CN107630815A

CN107630815A - 混合驱动的空压机

Info

Publication number: CN107630815A
Application number: CN201710697723.5A
Authority: CN
Inventors: 权龙�; 师建鹏; 李泽鹏; 赵斌
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2017-08-15
Filing date: 2017-08-15
Publication date: 2018-01-26

Abstract

本发明公开了一种混合驱动的空压机，包括空压机执行机构，减速器，储气罐，动势能储运回路与电动机复合驱动系统、超级电容器组及控制器，采用液电混合的方式实现对空压机的混合驱动。本发明公开的混合驱动的空压机具有装机功率低、功耗低、寿命长以及能效高等优点。

Description

混合驱动的空压机

技术领域

本发明属于空气压缩设备领域，具体涉及一种混合驱动的空压机。

背景技术

空压机是一种利用电动机将气体在压缩腔内进行压缩并使压缩的气体具有一定压力的设备。空压机为工厂所有气动部件提供气源，特别是在纺织、化工、动力等工业领域中已成为必不可少的关键、核心设备，尤其是螺杆空压机在几乎所有的工业领域都广泛应用，成为压缩空气的主流产品。但是空压机所消耗的能量是巨大的，目前，虽然采用变频器来控制空压机，改善了空压机的调速性能及减少能耗，但是在响应速度，能量回收，峰值载荷等方面仍然有不足之处。现有的空压机存在着几个方面的不足：空压机需要的功率很大，这就使得空压机中的主驱动电动机的体积很大，进而主驱动电动机在空压机内部的合理布置就变得较为不便，甚至无法布置，并且空压机有时需要处于低速大扭矩运行工况，受目前电动机输出扭矩的制约，必须附加减速器才能实现这一功能，这就使得主电动机整体的体积进一步增大；空压机主电动机采用变频器控制，启动和制动过程响应较慢，需要较长时间才能完成；主电动机启动时需要很大的功率，且工作过程启停频繁，这样会大幅度减少主电动机的使用寿命，并且在空压机制动时，其动能往往转化成热能，造成较大的能量浪费；空压机在启动时或工作过程中会出现峰值载荷，会使主电动机短时间内产生很大电流和热量，对主电动机损害严重，降低主电动机使用寿命。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明提供一种混合驱动的空压机，通过回收工作装置制动过程中的动能，以提高能量利用率。

混合驱动的空压机，包括空压机执行机构(1)，减速器(2)，储气罐(20)，其特征在于：还包括动势能储运回路与电动机复合驱动系统(23)、超级电容器组(18)及控制器(4)，其中：动势能储运回路与电动机复合驱动系统包括：动势能储运回路(22)、主驱动电动机(3)、电磁离合器(15)、转速传感器(5)、第Ⅰ变频器(16)、双向DC-DC变换器(17)、电流互感器(19)；

所述的动势能储运回路(22)包括电比例四象限液压泵/马达(6)、恒压变量液压泵(9)、液压泵驱动电动机(10)、第Ⅱ变频器(8)、安全阀(11)、二位二通电磁阀(12)、蓄能器(13)、压力传感器(14)、位移传感器(7)及油箱(21)，电比例四象限液压泵/马达的第一油口P₁，恒压变量液压泵的出油口、安全阀的进油口、二位二通电磁阀的C油口通过液压管路连通，二位二通电磁阀的D油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号p输入控制器；电比例四象限液压泵/马达的第二油口P₂、恒压变量液压泵的进油口、安全阀的出油口均与油箱连通；位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通电磁阀的控制端均与控制器连接。

主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与减速器的输入轴和动势能储运回路电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，减速器的输出轴与空压机执行机构的输入轴连接，空压机执行机构的输出轴与储气罐的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端和输出端分别与控制器和主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端连接到超级电容器组，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接，转速传感器与主电动机的第二输出轴连接，其输出信号n输入控制器，电流互感器安装在第Ⅰ变频器与主电动机之间，其输出信号i输入控制器；控制器向电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC-DC变换器、第Ⅰ和第Ⅱ变频器发送控制指令。

