3.1 电液动力源基本工作原理

第三章

电液动力源控制特性泵控液压缸技术目录3.2.1流量控制特性3.2.2压力控制特性3.3变转速变排量控制特性3.3.1流量控制特性3.3.2压力控制特性3.1.1电液动力源基本构型3.1.2不同构型电液动力源的工作原理3.1.3电液动力源连接型式3.2变转速定排量控制特性3.1电液动力源基本工作原理3.4新型电液动力源3.4.1开式电液动力源3.4.2闭式电液动力源3.1电液动力源基本工作原理液压传动是利用静压传动原理来工作的，工作介质为液体。通过液压系统控制和调节执行元件的力、速度和方向，实现动力传递和机械运动控制的传动方式。其中电液动力源是液压系统的心脏。电液动力源的基本原理是用电动机输出转速和转矩来驱动液压泵，液压泵输出一定流量和压力的液压油，供给执行器。转速扭矩流量压力吸油压油3.1电液动力源基本工作原理电动机的分类根据采用的电动机、液压泵类型不同，电液动力源的组成方案和可实现的控制机能非常主富。液压泵的变量控制Pcontrol压力信号控制

Pcontrol负荷传感控制Qcontrol机械反馈变量DA-SSCcontrol速度感应变量Electroniccontrol电子泵Pres.Comm.压力指令变量MooringCont.逆向控制恒压控制DRDP恒功率控制LR负荷传感控制DFRPstiMn伺服控制HS/HS3EOEPDFE二次调节DS1压力指令控制DRGq

HD液控变量HW手动变量EP电控变量±q控制控制A10V-DFE1A4VSOE1-S02速度感应控制DA3.1电液动力源基本工作原理早期，电动机的变频技术和液压泵的变量控制技术尚未成熟，在相当长的一个时间段内，电液动力源采用定转速电动机和定排量液压泵。3.1电液动力源基本工作原理电动机调速技术发展历程第一阶段：早期机械调速(19世纪末-20世纪中)核心技术:齿轮变速、皮带轮调速，是工业革命早期唯一手段。第二阶段：电气模拟调速(20世纪中-70年代)核心技术:直流电机电枢调压、弱磁调速，晶闸管(SCR)问世。第三阶段：电力电子雏形(20世纪70-80年代)核心技术:晶闸管变频调速、PWM技术雏形，IGBT发明奠定基础。第四阶段：现代变频成熟(20世纪90年代-至今)核心技术:IGBT、矢量控制、DTC，变频器性能完善并普及。随着变排量技术和变频技术的发展，电液动力源的构型逐渐演变成变排量定转速、定排量变转速和变排量变转速共存的格局，在许多价格低廉的装备中还保留有定转速定排量的构型。3.1电液动力源基本工作原理表3-1电液动力源基本构型注：表中图示内容，电动机与泵转轴出虚线双向箭头表示双向旋转；电动机上标识两个箭头表示电动机变速动态响应高快，适合全功率范围变转速。根据采用的电动机和液压泵型式不同，电液动力源可以分成表3-1所示的基本构型。在许多应用中，还会存在一台电动机驱动两台泵或两台电动机驱动一台泵的组合构型。3.1.1电液动力源基本构型3.1电液动力源基本工作原理1.定转速电动机驱动定量泵图3-1所示为定转速电动机和定量泵组合作为动力源时系统构型和能耗特性。在早期这种构型广泛应用于工业装备中，电动机一般为普通异步电动机，定量泵可以是齿轮泵、叶片泵、柱塞泵等。

