CN111350711B - 液压泵装置 - Google Patents

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Abstract

本发明描述了一种液压泵装置，其包括连接到共同汇合点的多个马达泵单元，其中液压泵装置中的每一马达泵单元包括：实现成在其出口处提供加压流体的泵；被布置成驱动泵的马达；被构造成释放泵出口处的压力的旁通阀；并且其中液压泵装置还包括控制器，该控制器被配置成从每一马达泵单元接收反馈信号并且基于马达泵单元的马达速度致动该马达泵单元的旁通阀。本发明还描述了一种操作这种液压泵装置的方法，以及一种包括多个这种液压泵装置的风力涡轮机。

Description

液压泵装置
技术领域
本发明描述了一种液压泵装置、一种操作这种液压泵装置的方法、以及一种包括这种液压泵装置的风力涡轮机。
背景技术
随着风力涡轮机的尺寸增加，用于控制各种功能的液压系统也变得更大。例如，随着转子叶片长度和根部直径增加，必须提供相应更强大的液压叶片变桨系统。任何这种液压系统可以包括一个或多个马达泵单元。马达泵单元包括用于调节液压活塞室中的流体的压力的泵，以及用于操作所述泵的马达。然而，较大马达泵单元也汲取较高电流，特别是在起动马达时。替代增加马达泵单元的尺寸，相反可以使用更多数量的马达泵单元。当数个马达泵单元共同用于多个马达泵配置中时，其输出馈送到共同节点或“汇合点”中，使得加压工作流体可以被输送到消耗装置。液压系统可以接收用于消耗装置的压力参考和/或流量参考。这种压力/流量参考将根据消耗装置的要求变化。可以驱动合适数量的单元以获得所期望的压力。然而，每当必须通过增加另一马达泵单元的贡献来提高压力或流量时，还必须在汇合点处释放压力。这是因为不应该起动具有加压出口的泵。
基本上存在两个原因不起动其出口处于压力下的泵。首先，在液压马达泵单元中使用的最常见类型的电动马达是笼型感应马达，其在低速下仅可以提供其标称速度转矩的一部分，但是由于驱动泵所需的转矩与压力成比例，因此，在起动马达时，需要泵出口处的低压。其次，在极低速度下或者在不活动达一段时间之后，液压泵中的润滑通常很差，使得必须在逐渐增加压力之前通过在低速下运行泵来建立足够的油膜。
解决这些问题的一个方法是在起动之前和期间从每一泵的出口排出流体以确保在建立润滑膜时泵出口不处于压力下，并且确保马达不被损坏。为此目的，在泵出口的汇合点处提供单个“倾泄阀”或“旁通阀”。在打开此阀时，同时在所有泵出口处释放压力。每当要起动马达泵单元中的一者或多者时，便打开倾泄阀以释放压力。倾泄阀仅在在起动马达泵单元之后已经过去一定时间之后再次闭合，在此时间之后，可以假定，马达泵单元已经达到其标称速度。然而，这意味着，每当要添加额外泵以增加多个马达泵配置的输出时，到系统的流量便被临时切断。从打开倾泄阀的时间直到输出处的压力已经再次增加的时间，可能无法满足输入流量的系统要求。到消耗装置的流动压力的这种中断可能导致不期望的动力学。例如，变桨系统（pitch system）可能无法遵循给定的参考，这可能导致风力涡轮机经受超过设计极限的结构负载。这种过大负载可能最终导致损坏以及大量维修和维护成本。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种避免上文所描述的问题的经改进的液压泵装置。
此目的通过基本方案的液压泵装置并且通过基本方案的操作液压泵装置的方法实现。
根据本发明，所述液压泵装置包括连接到共同汇合点的多个马达泵单元，其中所述液压泵装置中的每一马达泵单元包括：
-被实现成使加压流体在其出口处通过的泵；
-被布置成驱动所述泵的马达；