所述的恒压变量液压泵是机械信号控制的恒压泵或电信号控制的比例恒压泵。

所述的蓄能器是单一的液压蓄能器或两个以上的液压蓄能器组。

所述的主驱动电动机的第一输出轴通过减速器或直接与空压机执行机构的驱动轴连接。

所述的动势能储运回路是电比例四象限液压泵/马达和恒压变量液压泵组成的二次调节回路，或电比例四象限液压泵/马达和定量液压泵/马达组成的闭式回路。

所述的动势能储运回路与电动机复合驱动系统通过控制主驱动电动机的转速或主驱动电动机的输出扭矩和转角，实现对空压机的控制。

与现有技术相比，本发明提供的混合驱动的空压机，具体有以下优点及积极效果：

1、本发明通过电比例四象限液压泵/马达辅助主驱动电动机驱动空压机执行机构，在满足空压机瞬时大功率需求的前提下，使主驱动电动机不必附加减速器就可以实现低速大扭矩工况，减小了主电动机的体积，为电动机在空压机中的合理布置提供了便利。

2、本发明通过采用液压混合驱动方式，结合电气驱动大功率和液压驱动高功率密度的优点，可显著降低该系统的重量和体积。

3、本发明通过电比例四象限液压泵/马达将空压机执行机构制动过程的动能存储到液压蓄能器中，可以取消原有的制动电阻，因而可以提高能效并降低系统的发热；

4、本发明通过电比例四象限液压泵/马达辅助主驱动电动机启动，可以降低电动机的装机功率，提高电动机的工作效率，降低电动机工作过程中的能量损耗；

5、本发明采用液压蓄能器和电比例四象限液压泵/马达辅助主驱动电动机启制动，减小对电网的冲击，延长了电动机的使用寿命，并且回收再利用了空压机执行机构制动过程的动能。

6、本发明采用超级电容器组存储空压机执行机构制动过程的部分动能，并且在启动过程中补充峰值电流，减小了主驱动电动机直接启动时过大的启动电流对电网的冲击影响。

附图说明

图1为本发明空压机混合驱动控制原理图。

图中：1-空压机执行机构；2-减速器；3-主驱动电动机；4-控制器；5-转速传感器；6-电比例四象限液压泵/马达；7-位移传感器；8-第Ⅱ变频器；9-恒压变量液压泵；10-液压泵驱动电动机；11-安全阀；12-二位二通电磁阀；13-蓄能器；14-压力传感器：15-电磁离合器；16-第Ⅰ变频器；17-双向DC-DC变换器；18-超级电容器组；19-电流互感器；20-储气罐；21-油箱；22-动势能储运回路；23-动势能储运回路与电动机复合驱动系统。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步的详细说明。

如附图1所示，混合驱动的空压机包括空压机执行机构1，减速器2，储气罐20，还包括动势能储运回路与电动机复合驱动系统23、超级电容器组18及控制器4，其中：动势能储运回路与电动机复合驱动系统包括：动势能储运回路22、主驱动电动机3、电磁离合器15、转速传感器5、第Ⅰ变频器16、双向DC-DC变换器17、电流互感器19。

所述的动势能储运回路22包括电比例四象限液压泵/马达6、恒压变量液压泵9、液压泵驱动电动机10、第Ⅱ变频器8、安全阀11、二位二通电磁阀12、蓄能器13、压力传感器14、位移传感器7及油箱21，电比例四象限液压泵/马达的第一油口P₁，恒压变量液压泵的出油口、安全阀的进油口、二位二通电磁阀的C油口通过液压管路连通，二位二通电磁阀的D油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号p输入控制器；电比例四象限液压泵/马达的第二油口P₂、恒压变量液压泵的进油口、安全阀的出油口均与油箱连通；位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通电磁阀的控制端均与控制器连接。

主驱动电动机的第一、第二输出轴分别与减速器的输入轴和动势能储运回路电比例四象限液压泵/马达的驱动轴连接，减速器的输出轴与空压机执行机构的输入轴连接，空压机执行机构的输出轴与储气罐的驱动轴连接，第Ⅰ变频器的输入端和输出端分别与控制器和主驱动电动机连接，第Ⅰ变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端连接到超级电容器组，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接，转速传感器与主电动机的第二输出轴连接，其输出信号n输入控制器，电流互感器安装在第Ⅰ变频器与主电动机的上，其输出信号i输入控制器；控制器向电比例四象限液压泵/马达、二位二通电磁阀、双向DC-DC变换器、第Ⅰ和第Ⅱ变频器发送控制指令H和E。

混合驱动的空压机启动之前，控制器发出控制指令E到第Ⅱ变频器，控制液压泵驱动电动机启动，恒压变量液压泵开始工作，打开二位二通电磁阀，恒压变量液压泵为蓄能器补充油液，当压力传感器检测到蓄能器组压力达到预设值时，控制器控制二位二通电磁阀关闭。

