张紧器液压与驱动系统节能分析

2 0 1 0年 1 月 第 3 8卷 第2期 机床与液压 MACHI NE T O0L HYDRAUL I CS J a n 2 0 1 0 Vo 1 3 8 No 2 D OI 1 0 3 9 6 9 j i s s n 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 0 2 0 1 4 张紧器液压与驱动系统节能分析 张俊 亮 张宏 刘文利 钟朝廷 徐祥娟 1 中国石油大学 北京 1 0 2 2 4 9 2 中国海洋石油工程股份有限公 司 天津 3 0 0 4 5 0 摘要 铺管船用张紧器属于海上作业设备 要求其在工作过程中尽量减少能耗 对张紧器液压夹紧和电机驱动系统进 行节能设计 在液压系统中动力源是液压系统的主要能耗因素 通过分析采用 A 7 V 8 0 E L型高效 节能 大功率的复合变 量泵来匹配液压系统达到节能的目的 在交流伺服电机驱动系统中 根据大功率电机的特点采用变频器对电机进行启停控 制 减小启动电流实现节能 同时在电机的运行过程中 通过对功率因数进行模糊控制达到节能 目的 并通过试验证明系 统节能效果 关键词 节能 张紧系统 复合变量泵 模糊控制 中图分类号 T K 0 1 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 1 3 8 8 1 2 0 1 0 2 0 4 0 3 Ana l y s i s o n Ene r g y Sa v i ng f o r Hy dr a ul i c a n d Dr i v i n g Sy s t e m o f Te n s i o ne r Z H A N G J u n l i a n g Z H A N G H o n g L I U We n l i Z H O N G C h a o t i n g X U X i a n u a n 1 C h i n a U n i v e r s i t y o f P e t r o l e u m B e i j i n g 1 0 2 2 4 9 C h i n a 2 O f f s h o r e O i l E n g i n e e r i n g C o L t d T i a n j i n 3 0 0 4 5 0 C h i n a Ab s t r ac t The t e n s i o n e r f o r pi p e l a y i n g v e s s e l i s a k i nd o f o f f s h o r e o pe r a t i o n e q ui pme nt i t i s i mpo r t a n t t o r e d uc e t h e e ne r g y c o n s u mp t i o n T h e h y d r a u l i c a n d mo t o r d ri v i n g s y s t e m wa s d e s i g n e d t o s a v e e n e r g y I n h y d r a u l i c p r e s s u r e s y s t e m t h e ma i n e n e r g y c o n s ump t i o n f a c t o r wa s po we r s o u r c e S O v a r i a bl e c a p a c i t y pu mp A7V 8 0 EL wi t h hi g h e ffi c i e n t e n e r gy s a v i ng a nd h i g h p o we r wa s c h o s e n t o a c h i e v e e n e r gy s a v i n g I n t h e AC s e r v o mo t o r s y s t e m t h e t r a n s d u c e r wa s a d o p t e d t o c o n t r o l s t a r t a n d s t o p o f t h e mo t o r a c c o r d i n g t o t h e c h a r a c t e r i s