-被构造成释放所述泵出口处的压力的旁通阀；并且其中
所述液压泵装置还包括控制器，所述控制器被配置成从每一马达泵单元接收反馈信号，从对应反馈信号确定马达泵单元的速度，并且基于该马达泵单元的马达速度致动马达泵单元的旁通阀。
根据本发明的液压泵装置的优点在于，马达泵单元可以在其他马达泵单元保持运行的同时被关闭，使得共同汇合点处的压力和流量（即，到消耗装置的输入处的压力和流量）不被中断。同样地，额外马达泵单元可以在其他马达泵单元保持运行的同时被起动，同样不中断共同汇合点处的压力。这具有如下优点：在关闭或起动马达泵单元时，不使消耗装置（例如风力涡轮机的叶片变桨系统）经受突然压力损失。
根据本发明，操作液压泵装置的方法包括如下步骤：获得压力和/或流量的参考量并且确定汇合点处的对应实际量，并且，
-如果实际量大于参考量，则所述方法包括如下步骤：使马达泵单元的速度减小到其最小操作速度，打开所述马达泵单元的旁通阀，并且停止所述马达泵单元；
-如果实际量低于参考量，则所述方法包括如下步骤：打开额外马达泵单元的旁通阀，起动该马达泵单元，增加该马达泵单元的速度以达到其最小操作速度，并且随后闭合该马达泵单元的旁通阀。
在停止马达泵单元之后，可以闭合其旁通阀，虽然这可能不是要求。因此，如果额外马达泵单元的旁通阀实际上被闭合，则将仅必须在起动之前打开该旁通阀。
根据本发明的风力涡轮机包括多个这种液压泵装置，其被构造成向消耗装置提供加压流体，所述消耗装置是诸如液压转子叶片变桨系统和/或液压转子制动系统和/或服务起重机系统。针对这些消耗装置中的每一者，风力涡轮机可以包括专用液压泵装置。
如在以下描述中所揭示的，本发明的特别有利实施例和特征由优选方案给出。可以适当组合不同方案类别的特征以给出本文中未描述的其他实施例。
马达泵单元的泵可以是以下中的任一者：内齿轮泵、外齿轮泵、轴向活塞泵。在本发明的特别优选实施例中，马达泵单元的马达包括变频驱动器，因此此类马达需要相对低的起动电流并且可以在一定程度上减轻低起动转矩的问题。出于此原因，变频驱动器还可以称为“软起动器”。在下文中，可以假定，每一马达泵单元包括变频驱动器。优选地，马达泵单元被实现成向控制器提供关于马达速度和/或马达转矩的一些合适反馈。旁通阀还可以以任何合适方式实现，并且优选地被实现成响应于从控制器接收的电信号作出响应–即，在打开或闭合之间改变其状态。马达泵单元的旁通阀可以是座阀、滑阀、可控泄压阀或任何其他合适类型的阀。本发明的方法包括基于对应马达泵单元的速度控制马达泵单元的旁通阀的步骤。
在下文中，在不以任何方式限制本发明的情况下，可以假定，液压泵装置的马达泵单元基本上是相同的。所有马达泵单元的泵出口馈送成共同汇合点，所述共同汇合点又是消耗装置的输入。以相同的方式，所有马达泵单元的旁通阀可以馈送到共同槽中，例如馈送到来自消耗装置的返回管线中。来自消耗装置的返回管线可以在排入到共同贮存器中之前被过滤，所述泵从贮存器馈送。
汇合点处感兴趣的量可以是压力和/或流量。所述液压泵装置可以被配置成在汇合点处输送目标压力和/或目标流量，并且确定汇合点处的实际压力和/或流量。因此，在下文中，如在表述“参考量”、“目标量”、“实际量”等等中使用的词语“量”可以理解为意指压力和/或流量。
在本发明的特别优选实施例中，马达泵单元按并联配置布置，即，所有泵从共同贮存器馈送并馈送成共同汇合点。
如上文所指示的，马达泵单元优选地被实现成向控制器提供一些合适反馈，使得控制器可以确定马达速度，从所述马达速度，控制器可以推断出该马达泵单元的出口处的压力。例如，马达泵单元可以包括速度传感器以确定马达速度并且向控制器提供马达速度反馈信号。
