CN105082610A - 一种用于降低液压机装机功率的动力装置及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于降低液压机装机功率的动力装置，动力装置包括电动机、变频器、控制器、转速传感器、油泵和飞轮；电动机上依次连接所述变频器、控制器和传感器，飞轮和油泵分别安装在所述电动机的转轴上，传感器用于采集飞轮的转速并传送给控制器；控制器用于接收所述传感器的转速并根据此转速信号控制变频器的输出电压和输出频率，以在飞轮转速下降时调整电动机定子绕组的频率和每相电压，从而使电动机定子绕组频率和每相电压适应电动机转轴的转速。本发明先利用飞轮储存能量，在工进阶段释放能量，通过控制器实现了电动机的给定转速与飞轮转速同步变化，精确地控制电动机转速变化，大大降低了电动机的装机功率，达到了节能目的。

Description

一种用于降低液压机装机功率的动力装置及其应用

技术领域

本发明涉及液压机领域，更具体地，涉及一种用于降低液压机装机功率的动力装置及其应用。

背景技术

液压机一般采用油泵直接传动，由电动机直接带动油泵工作，油泵将机械能转换为油液的压力能，通过液压缸驱动滑块运动来完成工作。通常，液压机的一个完整工作循环周期由以下四个阶段组成：快下阶段(充液装置充液，滑块快速空程向下)、工进阶段(慢速工作加压，有时还存在保压，在工进阶段时，液压机的工作压力随着工件的变形程度增加而增加)、回程阶段及停止阶段。液压泵上的活塞的移动速度由油泵输出的流量决定，为保证工作速度，液压系统中采用多台电动机与油泵共同为液压机提供动力，电动机的总装机功率较高，这在锻造液压机等要求较快工作速度的液压机中表现尤为突出。

在液压机的一个工作周期内，滑块处于停止时电动机带动油泵空转；滑块快下、回程等工作阶段由于负载很轻，液压缸压力低，液压系统驱动滑块运动所需的驱动功率较小；滑块在工进阶段时对负载做功，液压缸压力高，液压系统的驱动功率大。液压机在工进行程时电动机满负荷做功，液压机的工进阶段时间很短，一般在几秒钟之内。液压机为了保证工作速度和压力，驱动油泵的电动机功率一般按系统的最高工作压力和滑块的最大工作速度进行配置，多数时刻电动机驱动油泵空转或低压运行，只在工进阶段时电动机驱动油泵高压运行，并通过液压调速系统获得所需工作速度。这种按最高工作压力和最大速度配置电动机的方法，多数时刻大功率电动机带动油泵空载或低负荷运行，会带来较大的能量损耗和成本浪费。在满足液压机正常工作的前提下，使用小功率的电动机与辅助能量装置一起驱动液压油泵，则可以降低电动机的装机功率，降低能量耗损和节约成本。目前，机械压力上广泛使用飞轮来降低电动机的装机功率，依靠高滑差电动机通过皮带打滑带动飞轮或者使用离合器与电动机和飞轮联接。

在液压机领域，也出现了下列类似机械压力机的节能方法：

(1)利用高滑差电动机直接与飞轮联接，但这种方法受到电动机转差率的限制，另外如果电动机转速响应不及时，容易烧毁电动机；

(2)利用离合器与飞轮和电动机联接，在加压工作过程，离合器使飞轮和电动机分开，靠飞轮降速释放能量，克服工件变形做功，但该方法只适用于公称压力较小的小型液压机，在大型液压机中，仅靠飞轮提供能量，不足以克服大工件变形做功，满足不了工艺所需能量；

(3)利用变频驱动、伺服驱动来驱动油泵工作，这种方法可以提高液压机的回程和快下速度，节约液压机空载、低负荷时的工作时间，但不能降低电动机的总体装机功率，节能效果不明显。

发明内容

针对现有技术的以下缺陷或改进需求，本发明提供了一种用于降低液压机装机功率的动力装置及其应用，通过采用飞轮与转速传感器、变频器和控制器结合，实现电动机的给定转速与飞轮转速同步变化，精确地控制电动机转速变化，由此解决了电动机空载和低负荷时液压机能量损耗过大且无法实现节能的技术问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种用于降低液压机装机功率的动力装置，其特征在于，所述动力装置包括电动机、变频器、控制器、传感器、油泵和飞轮；所述电动机上依次连接所述变频器、控制器和转速传感器，所述飞轮和油泵分别安装在所述电动机的转轴上，其中，

