CN100595440C - 基于能量调节的变频泵控马达闭式回路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量调节的变频泵控马达闭式回路。包括变频器、电机，液压泵，安全阀组，补油模块，液压马达，变频器驱动电机，电机带动液压泵，闭式回路中跨接安全阀组，补油模块，液压马达；补油模块和液压泵之间的主回路之间跨接能量调节器，安全阀组和补油模块之间的上下主回路中分别加入液流方向控制阀，能量调节器和液压马达之间的上下主回路中分别加入流量控制阀。本发明主要依托能量调节的思想，在传统泵控马达闭式回路中加装能量调节器和节流控制，可大大加快系统的加速响应，并具有很好的节能效果。

Description

基于能量调节的变频泵控马达闭式回路

技术领域

本发明涉及泵控马达闭式回路，尤其是涉及一种基于能量调节的变频泵控马达闭式回路。

背景技术

我国作为发展中的大国，随着经济的快速增长，能源消耗量急剧增加，而我们现在所消耗的能源大部分是煤、石油、天然气等一次性能源，随着消耗量的增大，自然资源日益枯竭。推行节能生产方式，提高能源利用率和生产效率势在必行，节能是解决我国能源问题的根本途径。液压传动作为工业领域的重要传动方式之一，如果能提高液压传动系统的节能效率，则在一定程度上可提高整个工业生产领域的节能效率。而泵控马达控制系统一般为大功率系统，研究此类系统的节能特性比一般液压系统更有意义。

此外，由于电机和液压泵的低速性能差，转动惯量大，加速时间慢，导致传统电液变转速系统的响应速度慢和低速性能差的缺点限制了它的应用范围，尚局限于不经常调节、对动态要求不高以及调速比不大的系统上。尤其对于工业上应用广泛的大惯性的泵控马达系统来说，加快它的响应速度和提高它的低速性能极其重要，这可以拓宽泵控马达控制系统的应用范围。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于能量调节的变频泵控马达闭式回路，一方面提高泵控马达系统的节能效率，另一方面提高其响应速度和解决系统低速性能差的问题，拓宽其应用范围。

本发明采用的技术方案如下：

包括变频器、电机，液压泵，安全阀组，补油模块和液压马达；变频器驱动电机，电机带动液压泵，闭式回路中跨接安全阀组，补油模块和液压马达，液压马达与负载连接；其特征在于：补油模块和液压泵之间的主回路之间跨接能量调节器，安全阀组和补油模块之间的上下主回路中分别接入液流方向控制阀，能量调节器和液压马达之间的上下主回路中分别接入流量控制阀。

所述的安全阀组：为两个电磁溢流阀串接而成。

所述的两个液流方向控制阀：其结构相同，分别包括液控单向阀，液阻和电磁二位三通方向阀，液控单向阀的控制阀口经液阻与二位三通方向阀的P口连接，二位三通方向阀的T口与液控单向阀的P2口连接。

所述的能量调节器：包括两个能量调节阀和储能元件，两个能量调节阀串接而跨接于闭式回路中，两个能量调节阀串接点接储能元件。

所述的两个能量调节阀为两个电液比例节流阀；所述的储能元件包括两个手动截止阀，电磁溢流阀，蓄能器和压力传感器；第三、第四两个电液比例节流阀串接点经第一手动截止阀连接蓄能器，蓄能器的出口连接电磁溢流阀和第二手动截止阀，第二手动截止阀的另一端口连接油箱，压力传感器连接于蓄能器的出口。

所述的两个流量控制阀：为第一、第二电液比例节流阀。

与现有的泵控马达闭式回路相比，本发明具有的有益效果是：

1.在系统中增加能量调节器。它包含硬件与软件。硬件上，它可以由蓄能器、电液比例节流阀及安全阀组成，蓄能器作为储能元件，电液比例节流阀控制主回路和能量调节器的能量交换。它的软件即控制策略，从整个系统能量调配出发，在系统加速时，能量调节器打开，放出油液以加快系统的加速响应；系统减速时，电机维持某一最低转速，依靠主回路中的流量控制阀的快速响应调节进入液压马达的流量，而多余的流量由能量调节器吸收，减小了溢流损耗，并加快了系统减速时的响应速度。