替代地，在本发明的另一个优选实施例中，可以校准马达泵单元以建立马达速度和马达转矩之间的关系，即，马达速度和出口压力之间的关系。在这种实施例中，反馈信号可以由泵出口处的压力传感器提供，并且控制器可以从所测量的压力推断出马达速度。本发明的方法的初始步骤可以包括如下步骤：对马达泵单元建模以建立马达速度和出口压力之间的关系以便识别最小操作速度和最大操作速度。当然，这种信息可以由马达泵单元的制造商提供，使得本发明的方法的初始步骤可以仅涉及获得此数据并且将控制器实现成相应地应用所述数据。
在消耗装置的操作期间，所需液压量可以改变，即，消耗装置可能需要更高或更低压力和/或不同流速，这取决于消耗装置中正发生什么。在风力涡轮机中，通常是风力涡轮机控制器针对每一消耗装置确定在任何时候所需的参考量，因为风力涡轮机控制器使系统（诸如叶片变桨系统、润滑系统等等）的操作同步。在本发明的优选实施例中，风力涡轮机控制器优选地将每一参考量发送到对应液压泵装置的控制器。
控制器可以通过连续监测或估计汇合点处的实际量来对已改变的参考量作出响应，并且通过管理马达泵单元来对差异作出响应。例如，只要实际量大于目标量，控制器便可以将一个或多个马达泵单元的速度朝向其最小操作速度减小。如果这不足以降低实际量，则控制器可以关闭马达泵单元以实现所期望量的减小，如上文所解释的。同样地，只要实际量低于目标或参考量，控制器便可以增加一个或多个马达泵单元的速度。如果这不足以获得所期望的压力增加，则控制器可以起动额外马达泵单元，如上文所解释的。
附图说明
从结合附图考虑的以下具体实施方式，本发明的其他目的和特征将变得显而易见。然而，应理解的是，附图仅出于说明目的被设计，而不是作为对本发明的限制的定义。
图1示出了液压泵装置的实施例的示意图；
图2和图3 示出了用于示出本发明方法的步骤的流程图；
图4是具有本发明的液压泵装置的数个实施例的风力涡轮机的示意图；
图5示出了常规的液压泵装置。
在附图中，相似数字始终指代相似对象。附图中的对象未必按比例绘制。
具体实施方式
图1示出了液压泵装置1的实施例的示意图。在此示例性实施例中，液压泵装置1包括n个马达泵单元MP1，…，MPn。每一马达泵单元MP1，…，MPn包括泵（诸如内齿轮泵或类似物），以及马达（诸如变速马达）。马达泵单元MP1，…，MPn的出口汇聚在共同汇合点10处。每一马达泵单元MP1，…，MPn的出口还经由旁通阀V1, …, Vn连接到返回管线12。可以假定消耗装置连接在汇合点10和返回管线12之间，并且这些连接点由“x”符号指示。所述图还示出了所属领域的技术人员将熟悉的各种其他元件，诸如返回管线12中的过滤器13，用于将加压工作流体输送到消耗装置的供应管线15，以及流体贮存器或罐14。
在此示例性实施例中，旁通阀V1, …, Vn被实现为滑阀，但是可以同样被实现为座阀或受控泄压阀，如所属领域的技术人员将已知的。可以响应于来自控制器11的信号C_V1, …, C_Vn致动（即，打开或闭合）每一阀V1, …, Vn。
本发明的液压泵装置1测量或估计汇合点10处的压力和/或流量，并且将实际量Q10与参考量R进行比较。参考量R可以包括参考压力和/或参考流量，使得实际量Q10可以理解成包括压力值和/或流量值。可以例如使用适当传感器直接测量汇合点10处的实际量Q10。替代地，可以使用已知关系来估计汇合点10处的瞬时压力和/或流量Q10。例如，可以从泵流量和马达速度之间的已知关系确定汇合点10处的实际流量。已知由反馈信号FB1, …, FBn报告的每一马达泵单元MP1, …, MPn的马达速度，可以以相对高的精确度确定汇合点10处的组合流量。马达泵单元MP1, …, MPn的马达速度可以容易获得，例如作为来自变速驱动器的每分钟转数（rpm）反馈信号FB1, …, FBn。替代地，马达速度可以从在每一泵出口处测量的压力推断得出并且报告为反馈信号FB1, …, FBn。
