CN104728219A - 一种具有能量回收功能的液压泵试验台系统及能量回收方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有能量回收功能的液压泵试验台系统及能量回收方法。该液压泵试验台系统包括：电网、控制器、电动机、液压泵试验系统(包括开式或闭式系统)、发电机、能量存储单元、控制平台；该试验台在具备液压泵性能实验的基础功能外可实现功率的回收再利用，其初始动力源是通过电网引电带动电动机，电动机带动液压泵，为系统提供初始动力，在液压泵试验系统中，液压马达作为负载，为实现能量回收，在液压马达后接发电机，将系统的能量转换成电能回收或存储起来，再通过控制器将回收的能量反馈回电网或电动机，实现系统的节能，系统稳定后电网起能量补充作用；该系统由总的控制平台对各元件装置进行监控，使系统按要求运行。该液压泵试验台系统能实现能量回收循环流动，减少系统从电网中取电，节约动力，发热量少，对工程机械液压泵试验平台功率回收方法及节能装置研究具有重要意义。

Description

一种具有能量回收功能的液压泵试验台系统及能量回收方法

【技术领域】

本发明属于液压元件性能测试实验台领域，涉及液压元件测试实验过程中的能量回收技术，采用能量循环利用技术实现功率回收与节能的效果。

【背景技术】

目前，液压试验台普遍采用开放式结构，传统的液压泵试验采用功率消耗的方式进行，即采用溢流或/和节流加载方式进行试验。试验过程中液压泵产生的压力油直接经溢流阀溢流，能量全部转化为热能，导致能量白白损失。另外，试验系统的发热还会造成油温升高，系统不得不增加相应规模的冷却装置来降低油液温度，加大了实验设备的成本。如果将试验产生的能量进行回收，可以减小冷却装置功率，节省大量电能，因此对于进行这种高能耗的液压泵试验，采取有效的节能措施成了液压实验的当务之急。

然而，国内外已有相关液压试验台节能技术的论文或发明，比较多的是机械功率补偿式能量回收和液压功率补偿式能量回收的方式，这两种回收方式的回收效率虽然相对较高，但是存在的问题是：机械补偿回收方式存在转速调节范围小，对试验马达和加载泵的排量关系有限制、系统压力调节精度低等缺点；液压补偿功率回收方式也存在试验转速不稳定、试验功能不全等不足，不能满足工程机械液压泵试验的需要。

而采用电功率回收能量的方式虽然回收效率稍低，但是可以有效的避免上述问题，同时电功率回收节约动力，发热量少，被试液压泵和被试液压马达的排量关系无严格限制，试验范围较宽，没有机械式强加在系统上的能量回收冲击，低速加载性能好。

【发明内容】

为了解决液压泵性能测试试验平台在试验过程中的能量浪费问题，本发明提出一种具有能量回收功能的液压泵试验台系统及能量回收方法。本发明在被试马达后面加装电功率回收系统，即液压马达的机械输出轴与发电机的机械输入轴相连，使液压系统的压力能通过机械能传递再转换成电能，将电能回收存储起来并回馈到电动机或电网中，或者将电能不存储直接回馈到电动机或电网中，实现功率回收、节约能源的功能。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术解决方案：

一种具有能量回收功能的液压泵试验台系统，包括液压系统，该液压系统包括液压泵和液压马达，所述液压泵被电动机驱动而工作，所述液压马达的机械输出轴连接有发电机，该发电机通过包括有能量存储单元的控制器与控制平台相连，包括有能量存储单元的控制器和电网并联后接入电动机为液压泵提供驱动力。

优选的，所述液压泵油路的一端连接油箱，另一端连接液压马达，液压马达油路的输出端直接接回油箱，液压泵和液压马达的排量调节端口通过信号线与控制平台连接。

优选的，所述液压泵与液压马达的液压油路之间连接有溢流阀，溢流阀经流量计后接回油箱。

优选的，所述能量存储单元为蓄电池组或超级电容。

优选的，当存储单元为蓄电池组时，该蓄电池组包括两个蓄电池，该蓄电池组与控制器相连并在控制器的作用下，轮流实现充放电。

优选的，当存储单元为蓄电池组时，该蓄电池组包括两个蓄电池，一个蓄电池通过控制器与发电机相连，另外一个蓄电池通过转换器与电动机相连。

一种基于上述液压泵试验台系统的能量回收方法，液压系统在电动机的带动下正常运行，运行过程中产生的液压能通过发电机转化为电能，该电能通过控制器存储在存储单元中以便于为电动机提供动力。

