k | v l ( p 坍 t = c 脚( p 肌，2c o s q ) 2 e 定子感应电动势， n 。定子绕组匝数， k 。基波绕组系数， ( 2 2 ) ( 2 - 3 ) 浙江工业大学硕士学位论文 九每极气隙主磁通量； l 电磁转矩， c ，转矩常数， ，z 转子电流折算至定子侧的有效值， c o s 欢转子电路的功率因数。 如果忽略定子上的电阻压降，则有： u i e l = 4 4 4 f l n l k lc p 册 式中： u 一定子相电压。 于是，主磁通为： e 。u l 2 上4 4 4 f i n i k m2 石赢 ( 2 - 4 ) ( 2 5 ) 从上式可以看出，若u 。不变，则z 上升时，丸将下降，于是电磁转矩疋下降， 这样电动机的拖动能力会降低；若降低a ，则九将上升，当石小于额定频率时，主 磁通九将超过额定值。由于在设计电动机时，主磁通九的额定值一般选择在定子铁 心的临界饱和点，所以当在额定频率以下调频时，将会引起主磁通饱和，这样励磁 电流急剧升高，使定子铁心损耗急剧增加，这两种情况都是实际运行所不允许的。 为此，实际调速过程中常采用以下几种变频控制方式。 2 2 变频调速系统的几种控制方式原理简介【2 1 】 异步电机变频调速系统，从控制原理上分有标量控制和矢量控制两种。在标量 控制中有电压频率比控制和转差频率控制两大类，它们都可以做成电压源型和电流 源型。 浙江工业大学硕士学位论文 1 电压频率比控制 系统的被控制量是异步电机的定子电压u 和定子频率z ，系统使电压按一定的 函数关系跟踪频率的变化，称电压频率比控制系统。该系统控制简单，但动、静态 性能均不理想。 2 转差频率控制 转差频率控制是采用频率( 转速) 闭环的控制系统，即用转差角频率( o 作为系 统转矩控制的指令值。用1 1 = f ( a c o ) 函数发生器来控制定子电流的激励分量不变。 以保持气隙磁通恒定。该系统有近似于直流双闭环调速系统的静、动态特性，适用 于系统要求较高的场合。 3 矢量控制 在七十年代末开始提出的矢量变换控制，只有在计算机技术发展以后才得以实 现。这种控制的设想是模拟直流电机的控制特点来进行交流电机的控制。直流电机 之所以调速性能好，是因为直流电动机的电枢电流i 和磁通相互独立而且垂直， 可以互不影响分别进行调节。而异步电动机转子电流，：和主磁通9 。两个参量既不垂 直又不独立，转矩控制条件很复杂。所谓矢量变换控制是根据坐标变换理论，将交 流电机的定子电流分解成磁场定向坐标f 。和与之垂直的转矩分量f i ，由于f l 。和f i ， 在同一个同步旋转坐标上，其相对关系是静止的，相当于直流量，因此，对这种直 流量进行控制就等于对直流电机的控制了。它是目前交流调速的发展方向。 2 3 变频泵控液压调速调压系统的设计 2 3 1 典型变频