-
Die vorliegende Erfindung betrifft elektrische
Hydraulikpumpen und insbesondere Steuersysteme für elektrische
Hydraulikpumpen.
-
Insbesondere betrifft die Erfindung ein
Hydraulikversorgungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein
Verfahren zum Betreiben eines solchen Systems gemäß dem
Oberbegriff des Anspruchs 5. Ein solches System und ein
solches Betriebsverfahren sind durch die US-A-5 141 402
bekannt.
VORBEKANNTE FLUGZEUG-HYDRAULIKSYSTEME
-
Herkömmliche kommerzielle Flugzeug-Hydrauliksysteme
verwenden triebwerkgetriebene Hydraulikpumpen, um einen
Systemdruck von ungefähr 20,7 MPa (3000 psi)
aufrechtzuerhalten, wohingegen Elektromotorpumpen als
Hilfs-Hydrauliksysteme arbeiten. Gegenwärtige Flugzeug-Elektrosysteme
sind Konstantspannung-/Konstantfrequenz-Systeme (115
VAC/400 Hz). Eine Versorgung von Elektromotorpumpen mit dieser
festgelegten Spannung/Frequenz führt zu einem
uneffizienten Betrieb der Elektromotorpumpen aufgrund der Tatsache,
dass diese mit einer hohen Geschwindigkeit rotieren
würden, wohingegen sie üblicherweise bei sehr geringer Last
betrieben werden, die keinen derartigen
Hochgeschwindigkeitsbetrieb erfordert.
STEUERPRINZIPIEN
-
Herkömmliche Flugzeug-Hydrauliksysteme verwenden eine
Anzahl von kombinierten
Elektroinduktionsmotor-Hydraulikpumpen-Einheiten als Quellen für Hilfshydraulikleistung.
Um den Systemhydraulikdruck zu regeln, wird der Druck
gemessen
und würde, falls der Wert wesentlich unter den
Referenzwert von ungefähr 20,7 MPa (3000 psi) fallen sollte,
eine Betätigung der Taumelscheibe in der Hydraulikpumpe
die Pumpenauslenkung erhöhen. Daraus folgt ein erhöhter
Fluss zu dem Hydrauliksystem und die Wiederherstellung des
Nennswerts des Systemdrucks. Wenn im Gegensatz der
Hydraulikdruck sich über den Referenzwert erhöht, würde die
Taumelscheibe in der Pumpe die Pumpenauslenkung und den Fluss
verringern. Der Taumelscheibenmechanismus sorgt für eine
rasche Sprungantwort und eine gute stationäre Steuerung
des Systems. Fig. 1 zeigt den ungefähren Abschnitt der
über der Auslenkung aufgetragenen Hydraulikpumpen-
Geschwindigkeitskurve, in dem herkömmliche Systeme
arbeiten. Fig. 2 zeigt eine typische Sprungantwort für diese
Art von System. Der Verlauf oben rechts der Fig. 2 zeigt,
dass eine Last auf das Hydrauliksystem bei t = 0,05
Sekunden wirkt. Als Reaktion auf den daraus folgenden
Druckabfall werden die Pumpenauslenkung und der Fluss von der
Taumelscheibe erhöht, um den Systemdruck aufrecht zu
erhalten. Die Pumpengeschwindigkeit und die von dem Motor
aufgenommene elektrische Leistung sind ebenso dargestellt.
Bei t = 1,55 Sekunden wird die Last von dem
Hydrauliksystem entfernt, was für ein Ansteigen des Systemdrucks
sorgt. Als Folge verringert die Taumelscheibe die
Pumpenauslenkung und den Fluss, um den Systemdruck nahe dem
Referenzwert von ungefähr 20,7 MPa (3000 psi) zu halten.