优选的，当电动机采用直流电动机时，发电机产生的电能经DC/DC转换成与电网电能经AC/DC转换器转换的电压一致后并联为电动机提供动力；

当电动机采用交流电动机时，发电机产生的电能经AC/AC转换成与电网经AC/AC转换成幅值、频率一致的交流电后并联为电动机提供动力。

优选的，液压泵实验台系统启动后，首先检测存储单元的电量状态，当存储单元的电量高于最低限值时，控制平台控制存储单元内的电能和电网的电能同时为直流发动机供电；当存储单元的电量低于最低限值时，控制平台控制发电机产生的电能禁止向电动机供电，仅从电网供电。

与现有技术相比，本发明至少具有以下优点：本发明在传统的液压试验台基础上，在液压马达的输出端加装能量回收系统和复合电源系统，通过控制平台的控制下，在满足系统固有的试验功能条件的同时将试验中能源消耗的部分进行回收利用，使试验系统具备能量回收功能，能有效的达到试验节能的效果，解决传统溢流加载能源浪费问题。

【附图说明】

图1为本发明的结构功能原理简图。

图2为本发明实施例1开式液压系统的结构功能原理简图。

图3为本发明实施例2闭式液压系统的结构功能原理简图。

图4为本发明的能源流动图。

图5为本发明的信号传递状态图。

图6为本发明能量中转存储-直流回收-直流混合功率的示意图。

图7为能量中转存储-直流回收-交流混合功率的结构示意图。

图8为能量中转存储-交流回收-直流混合功率的结构示意图。

图9为能量中转存储-交流回收-交流混合功率的结构示意图。

图10为非能量中转存储-直流回收-直流功率混合的结构示意图。

图11为非能量中转存储-交流回收-交流功率混合的结构示意图。

图中，

液压泵1，溢流阀2，压力传感器3，流量传感器4，PI控制器5，液压马达6，DC发电机7，端口转换控制器8，蓄电池组9，DC/DC转换器10，直流电动机11，转速传感器12，扭矩传感器13，控制平台14，AC/DC转换器15，电网16；

【具体实施方式】

请参阅图1所示，本发明液压系统包括有液压泵、液压马达、控制液压泵和液压马达的第一控制器，以及检测液压系统的各种测量传感器。液压泵通过电动机带动工作，液压马达的输出端连接有发电机，以将液压马达的液压能转换为电能进行存储，所述发电机的输出端通过第二控制器与控制平台连接，控制平台同时与液压系统的第一控制器和传感器，以及控制电动机的第三控制器连接，所述第二控制器的输出端进一步连接有功率混合单元，以将电网的电能和发电机的电能进行混合，以供给电动机工作。

请参阅图2和图3所示，分别为液压系统分别采用开式液压系统和闭式液压系统的结构图，基本结构与图1类似，在此不再赘述。

图4为本发明的能源流动图，在本发明中，能源流动包括液压功率流、机械功率流，以及电功率流，其中，液压功率流主要是液压泵产生的功率流向液压马达，机械功率流主要是电动机产生机械功率流向液压泵，以及液压马达产生机械功率流流向发电机，电功率流主要是发电机的电能通过第二控制器流向电动机，以及电网的电能通过第三控制器流向电动机。

请参阅图5所示，控制平台包括依次连接的滤波电路、微处理器、光电隔离电路，以及功率元件驱动电路，所述光电隔离电路同时与控制电动机的第三控制器连接以控制电动机的速度，所述功率元件驱动电路分别与液压泵及液压马达排量调节装置连接。