2.在系统中采用电液节流控制。它的目的在于，首先，解决系统低速性能差的问题，低速时，使泵维持某一最低转速，获得稳定的压力输出，而由节流控制实现对系统调节，多余的能量由能量调节器吸收。其次，提高系统减速时的响应速度。系统减速时可以依靠节流控制的快速关断甚至提供反向动力从而减速，此时多余的能量亦可由能量调节器吸收。在通常时，它保持最大开口，从而尽量减少节流损失。

3.从能量源头出发，实现对系统整体的能量调节。由统一的控制器完成对液压泵的变转速控制、能量调节器、主回路电液比例节流阀以及液流方向控制阀块的控制，以实现系统的整体能量调节，从而同时获得高响应速度与高的效率，拓宽泵控马达控制系统的应用范围。

附图说明

图1是本发明的系统结构原理示意图。

图2是实施例的结构原理图。

图中：1.变频器，2.电机，3.转矩转速仪，4.双向定量泵，5.电磁溢流阀，6.液控单向阀，7.电磁二位三通方向阀，8.压力传感器，9.单向阀，10.电液比例溢流阀，11.电液比例节流阀，12.蓄能器，13.手动截止阀，14.电磁溢流阀，15.定量马达，16.油箱，17.滤油器，18.补油电机，19.补油泵，20.马达转速检测装置，21.液阻，22.负载。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括变频器、电机，液压泵，安全阀组，补油模块和液压马达；变频器驱动电机，电机带动液压泵，闭式回路中跨接安全阀组，补油模块和液压马达，液压马达与负载连接；其特征在于：补油模块和液压泵之间的主回路之间跨接能量调节器，安全阀组和补油模块之间的上下主回路中分别接入液流方向控制阀，能量调节器和液压马达之间的上下主回路中分别接入流量控制阀。

如图1、图2所示，所述的安全阀组：为两个电磁溢流阀5.1和5.2串接而成。所述的两个液流方向控制阀：其结构相同，分别包括液控单向阀6.1和6.2，液阻21.1和21.2和电磁二位三通方向阀7.1和7.2，两个液控单向阀的控制阀口分别经液阻与各自的二位三通方向阀的P口连接，两个二位三通方向阀的T口分别与各自液控单向阀的P2连接。所述的能量调节器：包括两个能量调节阀和储能元件，两个能量调节阀串接而跨接于闭式回路中，两个能量调节阀串接点接储能元件。

如图1、图2所示，所述的两个能量调节阀为两个电液比例节流阀11.3和11.4；所述的储能元件包括两个手动截止阀13.1和13.2，电磁溢流阀14，蓄能器12和压力传感器8.3；第三、第四两个电液比例节流阀11.3和11.4串接点经第一手动截止阀13.1连接蓄能器12，蓄能器12的出口连接电磁溢流阀14和第二手动截止阀13.2，第二手动截止阀13.2的另一端口连接油箱，压力传感器8.3连接于蓄能器12的出口。所述的两个流量控制阀：为第一、第二电液比例节流阀11.1和11.2。

本发明中的变频器为通用变频器，电机是三相异步电机或变频电机，液压泵为双向液压泵可以是定量泵，也可以是变量泵。

如图2所示，由于闭式回路的上腔和下腔对称，所以只需以上腔为例说明各元件的连接关系，下腔类推。双向定量泵4的出口连接到电磁溢流阀5.1的入口和液控单向阀6.1的P1口，液控单向阀6.1的P2口连接到补油回路单向阀9.1的P2口、能量调节器的电液比例节流阀11.3出口以及主回路中电液比例节流阀11.1的入口，主回路电液比例节流阀11.1的出口连接到液压执行元件定量马达15的入口。

补油模块由油箱16，滤油器17，补油电机18，补油泵19，单向阀9.1、9.2，9.3，电液比例溢流阀10组成。电液比例溢流阀10的作用为设定闭式回路的低压腔压力。

系统加速时，能量调节器会放出油液以加快系统的加速响应，但是放出的油液可能会进入双向定量泵4的排油容腔，阻止双向定量泵4的加速甚至造成冲击。为此，在系统主回路中加入了液流方向控制阀块，它由液控单向阀和电磁二位三通方向阀组成。以闭式回路的上腔为例来说明它的作用。上腔为高压腔时，即双向定量泵4的上腔排出油液，电磁二位三通方向阀7.1不得电(自然状态)，液流方向控制阀块起普通单向阀的作用，油液只能从液控单向阀的P1口流向P2口，因此能量调节器放出的油液不会进入双向定量泵4的排油腔；上腔为低压腔时，即双向定量泵4的上腔为吸油腔，电磁二位三通方向阀7.1得电，切换到上位，液控单向阀6.1的控制腔压力和P2口压力基本相等，液控单向阀6.1打开，此时油液可实现双向流动，油液进入双向定量泵4的吸油腔。