-
Es gibt ein wesentliches Problem, das mit diesem
herkömmlichen Steuerverfahren verbunden ist, und zwar dass der
Induktionsmotor, der die Hydraulikpumpe antreibt, ständig
von einer 115 VAC-400-Hz-Quelle versorgt wird. Folglich
wird der Induktionsmotor und die Pumpe im Wesentlichen bei
konstanter Geschwindigkeit betrieben, die nur geringfügig
von der Systemlast verändert wird. Ungefähr 80 bis 90% der
Zeit sind die Motorpumpen minimal belastet. Daher arbeitet
der Induktionsmotor an einem Punkt geringer Effizienz, und
die Hydraulikpumpe dreht sich mit einer hohen Geschwindigkeit
(üblicherweise ungefähr 6000 UpM), was zu einem
starken Geräusch und einer verringerten Pumpenlebensdauer
führt.
-
Ein weiteres Problem ist der starke Impuls, den der
Induktionsmotor auf das elektrische Versorgungssystem beim
Start ausübt. Die Anfahrströme eines Induktionsmotors
bewegen sich zwischen dem Vierfachen und dem Sechsfachen des
Nennstroms, bis der Motor auf Geschwindigkeit gekommen
ist, wodurch eine wesentliche Verringerung der
Systemspannung verursacht wird. Derzeit werden in dem elektrischen
System Relais vorgesehen, um einen versetzten Start dieser
Elektromotorpumpen mittels einer einzigen Quelle zu
ermöglichen. Diese zusätzlichen Relais haben einen nachteiligen
Einfluss auf die Zuverlässigkeit und die Wartbarkeit des
Systems.
-
Die oben genannte Druckschrift US-A-5 141 402 aus dem
Stand der Technik offenbart bereits eine Hydraulikpumpe
mit veränderbarer Auslenkung, die von einem Elektromotor
unter der Steuerung einer Pumpensteuerung angetrieben
wird. Diese Pumpensteuerung empfängt Signale von Sensoren
für zahlreiche relevante Parameter, wie beispielsweise den
Pumpenausgangsdruck, den Pumpenausgangsfluss und die
Stellung der Taumelscheibe in der Pumpe, und erzeugt
Steuersignale, die für die gewünschten Werte für diese Parameter
bezeichnend sind. Auf diese Weise arbeitet die
Pumpensteuerung als Rückkopplungssteuerung, die die erfasste
Geschwindigkeit als Rückkopplungssignal für die Steuerung
der Frequenz der Wechselstromversorgung für den
Elektromotor und den erfassten Ausgangsdruck als
Rückkopplungssignal für die Steuerung der Amplitude der Stromversorgung
des Motors verwendet. Die erfasste Auslenkung der
Taumelscheibe wird als Rückkopplungssignal für den
Auslenkungsteuermechanismus in der Pumpe verwendet.
-
Dieses bekannte Hydraulikversorgungssystem ist für den
Gebrauch in stationären Hydrauliksystemen, wie
beispielsweise einem System zum Betreiben einer Spritzgussmaschine,
beschrieben. Diese Druckschrift aus dem Stand der Technik
gibt einen Hinweis auf die Art und Weise, in der die
Auslenkung der Pumpe und die Geschwindigkeit des
Elektromotors in Abhängigkeit der veränderlichen Anforderung
verändert wird.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
-
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein
verbessertes Hydraulikversorgungssystem zu schaffen, das eine
schnelle Dynamikantwort sowohl während der Beaufschlagung
als auch der Entfernung von Last aufweist. Gemäß der
vorliegenden Erfindung wird dies bei einem
Hydraulikversorgungssystem mit den Merkmalen des Oberbegriffs des
Anspruchs 1 dadurch erreicht, dass die Steuerschaltmittel so
eingerichtet sind, dass sie die Geschwindigkeit des
Elektromotors in Abhängigkeit eines Wechsels der
Systemanforderung mit einer Rate verändert, die langsamer als die
ist, mit der die Pumpenauslenkung verändert wird.
-
Indem zuerst die Pumpenauslenkung und die Geschwindigkeit
des Elektromotors nur später verändert wird, kann das
Hydrauliksystem sehr schnell auf Veränderungen der
Systemanforderung antworten.