本发明在液压马达的输出端连接发电机，将液压马达的液压能转化为电能进行回收，将回收的电能经过中转存储后再回馈给发动机，具体地说，就是在液压马达后接发电机，将液压能转换成电能并存储在能量存储单元中，再通过控制器将回收的能量反馈给电动机。

其中，回收能量所采用的发电机包括直流发电机、交流发电机；若采用交流发电机，则需要用AC/DC转换器将交流电转换成直流电进行存储。

所述的能量存储单元包括蓄电池或超级电容。

所述的控制器包括AC/DC转换器、AC/AC转换器、DC/AC转换器、DC/DC转换器。

所述的电动机包括直流电动机、交流电动机。

能量反馈的方式是包括交流电反馈方式和直流电反馈方式；

1、采用直流电反馈方式，即能量存储单元中的电能经DC/DC转换器转换成一种电压，同时从电网提取的电能经AC/DC转换器也转换成等伏电压，将两输出电并联后接入电动机，实现直流电反馈。

2、采用交流电反馈方式，即能量存储单元中的电能经DC/AC转换器转换成与电网经AC/AC转换器转换成的电压及频率一样的交流电，且并联后接入电动机，实现交流电反馈。

具体的实施方案包括四种组合：

1、直流回收-直流混合功率反馈；

2、直流回收-交流混合功率反馈；

3、交流回收-直流混合功率反馈；

4、交流回收-交流混合功率反馈；

当然，作为本发明的另外一种实施方案，回收的电能也可以不经存储直接通过控制器回馈到电动机中，具体是在液压马达后接发电机，发电机后接控制器，发电机输出电能经控制器输出后与电网经控制器输出的电能并联后接入电动机。

所述的不经存储的回馈方式包括直流电回馈方式和交流电回馈方式两种方式；

1、采用直流电回馈方式，液压马达后接直流发电机，直流发电机后接DC/DC转换器，电网引电出来接入AC/DC转换器，发电机输出电能经DC/DC转换器转换成与电网电能经AC/DC转换器转换成的电压一致后并联接入直流电动机。

2、采用交流电回馈方式，液压马达后接交流发电机，交流发电机后接AC/AC转换器，电网引电出来接AC/AC转换器，发电机输出电能经AC/AC转换器转换成与电网经AC/AC转换器转换成幅值、频率一致的交流电后并联一起接入交流电动机。

本发明在传统的液压试验台基础上，加装能量回收系统和复合电源系统，在满足系统固有的试验功能条件的同时将试验中能源消耗的部分进行回收利用，使试验系统具备能量回收功能，能有效的达到试验节能的效果，解决传统溢流加载能源浪费问题。

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

如前所述，本发明包括四种组合方式，其结构原理相似，此处着重以其中一种组合的实施方式为例做以详细说明，其他组合做以异同点说明。

如图6所示，本发明公开了一种具有能量回收功能的液压泵试验台系统，该系统包括：液压泵1，溢流阀2，压力传感器3，流量传感器4，PI控制器5，液压马达6，DC发电机7，端口转换控制器8，蓄电池组9，DC/DC转换器10，直流电动机11，转速传感器12，扭矩传感器13，控制平台14，AC/DC转换器15，电网16。其相互连接关系如下：

1)液压泵1的机械轴与直流电动机11相连，在液压泵的机械轴上安装有扭矩传感器13和转速传感器12，转速传感器12及所述控制平台14通过电器连接线或信号线连接在所述PI控制器5的输入端，PI控制器5的输出端连接在直流电动机11的输入端，扭矩传感器13通过信号线连接在控制平台14输入端。

2)液压泵1油路一端连接油箱，另一端连接液压马达6，液压马达6油路输出直接接回油箱，液压泵1和液压马达6的排量调节端口通过信号线与控制平台14连接，液压泵1与液压马达6的液压油路间连接有溢流阀2，溢流阀2经流量计后接回油箱，压力传感器3和流量传感器4分别通过信号线连接至控制平台。