3.1电液动力源基本工作原理1.定转速电动机驱动定量泵

系统中，由于不存在可变量，液压泵始终输出最大流量。工作过程中，执行器不动作时，液压泵输出的流量全部通过溢流阀损失掉，虽然此时可以调低溢流阀设定值，其损失仍然较大；执行器动作时，液压泵输出流量一部分进入执行器，另一部分仍通过溢流阀损失掉，系统能量损失较大。但该系统在工作过程中，电动机和液压泵一般均工作在其额定工况附近，电液动力源自身效率较高。3.1电液动力源基本工作原理2.定转速电动机驱动变量泵系统中，电动机以额定转速工作，液压泵排量适应负载流量需求。工作过程中，执行器不动作时，电动机工作在额定转速附近，液压泵输出部分流量维持控制压力；执行器动作时，液压泵输出流量全部进入执行器，系统中不存在溢流损失，只存在部分节流损失。3.1电液动力源基本工作原理2.定转速电动机驱动变量泵但该系统在工作过程中，电动机一直以额定转速运行，在部分负载和空载工况，电动机效率较低，以37kW变频电动机为例，在空载工况，电动机平均消耗电功率约为3kW。为了满足控制和润滑需求，变量液压泵一般均需要工作压力高于3.5MPa，在执行器不动作时，变量泵工作在最小排量处，系统中存在部分待命损失，并且变量泵大部分时间均工作在较小排量处，液压泵的效率也较低。3.1电液动力源基本工作原理3.变转速电动机驱动定量泵系统中，电动机变转速工作，适应负载流量需求，液压泵工作在额定排量处。工作过程中，执行器不动作时，电动机可以停转，也可以较低转速工作；执行器动作时，调控电机转速即可调控系统流量，液压泵输出流量全部进入执行器，系统中基本不存在溢流损失。3.1电液动力源基本工作原理3.变转速电动机驱动定量泵但该系统在工作过程中，由于常规变频电动机转动惯量较大，在快速加速时，对电网存在较大冲击，甚至会超过3-5倍的额定工作电流；带载启动速度较慢。并且相对于阀控和变量控制而言，电动机动态响应较慢。随着高动态伺服电动机应用，这些问题得以解决。另外，当系统流量需求较小，而压力需求较大时，电动机工作在低速、大扭矩工况，需要附加相对独立的冷却装置，对电动机和液压泵进行降温；当系统流量需求较大，而压力需求较小时，电动机工作在高转速、小扭矩工况，电动机效率较低。目前该类型动力源，是变转速驱动的主流，尤其是在航空航天电静液执行器中应用较多。电动机效率起动电流与转速响应飞机上应用的变转速动力源3.1电液动力源基本工作原理4.变转速电动机驱动变量泵系统中，电动机变转速、液压泵变排量工作，适应负载流量需求。工作过程中，执行器不动作时，电动机可以停转，也可以以较低转速工作，此时液压泵可工作在其最小排量处。执行器动作时，协同控制电动机转速和液压泵排量输出执行器需求的流量，液压泵输出流量全部进入执行器，系统中不存在溢流损失，与图3-3所示动力源相比，增加了泵变量控制损失。3.1电液动力源基本工作原理4.变转速电动机驱动变量泵对于变转速动力源，其电动机可以采用普通变频电动机也可以是伺服电动机。对于变频电动机，其效率随负载的变化而变化，负载越低，效率也越低。一般情况下，异步电动机在负载率为75％以上时效率较高，低于50％效率明显下降，低于30％电机效率显著变坏，因此通过协调电动机转速和液压泵排量，可以提升电动机负载率，从而改善小负载工况下电动机效率低的问题，整个动力源效率都较高。异步电动机效率3.1电液动力源基本工作原理4.变转速电动机驱动变量泵由于该类型电液动力源存在转速和排量两个控制量，两者共同影响输出流量，需要设计协调控制策略。如电动机变转速时，由于电动机转动惯量较大，在快速加速时，对电网存在较大冲击，可以采用高动态的泵变排量控制响应系统流量动态需求，同时使电动机缓慢变转速提升电液动力源整体效率。液压泵效率变频电机动态响应3.1电液动力源基本工作原理长期以来，离散式电动液压动力单元在液压系统中应用最为普遍,其基本结构形态为电动机、液压泵、油箱等独立元件的连接组合。其中，如图3-5所示，电动机与液压泵通过联轴器、连接套、支架等构成电机油泵组,再通过管道、管接头、截止阀与油箱相连。3.1.3电液动力源安装型式及组合3.1电液动力源基本工作原理早在20世纪初国外就出现了将泵和电机一体化的思想。如图3-6所示，电机和液压泵转轴通过花键联接。随后出现了将液压泵集成在电机转子内部的液压电机泵，电机和液压泵共用同一根转轴。随着液压技术的迅速发展,近几年国外出现了将电动机、液压泵、油箱等部件集于一身的集成液压动力站。3.1.3电液动力源安装型式及组合图3-6电动机与液压泵直插连接结构形态应用情况3.1电液动力源基本工作原理3.1.3电液动力源安装型式及组合这种联接方式中,电动机、液压泵在结构上基本没有大的变化。液压泵轴与电动机轴不采用传统的钟罩式联轴器,而是采用直接连接方式,旋转部分不外露。电机轴心和法兰止口采用高精度加工确保了装配的同轴度,较好地解决了液压泵与电动机不同心引起的噪声和振动。电机油泵组与传统的电动机-联轴器-液压泵动力单元相比，省去了联轴器、泵支座、公共底板,具有安装简单、结构紧凑、安全可靠、运转平稳、噪声较低等优点。此种结构只是将液压泵的输入轴插入标准电机轴内,不能避免泵体本身存在的外泄漏,而且电机风扇运转噪声和电磁噪声较离散式结构并未减小。3.1电液动力源基本工作原理3.1.3电液动力源安装型式及组合随着发展，出现了如图3-7所示的将液压泵集成在电动机转子内部的液压电动机泵，电动机和液压泵共用同轴、转子和壳体