所述传感器用于采集飞轮的转速并传送给控制器，所述变频器用于调整所述电动机的定子绕组的频率和每相电压，进而控制所述电动机的转速；

所述控制器用于接收所述转速传感器的转速并根据此转速信号控制变频器的输出电压和输出频率，以在液压机加压过程使飞轮转速下降时调整所述电动机定子绕组的频率和每相电压，从而使电动机定子绕组的频率和每相电压适应电动机转轴的转速。

优选地，所述飞轮的轮缘上周向均匀分布有多个圆孔，所述转速传感器通过测量相邻两个圆孔经过转速传感器的时间间隔来测量飞轮的转速。

优选地，所述电动机的转轴上依次连接所述飞轮和油泵。

优选地，所述电动机机为双出轴电动机，其转轴的左右两端分别连接所述飞轮和油泵。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种液压机，其特征在于，包括上述任一动力装置，所述动力装置的油泵依次连接比例控制阀、单向阀和液压缸，所述动力装置的油泵和比例控制阀之间设置有安全阀，所述安全阀与油箱连接。

按照本发明的另一方面，还提供了一种采用所述液压机加工工件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)启动、快下阶段：电动机启动并加速到额定转速，飞轮完成储能过程；

2)工进阶段：随着液压缸的活塞杆的推进，工件发生塑性变形，随着工件变形程度的增加，飞轮的转速下降，从而使飞轮释放能量以用于补偿电动机的功率；另外，传感器检测飞轮的转速并将此转速信号传送给控制器，控制器控制变频器调整输出电压和输出频率，从而使电动机定子绕组的频率和每相电压适应电动机转轴的转速；

3)回程、停止、快下阶段：此阶段电动机转速最低，控制器控制变频器调整输出电压和输出频率，使得电动机回到额定转速，带动飞轮完成储能过程。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明的动力装置在将电动机与飞轮相连，实现储存电动机空转、低负荷时的能量，通过传感器、变频器和控制器使飞轮储存的能量在工进阶段释放，从而大大降低了电动机的装机功率，从而实现了节能。

(2)本发明的动力装置中采用传感器、控制器、变频器与飞轮、电动机结合的方式，可实现电动机的的定子绕组中的频率和每相电压调节，以调节电动机转轴的给定转速，可实现电动机的给定转速与飞轮转速同步变化，整个系统稳定，压力、速度变化平稳。

(3)本发明中飞轮轮缘上均匀分布一圈圆孔，可以实现飞轮瞬时转速的测定，同时在飞轮释放能量时，电动机随飞轮同步降速，降低了烧毁电动机的风险。

(4)利用本发明的动力装置组合可以通过使用较小功率的电动机和飞轮组合可以实现大功率输出能量的效果，降低了电动机能量损耗，节约了生产成本。

附图说明

图1为传统油泵直接传动的液压机工作示意图；

图2为使用本发明的动力装置的液压机的示意图；

图3(a)为本发明的动力装置的一种组成形式的结构示意图；

图3(b)为本发明动力装置的另一种组成形式的结构示意图

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图2、图3(a)～图3(b)，本发明的动力装置包括电动机1、油泵7、飞轮5、传感器4、变频器2和控制器3；其中，所述飞轮5与电动机1相连，其能储存电动机1空转或低负荷时的能量；所述传感器4用于采集飞轮5转速；所述控制器3可以根据所述的转速数据来确定变频器2的输出电压和输出频率，以调整电动机1的定子绕组的频率和每相电压，以适应电动机1的转速，从而使液压机稳定工作。

在动力装置中，油泵7的动力来源是电动机1，电动机1的机械能转化为油泵7的液压势能，油泵7再将液压势能转化为机械能。

所述电动机1的转轴通过联轴器与所述油泵7相连，所述飞轮5安装在所述联轴器上。或者，所述飞轮5与所述油泵7分别通过联轴器安装在所述电动机1的两端。

在飞轮5轮缘上加工一周均匀分布的圆孔，利用转速传感器4测量两个圆孔通过的时间间隔来测量飞轮5的瞬时转速。本发明采用控制器3可获得飞轮5的瞬时转速、电动机1的定子绕组的频率和每相电压以及油泵7的输出压力，并根据飞轮5的瞬时的转速来控制驱动电动机1的变频器2输出电压，在工进阶段使电动机1给定转速跟随飞轮5降速，此时飞轮5释放能量；在其它工况，电动机1带动飞轮5加速，完成储能过程。