3)液压马达6机械输出轴与DC发电机7的机械轴连接，端口转换控制器8通过电器连接线分别与直流发电机7、蓄电池组9、DC/DC转换器10连接。端口转换控制器8和蓄电池组9分别通过信号线连接至控制平台14。

4)AC/DC转换器15一端连接至电网16，另一端与DC/DC转换器10输出端并联接入直流电动机11。DC/DC转换器10和AC/DC转换器15分别通过信号线连接至控制平台。

所述的控制平台主要由滤波电路，微处理器，光电隔离电路和功率驱动电路组成，微处理器采用DSP，滤波电路采用典型的由运算放大器搭建的滤波电路，光电隔离电路由光耦实现，功率驱动电路采用模块化设计。控制平台所需的各种电平由蓄电池供电，经过普通DC/DC开关电源匹配提供。

所述的蓄电池组是由两个蓄电池组成，两个蓄电池通过端口转换实现轮流充放电，其构成原理是：一个蓄电池端口通过端口转换控制器与发电机相连，另一个蓄电池通过端口转换控制器与DC/DC转换器输入端相连，当被充电的蓄电池SOC状态达到充电上限值时，控制平台检测到这一信号状态并向端口转换控制器发出转换信号，控制端口转换器进行端口转换，从而实现两个蓄电池充放电接口交换，被充满电的蓄电池端口接入到DC/DC转换器为电动机供电，远功率输出蓄电池又被接入DC发电机端口进行充电，整个转换过程实现能量的连续流动。

电动机的控制器采用PI控制器，端口转换控制器采用继电器。

本发明的工作原理是如下：

启动系统，控制平台14检测蓄电池组9SOC状态，当检测到蓄电池组9SOC状态高于最低限值时，控制平台14控制AC/DC转换器15和DC/DC转换器10工作，使两转换器其处于功率输出状态，共同为直流电动机11供电。

若检测到蓄电池组9SOC状态低于最低限值，则控制平台控制DC/DC转换器10禁输出功率，系统仅从电网16取电，电网三相交流电通过AC/DC转换器15转换成直流电输入电动机11，电动机带动液压泵，使液压系统得以运行。

控制平台通过各传感器监测系统压力、流量、转速、扭矩及蓄电池组SOC状态等参数状态，电动机的转速参数在控制平台14中设定，并通过PI控制器5控制电动机的转速，转速传感器12实时检测电动机实际转速并反馈给PI控制器，实现电动机转速的闭环控制。

液压试验系统中，液压泵1为被试泵，后接陪试马达6，液压泵和被试马达油路间接有溢流阀2、压力传感器3，流量传感器4，通过溢流阀来调定系统的压力，压力传感器、流量传感器监测系统压力、流量参数状态并将信号实时传送至控制平台。

被试马达6与DC发电机7通过机械轴连接为一体，作为液压系统试验的负载，通过调节被试马达排量，来调节系统负载，控制平台输出信号从0到1，被试马达排量由0到最大，输出信号越小，被试马达排量越小，同时被试马达—发电机转速越大，发电机作为负载的功率就越大。

DC发电机7通过端口转换控制器8向蓄电池组中被充电蓄电池充电，当控制平台检测到被充电蓄电池SOC状态达到上限值，则控制平台向端口转换控制器发出控制信号，端口转换控制器进行端口转换，将蓄电池组中被充电蓄电池电源端接入DC/DC转换器输入端，使其进入功率输出状态，同时原处于功率输出状态的蓄电池电源端口被接入到发电机端进行充电。

请参阅图7所示，实施例2相对于实施例1的异同点之处在于：混合功率电采用的是三相交流电，其异同更换元件是：DC/DC转换器→DC/AC转换器，直流电动机11→交流电动机11，AC/DC转换器→AC/AC转换器。蓄电池输出电经DC/AC转换器转换成与电网经AC/AC转换器转换成的幅值频相同的交流电，并联后接入电动机。

请参阅图8所示，实施例3相对于实施例1的异同点之处在于：功率回收装置采用交流发电机加AC/DC转换器模式，异同更换元件是：直流发电机7→交流发电机7，同时在交流发电机后接AC/DC转换器，使交流发电机输出交流电转换成直流电储存在蓄电池中。