当空压机开始启动时，控制器发出指令到第Ⅰ变频器，控制主驱动电动机启动，并通过控制电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压马达工况，同时，控制器控制二位二通电磁阀打开，液压蓄能器组释放液压能，与恒压变量液压泵同时驱动电比例四象限液压泵/马达；同时，控制器发出指令E到双向DC-DC变换器，控制超级电容器组释放电能，补充主驱动电动机启动过程所需的峰值电流，主驱动电动机与电比例四象限液压泵/马达共同驱动空压机启动。当转速传感器检测到主驱动电动机达到预定转速时，控制器发出控制指令E，控制二位二通电磁阀关闭，同时改变电比例四象限液压泵/马达的摆角为零，并控制双向DC-DC变换器使超级电容器组停止释放电能。

工作过程中出现峰值载荷时，电流互感器检测到主驱动电动机中的电流值迅速升高，控制器发出指令到双向DC-DC变换器，控制超级电容器组释放电能，补充主驱动电动机工作过程所需的峰值电流，同时控制器发出指令，控制二位二通电磁阀打开，并通过控制电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压马达工况，恒压变量液压泵和蓄能器共同驱动电比例四象限液压泵/马达，辅助主驱动电动机克服峰值载荷，度过峰值载荷后，控制器发出控制指令，控制二位二通电磁阀关闭，改变电比例四象限液压泵/马达的摆角为零。同时控制器控制双向DC-DC变换器使超级电容器组停止释放电能。

空压机制动时，控制器控制电网停止向第Ⅰ变频器供电，空压机执行机构的动能带动主驱动电动机处于发电状态，控制器发出指令到双向DC-DC变换器，将主电机发出的电能存储到超级电容器组内，同时控制器发出控制指令通过控制电比例四象限液压泵/马达的摆角方向使其处于液压泵工况，二位二通电磁阀打开，主驱动电动机带动电比例四象限液压泵/马达将油箱中的液压油泵入液压蓄能器组中，液压蓄能器组成为负载，辅助主驱动电动机制动。当压力传感器检测液压蓄能器组中的油液压力达到设定限值时，控制器发出指令使二位二通电磁阀关闭，油液通过安全阀流回油箱。制动过程结束后，控制器发出控制指令，控制二位二通电磁阀关闭，改变电比例四象限液压泵/马达的摆角为零，同时控制器控制双向DC-DC变换器使超级电容器组停止储存电能。

Claims

1.混合驱动的空压机，包括空压机执行机构(1)，减速器(2)，储气罐(20)，其特征在于：还包括动势能储运回路与电动机复合驱动系统(23)、超级电容器组(18)及控制器(4)，其中：动势能储运回路与电动机复合驱动系统包括：动势能储运回路(22)、主驱动电动机(3)、电磁离合器(15)、转速传感器(5)、第Ⅰ变频器(16)、双向DC-DC变换器(17)、电流互感器(19)；

所述的动势能储运回路(22)包括电比例四象限液压泵/马达(6)、恒压变量液压泵(9)、液压泵驱动电动机(10)、第Ⅱ变频器(8)、安全阀(11)、二位二通电磁阀(12)、蓄能器(13)、压力传感器(14)、位移传感器(7)及油箱(21)，电比例四象限液压泵/马达的第一油口P₁，恒压变量液压泵的出油口、安全阀的进油口、二位二通电磁阀的C油口通过液压管路连通，二位二通电磁阀的D油口、压力传感器与蓄能器连接，压力传感器的输出信号p输入控制器；电比例四象限液压泵/马达的第二油口P₂、恒压变量液压泵的进油口、安全阀的出油口均与油箱连通；位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，位移传感器的输出信号x输入控制器，第Ⅱ变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器、二位二通电磁阀的控制端均与控制器连接；

2.根据权利要求1所述的混合驱动的空压机，其特征在于：所述的恒压变量液压泵是机械信号控制的恒压泵或电信号控制的比例恒压泵。

3.根据权利要求1所述的混合驱动的空压机，其特征在于：所述的蓄能器是单一的液压蓄能器或两个以上的液压蓄能器组。

4.根据权利要求1所述的混合驱动的空压机，其特征在于：所述的主驱动电动机的第一输出轴通过减速器或直接与空压机执行机构的驱动轴连接。

5.根据权利要求1所述的混合驱动的空压机，其特征在于：所述的动势能储运回路是电比例四象限液压泵/马达和恒压变量液压泵组成的二次调节回路，或电比例四象限液压泵/马达和定量液压泵/马达组成的闭式回路。

6.根据权利要求1所述的混合驱动的空压机，其特征在于：所述的动势能储运回路与电动机复合驱动系统通过控制主驱动电动机的转速或主驱动电动机的输出扭矩和转角，实现对空压机的控制。