-
Der Motor wird bei einer verringerten Geschwindigkeit
betrieben, wenn die Anforderung gering ist, um die
Lebensdauer des Motors und der Pumpe zu verlängern. Die Pumpe
mit veränderbarer Auslenkung ermöglicht die Verwendung
eines Steuerverfahrens, das für eine schnelle Antwort auf
rasche Wechsel der Anforderung sorgt.
-
Da sie eine Motorsteuerung verwendet, ist die vorliegende
Erfindung weiterhin in der Lage, die Motorpumpe weich zu
starten, wobei dadurch die hohen Anfahrströme vermieden
werden. Darüber hinaus weist die Erfindung das
vorteilhafte Merkmal auf, kompatibel zu einem Leistungssystem mit
variabler Frequenz zu sein.
-
Vorteilhafte Ausführungsformen des
Hydraulikversorgungssystems der vorliegenden Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen 2 bis 4 definiert.
-
Die Erfindung hat weiterhin die Aufgabe, ein verbessertes
Verfahren zum Betreiben eines Hydraulikversorgungssystems
zu schaffen. Zu diesem Zweck stellt die Erfindung ein
Verfahren mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 5
bereit, das dadurch gekennzeichnet ist, dass die
Geschwindigkeit des Motors mit einer geringeren Rate als die
Auslenkung der Pumpe verringert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
-
Fig. 1 ist ein anschauliches Diagramm des Abschnitts der
über den Auslenkungsverlauf aufgetragenen
Hydraulikpumpengeschwindigkeit des Betriebsbereichs von früheren
Systemen;
-
Fig. 2 ist ein anschauliches Diagramm einer typischen
Sprungantwort von früheren Systemen;
-
Fig. 3 ist ein anschauliches Diagramm des Abschnitts der
über den Auslenkungsverlauf aufgetragenen
Hydraulikpumpengeschwindigkeit des Betriebs eines möglichen Verfahrens
zur Steuerung der Motorpumpe, bei dem die Stellung der
Taumelscheibe fest ist und daher der Pumpenfluss nur eine
Funktion der Motorgeschwindigkeit ist;
-
Fig. 4 ist ein Blockdiagramm eines ersten
Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Steuersystems, das die Taumelscheibenauslenkung
als ein Element in dem
Rückkopplungssystem verwendet;
-
Fig. 5 ist ein Blockdiagramm eines zweiten
Ausführungsbeispiels des vorgeschlagenen Steuersystemes, das den
Motorstrom in der Rückkopplungsschleife verwendet;
-
Fig. 6 ist ein Diagramm, das den Abschnitt der über den
Auslenkungsverlauf aufgetragenen
Hydraulikpumpengeschwindigkeit des Betriebs für die erste Ausführungsform des
vorgeschlagenen, in Fig. 4 dargestellten Steuersystems;
-
Fig. 7 zeigt anschauliche Diagramme einer schnellen
Dynamikantwort bei veränderlicher Taumelscheibe sowohl während
der Einwirkung als auch dem Entfernen von Last für das in
Fig. 4 dargestellte erste Ausführungsbeispiel des
Steuersystems der vorliegenden Erfindung; und
-
Fig. 8 zeigt anschauliche Diagramme einer schnellen
Dynamikantwort bei veränderlicher Taumelscheibe sowohl während
der Einwirkung als auch der Entfernung von Last für das in
Fig. 5 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel des
Steuersystems der vorliegenden Erfindung.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Alternative Ansätze zur Hydraulikmotorpumpensteuerung
-
Ein geeigneter Steueransatz würde den Betrieb der
Motorpumpe bei einer verringerten Geschwindigkeit beinhalten,
wenn sie leicht belastet ist (Bedingungen geringen
Flusses). Dies würde die Motoreffizienz und die
Pumpenlebensdauer erhöhen, wobei das Pumpengeräusch verringert wird.