控制器11可以将所测量或所估计的量Q10与该液压泵装置1的消耗装置的参考量R进行比较。如果需要调节汇合点10处的压力/流量Q10，则控制器11可以最初向液压泵装置1的一个或多个马达发出控制信号C_MP1, …, C_MPn以视情况增加或减小马达速度。在此附图中，假定，马达泵单元MP1、MP2正运行，并且汇合点10处的所测量或所估计的压力/流量Q10低于参考压力/流量R。如果控制器11确定那些马达泵单元MP1、MP2的马达已经以最大速度运行（使用反馈信号FB1、FB2），则控制器11打开额外马达泵单元MP3的旁通阀V3，起动其马达并且借助于其反馈信号FB3监测其速度，直到该额外马达泵单元MP3的速度已经达到最小操作速度（在此最小操作速度下，泵润滑水平被认为是令人满意的）。此时，控制器11发出信号C_V3以闭合额外马达泵单元MP3的旁通阀V3。然后可以在监测汇合点10处的压力/流量Q10的同时逐渐增加（借助适当控制信号C_MP3）此马达泵单元MP3的速度。如果实际量Q10满足目标要求R，则控制器11将维持液压泵装置1的此配置。否则，可以重复所述步骤以起动另一个马达泵单元。
在替代情形下，再次使用图1，假定，马达泵单元MP1、MP2、MP3正运行，并且在某一点处，汇合点10处的压力/流量Q10高于参考压力/流量R。为对较低要求R作出响应，控制器11在监测实际压力/流量Q10的同时降低一个或多个马达泵单元的速度。如果无法以此方式充分降低汇合点10处的压力/流量Q10，则即使所有活动马达泵单元MP1、MP2、MP3都以其最低速度运行（通过反馈信号FB1、FB2、FB3监测），控制器11选择要关闭的马达泵单元，例如第二马达泵单元MP2。其发出信号C_V2以打开该马达泵单元MP2的旁通阀V2，关闭马达，并且发出信号C_V2以闭合旁通阀V2。如果汇合点10处的实际压力/流量Q10通过这些步骤可以减小到满足降低的参考R，则控制器11将维持此配置。否则，可以重复所述步骤以关闭另一个马达泵单元。
如上文借助图1所解释的，可以为消耗装置提供参考压力/流量R，并且服务该消耗装置的液压泵装置1在每当压力/流量改变时将使其马达泵单元MP1, …, MPn控制到参考量R。图2示出了流程图20，其用于示出当在图1的汇合点10处需要减小的压力时本发明方法的步骤。在第一步骤21中，将汇合点10处的实际量Q10与参考量R进行比较。如果实际量Q10过高，则在步骤21中减小马达泵单元MP1, …, MPn中的一者或多者的速度。在步骤22中，将最慢马达的速度与其最小速度阈值进行比较。只要存在在此最小速度阈值之上运行的一个或多个马达泵单元，便可以通过重复步骤21–23来减小所述马达泵单元中的一者或多者的速度。如果在步骤23中看到每一马达泵单元正以其最低可能速度运行，则选择将马达泵单元中的一者关闭。在步骤24中，打开该马达泵单元的旁通阀，在步骤25中停止马达，并且在步骤26中再次闭合其旁通阀。控制流程返回到步骤21，在步骤21处，再次将实际压力/流量Q10与参考压力/流量R进行比较。如果需要，则控制回路20重复，直到达到目标压力/流量R。
图3示出了流程图30，其用于示出当在汇合点10处需要更高的参考压力/流量R时本发明方法的步骤。在第一步骤31中，将汇合点处的实际压力/流量Q10与参考压力/流量R进行比较。如果实际压力/流量Q10太低，则在步骤32中检查马达速度以查看是否全部都正以最大速度运行。如果不是，则在步骤33中增加马达泵单元中的一者或多者的速度。如果是，则在步骤34中打开额外马达泵单元的旁通阀，并且起动额外马达泵单元。在步骤35中增加此泵的速度。在步骤36中，检查以查看额外马达泵单元是否已经达到其最小速度。如果未达到，则控制返回到步骤35。如果达到，则在步骤37中闭合该马达泵单元的旁通阀，并且控制返回到步骤31。如果需要，控制回路30重复，直到达到目标压力/流量R。