如图2所示。压力传感器8.1，8.2，8.3分别检测上下主回路压力和能量调节器内部压力，转矩转速仪3、马达转速检测装置20分别检测双向定量泵4和定量马达15的转速，系统控制器接收这些信号，并按一定的控制算法综合控制变频器1、主回路电液比例节流阀11.1、11.2，能量调节器中的电液比例节流阀11.3，11.4、主回路液流方向控制阀块。

以闭式回路的上腔为例说明具体实施方式，下腔依此类推。在系统加速时(上腔为高压腔)，电磁二位三通方向阀7.1不得电，电磁二位三通方向阀7.2得电。如果能量调节器内部压力大于高压腔压力，能量调节器中的电液比例节流阀11.3打开，放出油液以加快系统的加速响应；主回路中的电液比例节流阀11.1保持最大开口，尽量减小节流损失。在系统减速时(上腔仍为高压腔)，电机维持某一最低转速，获得稳定的压力输出，依靠主回路中的电液比例节流阀11.1的快速响应调节进入液压马达的流量，解决了系统低速性能差的问题和提高了系统减速时的响应速度。如果此时能量调节器内部压力小于系统压力，则打开能量调节器中的电液比例节流阀11.3以吸收多余的油液，减小了溢流损耗，并加快了系统减速时的响应速度。

上腔为高压腔时，能量调节器中的电液比例节流阀11.4始终关闭，主回路中的电液比例节流阀11.2始终保持最大开口，以尽量减小回流的节流损失。

控制方法：

在基于能量调节的变频泵控马达控制系统中，所涉及的控制问题主要为以下四方面，即对变频器的控制、对液流方向控制阀的控制、对主回路中流量控制阀的控制、对能量调节器的控制。

由于此闭式回路的上腔和下腔对称，所以只需以上腔为例说明控制方法，下腔类似。假设上腔为高压腔(即双向液压泵的排油腔)，液流方向控制阀1的作用是仅能允许油液从左向右流动(如图1)，液流方向控制阀2的作用是允许油液双向流动，假设液流方向控制阀是由液控单向阀和二位三通电磁阀组成，二位三通电磁阀是液控单向阀的控制阀，则控制信号可由二位三通电磁阀的中位机能确定。

变频器的输入频率由变频PID输出的绝对值确定；判断系统现在是加速还是减速，当系统需要加速时，主回路中流量控制阀1的开口开到最大；检测主回路高压腔压力和能量调节器内部压力，判断能量调节器是否开启，放出油液以加快系统的响应速度；当系统需要减速时，电机维持某一最低转速，获得稳定的压力输出，依靠主回路中的流量控制阀1的快速响应调节进入液压马达的流量，解决了系统低速性能差的问题和提高了系统减速时的响应速度，并根据主回路高压腔压力和能量调节器内部压力情况判断能量调节器是否打开储存多余流量。

上腔为高压腔(即双向液压泵的排油腔)时，主回路中流量控制阀2始终开到最大，以减小回流的节流损失；能量调节器中的能量调节阀2始终关闭。

根据系统能量供求关系来判断系统加减速情况。判断供应能量和需求能量的大小，如果供应大于需求，则系统处于减速状态；相反系统则处于加速状态。在液压系统中，能量的传递主要表现为油液的流动，所以只需计算系统的供应流量Q_s和负载需求流量Q_l即可。

令error(k)＝u_in(k)-u_m(k)，其中u_in(k)为指令输入的液压马达转速，u_m(k)为液压马达实际转速。变频PID的输出Y(k)为

$\begin{array}{c}Y\left(k\right)=|k_{\mathrm{pt}}\mathrm{error}\left(k\right)+{\mathrm{\βk}}_{\mathrm{it}}\underset{j=0}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}\mathrm{error}\left(j\right)T\\ +k_{\mathrm{dt}}(\mathrm{error}\left(k\right)-\mathrm{error}(k-1))|\end{array},$ $\mathrm{\β}=\left\{\begin{array}{cc}1& \left|\mathrm{error}\left(k\right)\right|\≤\mathrm{\ϵ}\\ 0& \left|\mathrm{error}\left(k\right)\right|>\mathrm{\ϵ}\end{array}\right.$