t i c o f h i g h p o we r mo t o r a n d t h e p o w e r f a c t o r w a s c o n t r o l l e d b y f u z z y a ri t h me t i c i n t h e mo v i n g p r o c e s s i n o r d e r t o s a v e t h e e n e r g y Th e e x p e r i me nt a l r e s u l t s ho ws t h a t t h e e n e r gy s a v i ng e f f e c t i s o bv i o u s b y u s i n g t h i s me t h o d Ke y wo r ds Ene r gy s a vi n g Te n s i o n s y s t e m Va ria b l e c a pa c i t y pu mp F u z z y c o n t r o l 海上油气 田开采出的油气多数是通过管道输送至 陆上加工并分别输送到用 户 所 以海底管道铺设是海 洋石油开采 的重要环节 张紧器是海洋管道铺设 的关 键设备 在深海区域作业的铺管船工作时间长 其能源供给受海洋环境影 响 因此 在铺 管作业过程 中要尽可能的减少能耗 在铺管过程 中 对张紧器张 紧系统进行节能控制 将 大大提高能源 的利用率 节 约铺管成本 张紧器张紧系统 由液压夹紧系统和交流 伺服 电机驱动系统组成 通过分析液压系统的主要能 耗因素 采用变量泵达到节能的目的 在交流伺服电 机驱动系统中 根据张紧器工作特点 利用变频器对 电机进行启停控制和运行过程中采用模糊控制减少电 机能耗 1 液压系统节能分析 液压系统节能的目的是提高系统能量的利用率降 低 系统能量消耗 液 压系统 中能量 消耗 为无 功功 率与输入功率之比为 1一 l一 b 7 7 P P 式中 叼 为匹配效率 为传输效率 叼 为液动机 效率 因执行元件为间隙密封式液 压缸 所 以 叩 可取 1 系统液压效率 7 7 7 JP L q L d t 叼 J Jp q d t 巫 Ip q d t 由上式可以看 出 过剩流量 g和 p是产生液 压系统能耗 的根本原因 所以 液压系统动力源输 出 的流量过剩和压力过剩是造成 能耗 的根本原 因 在液 压系统工作过程 中使动力源输 出压力 流量和系统相 适应 实现功率适应控制 最大限度的提高匹配效 收稿 日期 2 0 0 9 0 3 1 1 基金项目 国家8 6 3项目 2 0 0 6 A A 0 9 A 1 0 5 2 作者简介 张俊亮 1 9 7 6 一 男 讲师 博士研究生 研究方 向为机电系统控制及 自动化 电话 1 3 2 6 0 2 6 7 2 6 7 E m a i l z h a ng dz u 1 26 c o n 第 2期 张俊亮 等 张紧器液压与驱动系统节能分析 4 1 率 是理想的节能办法 2 张紧器液压系统动力源及动力源控制 张紧器液压系统设计过程中 在保证系统可靠的 前提下 无论 在系统设计还是元件选型方面都按照节 能降耗的理念设计 张紧器液压夹紧系统采用动力 源 驱动 4个 液 压 缸 运 行 的模 式 对 于铺 设 深 度 为 3 O 0 0 m的铺 管张紧器 而言 在各个 工作 阶段液压 缸所需系统提供 流量 和压力如表 i 所示 表 l 各 工作 阶段流量压 力表 经计算 液压 系统动 厂 一 厂 力源排量大 于 1 9 7 L I I I m i n 最 大 压 力 大 于 g s 卜 斗 3 1 5 M P a 且在液压缸 g 卜 I I 快进 工进 保压 快 l l I f 退阶 段 输出 流 量 各 不相 卜 士 同 所 以张 紧器液压 系 为一高压大 流量液压 图 动力源动力特性图 系统 选择合理的动力源对系统节能来讲更为关键 综合分析液压系统动力源特性可用图 1 表示 各 种动力 源特性及效率为 1 定量泵 溢流阀 效率 叼 p q 2 定量泵 压力 匹配 效率 卵 Ps q 3 变量 泵 压力补偿 效率 叼 一 I P 4 复合变量泵 效率 叼 一Y I s 所 以 张紧器液压系统动力源采用 R E X R O T H公 司生产 的 A 7 V 8 0 E L型高 效 节能 大 功率 