-
Dies kann erreicht werden, indem eine Motorsteuerung
zwischen dem Versorgungssystem für elektrische Leistung und
dem Eingang des Induktionsmotors eingefügt wird. Bei den
Bedingungen geringen Flusses würde die Elektromotorpumpe
mit einer geregelten Leistung von der Motorsteuerung
versorgt werden, die die Elektromotorpumpe bei einer geringen
Geschwindigkeit antreiben würde. Die Verluste der
Motorpumpe und das Geräusch der Hydraulikpumpe würden sich
verringern, und die Hydraulikpumpenlebensdauer würde
wesentlich ansteigen.
-
Während den Bedingungen eines hohen Flusses würde die
Elektromotorpumpe bei hohen Geschwindigkeiten betrieben
werden, um die Systemanforderungen zu erfüllen. Der
Geschwindigkeitsanstieg würde von einem Wechsel der
geregelten Leistung bedingt, die von der Motorsteuerung an den
Motor geliefert wird.
-
Zwei mögliche Ansätze zur Elektromotorpumpensteuerung sind
anschließend beschrieben. Der
Festauslenkung-Hydraulikpumpe/Variable-Geschwindigkeit-Motor beschreibt eine
Steuertechnik, die eine feste Auslenkung der Hydraulikpumpe
mit einem Motor variabler Geschwindigkeit verwendet. Die
Veränderliche-Auslenkung-Hydraulikpumpe/Variable-Geschwindigkeit-Motor beschreibt ein erstes und ein zweites
Ausführungsbeispiel der vorgeschlagenen Steuertechnik, die
eine Pumpe mit variabler Auslenkung und einen Motor mit
variabler Geschwindigkeit verwendet. Ein Vergleich dieser
Verfahren zeigt, dass der Festauslenkungpumpe/Variable-
Geschwindigkeit-Motor signifikante Betriebsprobleme
aufweist, wohingegen beide Versionen der Variable-Auslenkung-
Pumpe/Variable-Geschwindigkeit-Motor die beste Lösung
anbieten.
Festauslenkung-Hydraulikpumpe/Variable-Geschwindigkeit-
Motor
-
Ein mögliches Verfahren zur Steuerung der Motorpumpe kann
sein, die Stellung der Taumelscheibe in der Hydraulikpumpe
festzulegen und aus diesem Grund den Pumpenfluss ausschließlich
von der Motorgeschwindigkeit abhängig zu
machen. Fig. 3 zeigt den Verlauf der über der Auslenkung
aufgetragenen Hydraulikpumpengeschwindigkeit, bei dem das
System arbeiten würde. Dies kann gemacht werden, um die
Anforderungen an den stationären Fluss zu erfüllen.
Allerdings weist dieser Ansatz wie nachstehend beschrieben
einige ernsthafte Probleme auf.
-
Der erste Punkt von Interesse ist, dass bei dem Betrieb
einer Festauslenkungspumpe in einem Festdrucksystem es
erforderlich ist, dass der Elektromotor ein geregeltes
Drehmoment liefert und daher die ganze Zeit geregelten
Strom entnimmt. Dies kann zu übermäßiger Hitze und
Belastung in dem Motor und seiner Steuerung führen.
-
Ein zweiter Punkt von Interesse ist, dass die
Motorgeschwindigkeit sehr gering (< 5 bis 10%) sein würde, wenn
ein sehr kleiner Fluss vom System erfordert ist. Als Folge
kann die Hydraulikflüssigkeit nicht für genug Befeuchtung
für die Hydraulikpumpe sorgen, wodurch der Aufbau eines
für eine angemessene Schmierung ausreichend dicken Films
verhindert wird. Dies kann eine Verschlechterung der
Pumpenlebensdauer und der Betriebscharakteristiken
verursachen.
-
Ein weiterer Faktor gegen dieses Steuerverfahren betrifft
das dynamische Antwortverhalten des Systems. Frühere
Systeme sind in der Lage, schnell auf
Hydrauliksystemdruckveränderungen zu reagieren, da es nur eine Bewegung der
kleinen Taumelscheibe beinhaltet. Eine Hydraulikpumpe mit
einer festen Taumelscheibe kann jedoch die Durchflussrate
nur durch eine Veränderung der Motorpumpengeschwindigkeit
verändern. Die Kombination aus Motor und Pumpe stellt eine
verhältnismäßig große Trägheit dar, die zu einer trägen
Impulsantwort führt.