所述液压机系统的装机功率降低10％～40％。

本发明通过降低液压机的装机功能实现节能的方法，液压机工作示意图如附图2所示，具体而言，是在电动机1与驱动油泵7的转轴上设置飞轮5和控制系统、检测系统来储存电动机1空转、低负荷时的能量，通过控制系统和检测系统使飞轮5储存的能量在工进阶段释放出来，即液压机在工进阶段所需能量由电动机1和飞轮5共同提供，其下是能量守恒公式：

$A=A_0+N\frac{1}{2}J({\mathrm{\ω}}_0^2-{\mathrm{\ω}}_1^2)=NpVn\mathrm{\η}t$

式中：A为工件成形时所需能量，A₀为电动机1提供的能量，N为电动机-飞轮-油泵共同构成的动力输送单元台数，J为飞轮5转动惯量，ω₀为飞轮5能量释放前的角速度，ω₁飞轮5能量释放结束时的角速度，p为油泵7工作压力，V为油泵7排量，n为油泵7转速，η为油泵7的效率，t为油泵7工作时间。

从上述公式可以看出，某件工件的成形时所需能量A是一定的，如果不使用飞轮5，则需要采用较大功率的电动机1来实现较大功率的能量输出；而如果使用飞轮5，飞轮5转速下降后能释放(提供)一部分能量出来，则可以使A₀降低，这样就可以降低电动机1的额定功率，即可以通过使用一台较小功率的电动机1和飞轮5组合可以实现前述的较大功率电动机1输出能量的效果，因此降低了电动机1能量损耗。

另外，如果不改变每台电动机-飞轮-油泵系统的电动机功率，则可以增加油泵7的排量V，这样可以减少总的电动机-飞轮--油泵的台数，也能达到降低装机功率的效果。

飞轮5储存的能量只有在其转速下降时才能释放出来，由于在液压传动中电动机1与油泵7刚性连接，当电动机1功率不足以克服负载变形能时，电动机-飞轮-油泵系统的转速下降，飞轮5释放能量，此时，电动机1的给定转速需要跟随飞轮5转速一起下降，否则电动机1会发热甚至烧毁电动机1，因此，本发明中电动机1采用变频驱动，控制器3控制电动机1的给定转速与飞轮5转速同步变化，不会因负载增大而损坏电动机1。

液压机的油泵7依次连接比例控制阀11、单向阀12和液压缸13，所述动力装置的油泵7和比例控制阀11之间设置有安全阀10，所述安全阀10与油箱9连接。通过液压机工作过程，结合附图3，对本发明作进一步具体说明。

液压传动系统中的电动机1与油泵7之间采用联轴器刚性连接，本发明中的飞轮5优选两种安装方式，一种方式如图3(a)所示，电动机1的转轴通过联轴器与油泵7相连，联轴器可以与飞轮5做成一体，即联轴器同时起飞轮5的作用，油泵7安装在支座6上；另一种方式如图3(b)所示，所述电动机1为双出轴电动机，油泵7安装在电动机1外的钟形罩8上，内部通过联轴器相连，电动机1轴的另一端安装飞轮5。这两种安装方式对飞轮5的储能与释放能量均没有影响。

下面以选择额定转速为1480rpm，工频为50Hz的电动机1为例，说明节能型液压机生产时的一个工作周期：

(a)电动机1启动，经过5～10s，电动机1加速到额定转速1480rpm，飞轮5完成储能过程。

(b)液压机在工进阶段中，工作压力随着工件的变形程度增加而增加，当电动机1功率不足以克服工件变形能时，飞轮5转速下降，释放能量，用于补偿电动机1的装机功率，传感器4检测飞轮5转速，控制器3控制变频器2，使电动机1给定转速随飞轮5转速变化；同理，增加每台电动机-飞轮-油泵系统中油泵7的排量，减少总的电动机-飞轮--油泵共同构成的动力输送单元的总台数，也可以起到降低装机功率的效果。考虑到液压机的工作速度和电动机功率变化，飞轮5转速不宜降低太大。