的复合 变量泵 通过两个比例放大器输入控制信号分别进行 流量和压力 的开环控制 它在保证达到输入信 号对应 的流量时 使泵的出口压力最低 当压力达到控制信 号设定压力 时 泵实现零流量输出 这种 复合 变量泵 不仅动态特性好 还可 以通过电控调节 变量泵 的压力 和流量 实现和系统良好的功率匹配 复合变量泵的控制采用单片机为控制核心 通过 电信号的输出来控制泵的流量和压力 控制系统结构 如图2所示 根据 A 7 V 8 0 E L型复合变量泵的电流 流量和电流一 压力曲线 通过键盘输入流量和压力参 数 显示器显示相应的数值 单片机与 D A转换芯 片 D A C 0 8 3 2采用 双缓 冲方式 接 口 输 出信 号经放 大 后与复合变量泵的流量 压力信号接口连接 流 压 信 呐 8 2 s s 号 U 放 大 图2 复合变量泵流量压力控制结构图 由于复合变量泵的输出压力与外负载有关 所 以 在快进 工进 阶段 设 定泵的流量 分别为 1 5 0 1 m i n和 7 5 I Mm i n 由于液压 缸 活塞在上 履带 自重 的影 响下下落 所以不需要复合变量泵提供压力 这时 泵的输 出压力为最小 在保压阶段 外负载逐渐增 大 设定 复合变量泵 的输 出压力最大为 3 1 5 MP a 当 压力值 达到设定 值时 输 出流量 为零 在快 退 阶段 设定复合变量泵 的流 量为 1 4 7 1 Mm i n 在工 作过程 中 泵的输出压力随负载的变化而变化 但流量保持恒 定 在液压缸工作的 4 个 阶段 复合变量泵 的流量和 压力输 出和系统相匹配 没有过流量 和过压力 实现 系统的适应性控制 提高能源的利用率 3 驱动系统的节能分析 在交流伺服电机驱动系统中 根据张紧器工作特 点 通过变频器对 电机进行启停控制和运行过程 中通 过对功率因数进行模 糊控 制来达 到节能 的 目的 电机 启动过程中的变频控制可以防止启动电流过大造成的 能源浪费 下面着重对后者进行分析 1 控制 系统分析 功率因数是反 映电气设备从 电源取得有功功率的 物理量 提高电机的功率因数 降低其无功损耗 是 电动机 节能 高效率工作 的有效方法 系统 的功率 因 数控制器 的原理框 图如 图 3 所示 图 3功率 因数控 制器原理框 图 在异步 电机系统 中采用 基于 功率 因数 c o s 0的闭 环控制系统 对节能是有 实际意义 的 2 系统的控制算法 系统采 用模糊 控 制策 略对 电机 运行 效 率加 以调 整 功率 因数 的理 论取值 为 0 1 给定 被控对 象 的功率因数为 0 8 功率因数偏差的变动为 一 0 8 0 2 设实际测得 电机功率 因数为 Y 给定值为 r 选择偏差 e e k 一r k 偏差变化 e k e k 一e k一 1 作为对应模糊控制器的输入变量 控 制晶闸管导 通 的导通 角 为输 出 变量 构 成一 个二 维 的模糊控制器 在模糊控制器中 输入量功率因数偏差的语言变 量为 E 基 本 论 域 为 一0 8 0 2 模 糊 论 域 为 4 2 机床与液压 第3 8卷 一 6 6 则误 差 e的量 化 因子 k 6 0 5 1 2 语言变量 选取 7个语 言 值 髓 S 1 C E L 1 输入量功率因数变化为前后两次功率 因数 的变化 相 应 的 语 言 变 量 为 E C 其 基 本 论 域 为 一 0 8 0 8 模 糊论域 Y 一 6 6 则误 差 e c 的量化 因子 k 6 0 8 7 5 语 言变量选 取 5个 语言值 船 P S Z O N S N B 输 出量导通角的 语言变量为 其基本论域为 一 6 O 6 0 模糊论 域 Z 一 6 6 则误差 u 的量化因子 6 6 0 0 1 语言变量选取 7个语言值 船 P P S Z O N S N M N B 选取三角形作为隶属函数曲线 根据 专家知识 和熟练操作人员经验积 累 对异步电机运行 时输入输 出变量 的变化规律 总结 出基于 i f E a n d E C t h e n U可以给出模糊规则 由模糊规则可列 出模 糊规 则表 见表 2 表 2 模糊规则表 针对论域 l 全部元素 的所 有组合 求取相应 语言变量的控制量变化 的模糊集合 并用最大隶属度 法 对此模糊集 合进 行模糊 判 断 取得 以论 域 z的 元素表示的控制量变化值 2 本系统在离线计算基础 上 可建立模糊控制器查询表 