Veränderliche-Auslenkung-Hydraulikpumpe/Variable-Geschwindigkeit-Motor
-
Ausführungsformen eines Steuersystems gemäß dem
vorgeschlagenen Verfahren beinhalten eine Kombination einer
Pumpe mit veränderlicher Auslenkung und einen Motor mit
veränderlicher Geschwindigkeit. Es wird wieder eine
Motorsteuerung zur Steuerung der Geschwindigkeit des Motors
benötigt, jedoch ist der Fluss auch von der Stellung der
Taumelscheibe abhängig, die nicht fest ist.
-
Dieses Verfahren überwindet alle diese Probleme, die für
die oben beschriebene Motorsteuerung mit fester Auslenkung
und variabler Geschwindigkeit festgestellt wurden, und
erreicht eine Sprungantwort, die vergleichbar mit der des
früheren Hydrauliksystems ist. Blockdiagramme für das
erste und das zweite Ausführungsbeispiel des vorliegenden
Steuersystems sind in der Fig. 4 bzw. in der Fig. 5
dargestellt. Die Auslenkung der Taumelscheibe wird als ein
Element in dem Rückkopplungssystem für das erste
Ausführungsbeispiel in Fig. 4 verwendet, wohingegen die
Verwendung des Motorstroms in der Rückkopplungsschleife das im
Blockdiagramm in Fig. 5 dargestellte zweite
Ausführungsbeispiel kennzeichnet.
-
In dem in Fig. 5 dargestellten zweiten
Ausführungsbeispiel würde, wenn der Motorstrom oder gegebenenfalls der
Motorsteuerungsstrom als primäres Rückkopplungssignal
verwendet wird, eine zusätzliche Druckrückkopplung
erforderlich sein, um einen Betrieb der Motorpumpe mit hohen
Geschwindigkeiten und damit hohem Fluss für stark
verringerten Systemdruck zu erreichen. Ohne diese Schleife würde
die Stromschleife die Pumpengeschwindigkeit und den Fluss
nicht schnell erhöhen, um den Systemdruck
wiederherzustellen, da die Eingangsleistung des Motors aufgrund des
verringerten Systemdrucks ebenfalls gering sein würde. Ebenfalls
ist zu beachten, dass für Nenn-Hydrauliksystemdruck
die Druckschleife inaktiv sein würde.
-
Fig. 6 zeigt den Abschnitt des über der Auslenkung
aufgetragenen Verlaufs der Hydraulikpumpengeschwindigkeit, bei
dem das System für das erste Ausführungsbeispiel arbeiten
würde. Der über dem Strom aufgetragene
Geschwindigkeitsverlauf, der den Betrieb für die zweite Ausführungsform
charakterisieren würde, würde eine sehr ähnliche Form
aufweisen. Der dargestellte Geschwindigkeits-Auslenkungs-
Verlauf dient der Veranschaulichung, jedoch ist der
Verlauf für ein aktuelles System gemäß den
Hydrauliksystemanforderungen und den Pumpenleistungen gewählt. Wenn das
Hydrauliksystem einen hohen Flüssigkeitsfluss erfordert,
würde der Motor bei einer hohen Geschwindigkeit arbeiten
und die Stellung der Pumpen-Taumelscheibe wäre bei
vollständiger Auslenkung. Der Betrieb des Systems wäre dann
auf den Bereich oben rechts in dem Verlauf in Fig. 6
eingeschränkt. Auf der anderen Seite ist für die meiste Zeit
der erforderliche Pumpenfluss sehr gering, so dass die
Motorgeschwindigkeit und die Pumpenauslenkung verringert
werden kann. Das System würde dann in dem Abschnitt unten
links des Verlaufs in Fig. 6 arbeiten.