图4是带有多个液压系统H1、H2、H3（在此情况下，液压转子叶片变桨系统H1、液压转子制动系统H2和液压服务起重机系统H3）的风力涡轮机4的示意图。每一液压系统H1、H2、H3是本发明的液压泵装置1的实施例的消耗装置（consumer），其在供应管线15上接收加压流体并且经由返回管线12返回流体。每一液压泵装置1包括合适数量的马达泵单元，这取决于其消耗装置的需求。在风力涡轮机的操作期间，每一消耗装置H1、H2、H3的所需液压将经受波动，这取决于消耗装置H1、H2、H3处正发生什么。为对这些变化的需求作出响应，在此示例性实施例中，控制单元（风力涡轮机控制器40）更新每一消耗装置H1、H2、H3的目标或参考压力/流量值并且将参考Q1、Q2、Q3发送到液压泵装置1的控制器。
图5示出了常规液压泵装置5。同样在这里，多个马达泵单元51服务消耗装置58，并且马达泵单元的出口汇合在共同汇合点50处。单个旁通阀52或倾泄阀52布置在汇合点50的远侧处。因此，每当必须关闭（以在汇合点50处实现较低的目标压力）或接通（以在汇合点50处满足增加的目标压力）马达泵单元51时，消耗装置58便看到压力降。如上文所解释的，这可能在至少关闭或起动马达泵单元51并且恢复汇合点50处的压力所需的持续时间内导致不期望的动力学。
虽然已经以优选实施例及其变型的形式公开了本发明，但是应理解的是，可以对其作出许多额外修改和变型，而不脱离本发明的范围。
为清楚起见，应理解的是，在本申请的通篇中使用的“一（a）”或“一个（an）”并不排除多个，并且“包括”并不排除其它步骤或元件。

Claims (12)

1.一种操作液压泵装置（1）的方法，其中，所述液压泵装置（1）包括连接到共同汇合点（10）的多个马达泵单元（MP1, …, MPn），其中所述液压泵装置（1）中的每一马达泵单元（MP1, …, MPn）包括：被实现成在其出口处提供加压流体的泵；被布置成驱动所述泵的马达；被构造成释放泵出口处的压力的旁通阀（V1, …, Vn）；并且其中所述液压泵装置（1）还包括控制器（11），所述控制器（11）被配置成从每一马达泵单元（MP1, …, MPn）接收反馈信号（FB1, …, FBn）并且基于马达泵单元（MP1, …, MPn）的马达速度致动所述马达泵单元（MP1, …, MPn）的所述旁通阀（V1, …, Vn）；
所述方法包括获得参考量（R）并且确定所述共同汇合点（10）处的对应的实际量（Q10）的步骤，并且，
-如果所述实际量（Q10）大于所述参考量（R），则所述方法包括如下步骤：使马达泵单元（MP1, …, MPn）的速度减小到其最小操作速度，打开所述马达泵单元（MP1, …, MPn）的所述旁通阀（V1, …, Vn），停止所述马达泵单元（MP1, …, MPn），并且闭合所述马达泵单元（MP1, …, MPn）的所述旁通阀（V1, …, Vn）；
-如果所述实际量（Q10）低于所述参考量（R），则所述方法包括如下步骤：打开额外的马达泵单元（MP1, …, MPn）的旁通阀（V1, …, Vn），起动所述额外的马达泵单元（MP1, …,MPn），增加所述额外的马达泵单元（MP1, …, MPn）的速度以达到其最小操作速度，并且随后闭合所述额外的马达泵单元（MP1, …, MPn）的所述旁通阀（V1, …, Vn）。