计算出查询表后 将 其事先存于计算机存储单元中 并编制一个查找查询 表的子程序 在实际控制过程中 模糊控制器在每一 个控制 周期 中 将 采集 到 的实 测误 差 e k 0 1 2 和计算 得 到的误差 变化e k 一 e k 一1 分 别乘 以量化 因子 k k 取得 以相应论域元 素表征 的 查找查询表所需 e 和 e 后 通过 查找查 询表相 应 的 行和列 立 即可输 出所 需 的控制量 变化 U 再 乘 以 比例因子 K 便是加 到控 制 晶闸管导通 的导通 角 的 变化值 从 而实现 系统快速实时控制 3 试验结果与分析 为了验证节能控制器的实际节能效果 在异步电 机上进行试 验 可 以得 到在不 同情况下 的试验数 据 对额定功率为 4 5 0 k W 的交流伺服异步电机 在不同 的负载率下接人节能控制器对电机进行降压节能 试 验结果见表3 随着负载率增加 节电率减小 所以 尽量保持轻载运行 或负载率不要超过 0 8 表 3 节能实验表 负载率0 0 1 0 2 0 3 0 4 0 5 0 6 0 7 0 8 节 电率 3 2 6 2 8 3 2 1 2 1 3 2 1 0 1 7 2 2 6 2 0 0 3 4结论 通过对海洋管道铺设 的关键设备 张紧器的液 压夹紧系统和 电机驱动系统进行节能设计及控 制 提 高能源的利用率 节约铺 管成本 通过分析液压 系统 的主要 能耗 因素 采用变量泵达 到节能 的目的 而在 交流伺 服电机驱动系统 中 根据 张紧器工作特点 通 过变频器对 电机进行启停控制能够节能 并着重论述 在电机的运行过程中 通过对功率因数进行模糊控 制 减少电机 能耗 来达到节能的 目的 参考文献 1 M i t c h e l l M R D e s s u r e a u h J G A c o n s t a n t t e n s i o n w i n c h d e s i g n a n d t e s t o f a s i m p l e p a s s i v e s y s t e m J O c e a n E n g i n e e r i n g 1 9 9 2 5 1 9 4 8 9 4 9 6 2 郑贵良 程显东 滩海铺管船用张紧器 J 石油工程建 设 1 9 9 9 5 3 5 3 8 3 S a b a g S a i d R E d g e B i l l y L S o e d i g d o 1 w a n Wa k e I I m o d e l f o r h y d r o d y na mi c f o r c e s o n ma r i ne p i pe l i ne s i n c l u di n g w a v e s a n d c u r r e n t s J O c e a n E n g i n e e ri n g 2 0 0 0 2 7 1 9 1 2 95 1 31 9 4 张忠狮 液压系统能耗分析与降耗措施研究 J 液压 与气 动 2 0 0 8 1 3 8 4 0 5 张俊亮 王晓波 林立 等 铺管船用张紧器张紧系统分 析 J 石油机械 2 0 0 8 9 1 6 7 1 6 9 6 李永清 大流量轴向柱塞变量泵及其控制原理 J 工 程机 械 1 9 9 9 8 3 6 3 8 上接 第2页 3 史玉升 鲁中良 选择性激光熔化快速成型技术与装备 J 中国表面工程 2 0 0 6 1 9 5 1 5 0 1 5 3 4 O s a k a d a K o z o S h i o m i M a s a n o r i F l e x i b l e m a n u f a c t u r i n g o f m e t a l l i c p r o d u c t s b y s e l e c t i v e l a s e r m e h i n g o f p o w d e r J I n t e r n a t i o n a l J o u r n a l o f Ma c h i n e T o o l s Ma n u f a c t u r e 2 0 0 6 4 6 1 1 1 1 8 8 1 1 9 3 5 T o l o c h k o N K S a v i c h V V L a o u i T e t a 1 D e n