-
Für beide Ausführungsformen der Steuerung hat der Betrieb
der Motorpumpe im Bereich der geringen Geschwindigkeit
Vorteile gegenüber dem für das System der festen
Auslenkung, was hier oben beschrieben ist. Bei geringem Fluss
wird die Motorgeschwindigkeit so ausgewählt, dass
ausreichend Befeuchtung für die Hydraulikpumpe für eine
Vollfilmschmierung erreicht wird. Ebenso muss der Motorstrom
nicht länger unabhängig von den Flussanforderungen wie im
Fall für die Festauslenkungspumpen in der Nähe des
Nennwerts sein. Die Betätigung der Taumelscheibe sorgt dafür,
dass die Motorpumpe während Betriebsbedingungen geringen
Flusses entlastet wird. Der Motor und die Pumpe können
daher bei einer geringen Geschwindigkeit betrieben werden,
ohne dass der Motor ein hohes Drehmoment gegen den
Systemdruck liefern muss.
-
Ein einzigartiges Merkmal des vorliegenden Steuersystems
ist, dass es einen Vorteil aus der variablen Taumelscheibe
zieht, um eine schnelle Dynamikantwort sowohl während dem
Auftreten als auch dem Entfernen von Last erreicht. Dies
wird von den Ergebnissen von Computersimulationen
bewiesen, die in den Fig. 7 und 8 für das erste bzw. das
zweite Ausführungsbeispiel dargestellt sind. Vor dem
Auftreten der Last wird angenommen, dass der Motor bei
ungefähr 40% Geschwindigkeit läuft und die Taumelscheibe
beieinem geringen Auslenkungswert ist. Der Betrieb ist im
Bereich unten links der Fig. 6. Wenn Fluss verlangt wird,
bewegt sich die Taumelscheibe schnell, um den Pumpenfluss
zu erhöhen, um den Systemdruck aufrecht zu erhalten.
Mittlerweise wird die Motorgeschwindigkeit mit einer etwas
langsameren Rate erhöht und erreicht schließlich einen
optimalen Wert. Die Koordination zwischen der
Motorgeschwindigkeit und der Taumelscheibenstellung geschieht
automatisch, während die Motorgeschwindigkeit ansteigt, um den
Systemdruck und den Fluss aufrecht zu erhalten.
-
Wenn die Anforderung an den Fluss steigt, bewegt sich die
Taumelscheibe schnell in eine Stellung, die den
Flussanforderungen entspricht, wohingegen die
Motorgeschwindigkeit bei einer wesentlich langsameren Rate abnimmt. Diese
allmähliche Abnahme der Motorgeschwindigkeit verhindert
Rückkopplungsenergieprobleme, die bei Systemen mit fester
Auslenkung auftreten. Veränderungen der
Motorgeschwindigkeit und die Stellung der Taumelscheibe werden automatisch
koordiniert, um einen korrekten Betrieb auf dem Abschnitt
unten links auf dem über der Auslenkung aufgetragenen
Geschwindigkeitsverlauf zu erreichen. Wie das
Simulationsergebnisse angeben, ist das Motorpumpensprungvermögen nahe
an dem für das in Fig. 2 dargestellte frühere System.
-
Ein zusätzlicher Vorteil von der Verwendung einer
Motorsteuerung ist, dass das Starten einer Elektromotorpumpe
nicht mehr zu einem hohen Startstrom führt. Die
Motorsteuerung erlaubt es dem Induktionsmotor, mittels eines
"weichen Starts" mit einem vernachlässigbaren Einfluss auf
das Elektroleistungssystem zu beschleunigen. Das Starten
von mehreren Motoren von einer einzigen Quelle würde dann
keine zusätzlichen Komponenten erfordern, um die
Startsequenz der Motoren in dem System zu steuern.
-
Wie aus dem Vorstehenden ersehen werden kann, bewahren die
vorliegenden Steuersystem-Ausführungsformen eine gute
Sprung- und stationäre Systemleistung.