矢量变频液压容积节流调速系统研究

　　大功率、大转动惯量液压系统在矿山机械,工程机械中有广泛应用,其调速方式一般采用变量泵控定量马达容积调速方式。此容积调速因没有节流,效率较高,但也存在系统结构复杂、节能效果不理想、调速特性差、调速范围小等问题[1]。交流变频调速技术依靠改变供电电源的频率,可实现电机转速的调节,具有高效节能、调速范围宽的优势。将电机交流变频调速技术和传统液压容积调速技术组合而成的变频液压调速技术,是一种从动力源头考虑功率匹配的全局型的新型节能动力系统[1~4]。它相对于传统的容积调速具有如下几个方面的优点:简化系统、调速范围宽、节能性更好、易于实现计算机控制等。变频液压技术是解决传统液压动力设备尤其是大功率、大惯量液压动力设备效率低、系统复杂等缺点的一条行之有效的途径,但其也存在响应速度慢,低速稳定性差,调速精度不高等缺点[1, 4]。选择带矢量控制[5]的变频器进行变频液压容积调速,较大程度地提高电机转轴的速度刚度,有利于提高调速精度;在低速阶段采用比例调速阀进行旁路节流调速,以提高低速阶段的系统响应速度和稳定性,由此形成了矢量变频液压容积节流调速系统。

　　笔者建立这种复合调速系统的试验系统模型,以PLC为控制器进行变频调速和节流调速,通过采集卡采集各类信号,建立了基于LABVIEW的状态显示系统,并在不同频率上限,不同转动惯量,不同负载的情况下,进行了液压马达转速的动态试验。

　　1　矢量变频液压容积节流调速试验系统模型

　　如图1所示,该系统主要由驱动系统,液压容积节流调速系统,加载系统组成[6]。驱动系统由变频器11和变频电机10组成;液压容积节流调速系统主要包括定量泵9和定量马达24组成的闭式液压容积调速回路及由比例节流阀12组成的旁路节流调速回路[7];加载系统加载泵27实现对系统加载,负载大小由比例溢流阀32控制,大惯量回转体26,用于模拟试验系统的大惯量,转动惯量的大小可根据需要增减,补油泵38给加载泵供油用。

　　对于变频泵控马达系统,由于液压泵都有一定稳定转速,当泵的转速低于其最低稳定转速时,泵输出流量和压力不稳,无法正常工作。同样对于变频电机来说,当转速低于某一值时,其建立的电磁转矩无法驱动负载。同时系统刚启动时常为满负载作业,要求马达在极低转速下能够驱动负载,这对于变频泵控马达系统是难以实现的。为保证系统能在低速重载下稳定作业,在主泵的出口处并联了一个比例调速阀12,当主泵在其最低稳定转速下工作时,通过比例调速阀调节马达的速度。当比例调速阀完全关闭并且马达转速达到相应转速后,切换至变频调速,从而实现矢量变频液压容积调速和旁路节流调速相结合复合调速系统。同时比例调速阀的存在,增加了系统的泄油通道,可以有效避免系统启动时的冲击,且节流调速响应快,提高了液压马达的低速调速性能。为了提高变频液压调速的调速范围,主泵不宜选用大排量,低转速,而应选用小排量,高转速。本系统中主泵排量为11·6 mL/r,最高转速为2900 r/min,同时马达选用低速大转矩马达,其排量选为468 mL/r,加载泵与马达参数相同。