2.根据权利要求1所述的方法，其包括如下步骤：当所述实际量（Q10）大于所述参考量（R）时，将多个操作的马达泵单元（MP1, …, MPn）的速度朝向其最小操作速度减小。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其包括如下步骤：当所述实际量（Q10）低于所述参考量（R）时，将多个操作的马达泵单元（MP1, …, MPn）的速度朝向其最大操作速度增加。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其中马达泵单元（MP1, …, MPn）的马达包括被配置成提供速度反馈信号的变频驱动器，并且所述方法包括基于所述速度反馈信号控制所述马达泵单元（MP1, …, MPn）的所述旁通阀（V1, …, Vn）的步骤。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其包括如下步骤：对马达泵单元（MP1, …, MPn）建模以确定马达速度和泵流量之间的关系和/或确定马达转矩和泵压力之间的关系和/或确定马达转矩与所述共同汇合点（10）处的压力之间的关系。
6.根据权利要求1或2所述的方法，其中旁通阀（V1, …, Vn）是座阀、滑阀或可控泄压阀中的任一者。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其中马达泵单元（MP1, …, MPn）的泵被实现为以下中的任一者：内齿轮泵、外齿轮泵、轴向活塞泵。
8.根据权利要求1或2所述的方法，其中马达泵单元（MP1, …, MPn）包括被布置成确定其马达速度并且向所述控制器（11）提供反馈信号（FB1, …, FBn）的速度传感器。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其中马达泵单元（MP1, …, MPn）包括压力传感器，所述压力传感器布置在所述泵出口处并且被配置成向所述控制器（11）提供反馈信号（FB1,…, FBn）。
10.根据权利要求1或2所述的方法，其中所述控制器（11）被实现成从所述反馈信号（FB1, …, FBn）估计所述共同汇合点（10）处的压力和/或流量的值并且将所估计的量与参考量（R）进行比较。
11.一种风力涡轮机（4），其包括多个液压泵装置（1），其中，所述液压泵装置（1）包括连接到共同汇合点（10）的多个马达泵单元（MP1, …, MPn），其中所述液压泵装置（1）中的每一马达泵单元（MP1, …, MPn）包括：被实现成在其出口处提供加压流体的泵；被布置成驱动所述泵的马达；被构造成释放泵出口处的压力的旁通阀（V1, …, Vn）；并且其中所述液压泵装置（1）还包括控制器（11），所述控制器（11）被配置成从每一马达泵单元（MP1, …,MPn）接收反馈信号（FB1, …, FBn）并且基于马达泵单元（MP1, …, MPn）的马达速度致动所述马达泵单元（MP1, …, MPn）的所述旁通阀（V1, …, Vn）；并且
其中，所述液压泵装置根据权利要求1至10中任一项所述的方法被操作并且被构造成向液压转子叶片变桨系统（H1）和/或液压转子制动系统（H2）和/或服务起重机系统（H3）提供加压流体。
12.根据权利要求11所述的风力涡轮机，其中风力涡轮机控制器（40）被实现成针对每一消耗装置（H1、H2、H3）生成参考量（Q1, Q2, Q3）并且将所述参考量（Q1, Q2, Q3）发送到对应的液压泵装置（1）。
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