(c)系统进入回程阶段，飞轮5开始储能，飞轮5储能过程是电动机1主动变频过程，飞轮5储能可以在回程，停止、空程快下阶段完成，储能完成后，飞轮5转速回到1480rpm。

本发明的动力装置所构成的液压机有以下特点：

液压机的回程、停止、快下阶段属于低负荷阶段，所需功率小于电动机1装机功率，飞轮5可以在液压机回程、停止、快下阶段，完成储能过程；在工进阶段飞轮5释放能量，这部分能量用于补偿电动机1的装机功率。飞轮5储能过程是主动控制过程，控制器3控制变频器2使电动机-飞轮-油泵系统加速，飞轮5储存能量；飞轮5释放能量的过程是被动控制过程，负载变形力上升使飞轮5降速，控制器3根据检测的飞轮5转速信号驱动变频器2使电动机1的给定转速和飞轮5转速同步变化，保证电动机1正常工作，保证系统压力、速度平稳变化。节能型液压机中电动机1－飞轮5－油泵7系统与转速传感器4、变频器2、控制器3所组成的动力装置，利用较小功率电动机1代替传统液压机中较大功率的电动机1，最大可以降低40％左右的液压机装机功率；相比仅由电动机-飞轮-油泵系统组成的动力装置，飞轮5转速降不受电动机1滑差影响，飞轮5在工进阶段可以提供更大的能量，且加入控制系统和检测系统，液压机系统更加稳定，电动机1不容易烧坏，节能效果更明显。如果不调整单台电动机1功率，可以增加每台电动机-飞轮-油泵系统中油泵7的排量，减少总的电动机1-油泵7台数，同样能达到降低装机功率的效果。增大飞轮5降速幅度，飞轮5释放更多的能量，液压机可以克服更大的负载做功，提供更大的工作压力，在镦粗、压制等一些塑性变形的加工工艺中可代替增压回路，降低控制回路的复杂程度。实际生产中，考虑到油泵7的流量变化不宜过大，液压机的工作速度受电动机转速影响，飞轮5所承担的能量不能太大，一般飞轮5提供的能量不超过克服工件变形能的40％，飞轮5尺寸和质量由具体液压机和电动机1决定。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于降低液压机装机功率的动力装置，其特征在于，所述动力装置包括电动机、变频器、控制器、传感器、油泵和飞轮；所述电动机上依次连接所述变频器、控制器和转速传感器，所述飞轮和油泵分别安装在所述电动机的转轴上，其中，

所述传感器用于采集飞轮的转速并传送给控制器，所述变频器用于调整所述电动机的定子绕组的频率和每相电压，进而控制所述电动机的转速；

所述控制器用于接收所述转速传感器的转速并根据此转速信号控制变频器的输出电压和输出频率，以在液压机加压过程使飞轮转速下降时调整所述电动机定子绕组的频率和每相电压，从而使电动机定子绕组的频率和每相电压适应电动机转轴的转速。

2.如权利要求1所述的动力装置，其特征在于，所述飞轮的轮缘上均匀分布有多个圆孔，所述转速传感器通过测量相邻两个圆孔经过转速传感器的时间间隔来测量飞轮的转速。

3.如权利要求1所述的动力装置，其特征在于，所述电动机的转轴上依次连接所述飞轮和油泵。

4.如权利要求1所述的动力装置，其特征在于，所述电动机为双出轴电动机，其转轴的左右两端分别连接所述飞轮和油泵。

5.一种液压机，其特征在于，包括权利要求1～4中任一权利要求所述的动力装置，所述动力装置的油泵依次连接比例控制阀、单向阀和液压缸，所述动力装置的油泵和比例控制阀之间设置有安全阀，所述安全阀与油箱连接。

6.一种采用权利要求5所述液压机加工工件的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)启动、快下阶段：电动机启动并加速到额定转速，飞轮完成储能过程；

2)工进阶段：随着液压缸活塞杆的推进，工件发生塑性变形，随着工件变形程度的增加，飞轮的转速下降，从而使飞轮释放能量以用于补偿电动机的功率；另外，传感器检测飞轮的转速并将此转速信号传送给控制器，控制器控制变频器调整输出电压和输出频率，从而使电动机定子绕组的频率和每相电压适应电动机转轴的转速；

3)回程、停止、快下阶段：此阶段电动机转速最低，控制器控制变频器调整输出电压和输出频率，使得电动机回到额定转速，带动飞轮完成储能过程。