式中，k_pt、k_it、k_dt为变频器控制的PID参数，T为采样时间，β为积分项的开关参数，ε为积分分离的阈值。

由于设定变频器接收电压信号0～5V对应输出频率0～Y_maxHz，且电机设定有最低转速n_min，所以变频器输入电压信号

$Y\left(k\right)=\max (\min (Y\left(k\right),5),\frac{{5m}_p{n}_{\min }}{{60Y}_{\max }})$

其中m_p为电机极对数。

由于液压泵泄漏、液压马达泄漏、系统泄漏和油液的可压缩性所消耗的能量和系统供应能量、需求能量相比起来要小得多，所以计算系统供应能量、需求能量时，这些因素可忽略不计。

系统供应能量为(不考虑液压泵泄漏、系统泄漏和油液的可压缩性)

$Q_s\≈\frac{2\mathrm{\π}}{60}{n}_m{D}_m$

执行机构液压马达需求能量为(不考虑液压马达泄漏和油液的可压缩性)

$Q_l\≈\frac{2\mathrm{\π}}{60}{u}_m{D}_l$

其中，n_m-电机转速，D_m-液压泵排量，D_l-液压马达排量。

当系统需要加速时，主回路中流量控制阀1开到最大；检测主回路高压腔压力和能量调节器内部压力，判断能量调节器中的能量调节阀1是否开启，放出油液以加快系统的响应速度；当系统需要减速时，主回路中流量控制阀1开始工作，并根据主回路高压腔压力和能量调节器内部压力情况判断是否打开以储存多余流量。

主回路中流量控制阀1的输入电流信号I_d为

改为：

$I_d=\left\{\begin{array}{cc}{I}_{d\max }\·\mathrm{sgn}\left(\mathrm{error}\left(k\right)\right)& Q_s\≤Q_l\\ I_d\left(k\right)& Q_s>Q_l\end{array}\right.$

其中，I_d(k)由误差经PID运算可求得，I_dmax为主回路中流量控制阀的最大输入信号。

能量调节器中的能量调节阀1的输入电流信号为

P_o为液压泵出口压力，P_a为能量调节器内部压力，I_tmax为能量调节阀的最大输入信号。

Claims (6)

1.一种基于能量调节的变频泵控马达闭式回路，包括变频器、电机、液压泵、安全阀组、补油模块、能量调节器和液压马达；变频器驱动电机，电机带动液压泵，闭式回路中依次跨接所述的安全阀组、补油模块、能量调节器和液压马达，且液压马达与负载连接；其特征在于：安全阀组紧邻液压泵跨接在液压泵和补油模块之间的上下主回路之间，安全阀组和补油模块之间的上下主回路中分别接入液流方向控制阀，补油模块和液压马达之间的上下主回路之间跨接能量调节器，能量调节器和液压马达之间的上下主回路中分别接入流量控制阀。

2.根据权利要求1所述的一种基于能量调节的变频泵控马达闭式回路，其特征在于所述的安全阀组为两个电磁溢流阀串接而成。

3.根据权利要求1所述的一种基于能量调节的变频泵控马达闭式回路，其特征在于所述的两个液流方向控制阀：其结构相同，分别包括液控单向阀、液阻和电磁二位三通方向阀，液控单向阀的控制阀口经所述的液阻与电磁二位三通方向阀的进油口P连接，电磁二位三通方向阀的出油口T与液控单向阀的出油口P2连接。

4.根据权利要求1所述的一种基于能量调节的变频泵控马达闭式回路，其特征在于所述的能量调节器：包括两个能量调节阀和一个储能元件，两个能量调节阀串接而跨接于闭式回路中，两个能量调节阀串接点接储能元件。

5.根据权利要求4所述的一种基于能量调节的变频泵控马达闭式回路，其特征在于所述的两个能量调节阀分别为第三和第四电液比例节流阀；所述的储能元件包括第一和第二手动截止阀、电磁溢流阀、蓄能器和压力传感器；第三和第四两个电液比例节流阀的串接点经第一手动截止阀连接蓄能器，蓄能器的出口连接电磁溢流阀和第二手动截止阀，第二手动截止阀的另一端口连接油箱，压力传感器连接于蓄能器的出口。

6.根据权利要求1所述的一种基于能量调节的变频泵控马达闭式回路，其特征在于所述的能量调节器和液压马达之间的上下主回路中分别接入的流量控制阀均为电液比例节流阀。

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