请参阅图9所示，实施例4相对于实施例1的异同点之处在于：功率回收装置采用交流发电机+AC/DC转换器模式，混合功率电采用的是三相交流电，异同更换元件是：直流发电机7→交流发电机+AC/DC转换器7，DC/DC转换器→DC/AC转换器，直流电动机11→交流电动机11，AC/DC转换器→AC/AC转换器。

当然，为了实现本发明，回收的电能不经存储直接通过控制器回馈到电动机中也是可以的，具体是将液压马达后接发电机，发电机后接控制器，发电机输出电能经控制器输出后与电网经控制器输出的电能并联后接入电动机。

所述的不经存储的回馈方式包括两种实现方式：直流电回馈方式、交流电回馈方式；

采用直流电回馈方式，(如图10所示)液压马达后接直流发电机，直流发电机后接DC/DC转换器，电网引电出来接入AC/DC转换器，发电机输出电能经DC/DC转换器转换成与电网电能经AC/DC转换器转换成的电压一致后并联接入直流电动机。

采用交流电回馈方式，(如图11所示)液压马达后接交流发电机，交流发电机后接AC/AC转换器，电网引电出来接AC/AC转换器，发电机输出电能经AC/AC转换器转换成与电网经AC/AC转换器转换成幅值、频率一致的交流电后并联一起接入交流电动机。

Claims (9)

1.一种具有能量回收功能的液压泵试验台系统，其特征在于：包括液压系统，该液压系统包括液压泵和液压马达，所述液压泵被电动机驱动而工作，所述液压马达的机械输出轴连接有发电机，该发电机通过包括有能量存储单元的控制器与控制平台相连，包括有能量存储单元的控制器和电网并联后接入电动机为液压泵提供驱动力。

2.如权利要求1所述的具有能量回收功能的液压泵试验台系统，其特征在于，所述液压泵油路的一端连接油箱，另一端连接液压马达，液压马达油路的输出端直接接回油箱，液压泵和液压马达的排量调节端口通过信号线与控制平台连接。

3.如权利要求1所述的具有能量回收功能的液压泵试验台系统，其特征在于：所述液压泵与液压马达的液压油路之间连接有溢流阀，溢流阀经流量计后接回油箱。

4.如权利要求1所述的具有能量回收功能的液压泵试验台系统，其特征在于：所述能量存储单元为蓄电池组或超级电容。

5.如权利要求4所述的具有能量回收功能的液压泵试验台系统，其特征在于：当存储单元为蓄电池组时，该蓄电池组包括两个蓄电池，该蓄电池组与控制器相连并在控制器的作用下，轮流实现充放电。

6.如权利要求4或5所述的具有能量回收功能的液压泵试验台系统，其特征在于：当存储单元为蓄电池组时，该蓄电池组包括两个蓄电池，一个蓄电池通过控制器与发电机相连，另外一个蓄电池通过转换器与电动机相连。

7.一种基于权利要求1所述的具有能量回收功能的液压泵试验台系统的能量回收方法，其特征在于：液压系统在电动机的带动下正常运行，运行过程中产生的液压能通过发电机转化为电能，该电能通过控制器存储在存储单元中以便于为电动机提供动力。

8.如权利要求7所述的具有能量回收功能的液压泵试验台系统，其特征在于：

当电动机采用直流电动机时，发电机产生的电能经DC/DC转换成与电网电能经AC/DC转换器转换的电压一致后并联为电动机提供动力；

当电动机采用交流电动机时，发电机产生的电能经AC/AC转换成与电网经AC/AC转换成幅值、频率一致的交流电后并联为电动机提供动力。

9.如权利要求1所述的具有能量回收功能的液压泵试验台系统，其特征在于：液压泵实验台系统启动后，首先检测存储单元的电量状态，当存储单元的电量高于最低限值时，控制平台控制存储单元内的电能和电网的电能同时为直流发动机供电；当存储单元的电量低于最低限值时，控制平台控制发电机产生的电能禁止向电动机供电，仅从电网供电。