周泉 劉浩杰

(武漢理工大學(xué) 汽車工程學(xué)院，湖北武漢 430072)

0 引言

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力能源需求增長很快，盡管電力能源工業(yè)發(fā)展較快，但能源供需仍比較緊張。由于我國是人口大國，人均資源較少。因此從長遠(yuǎn)考慮，在開發(fā)能源的同時(shí)，應(yīng)注重能源的節(jié)約，節(jié)約能源在我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)中具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。

自動(dòng)扶梯作為一種方便的運(yùn)輸工具，己經(jīng)越來越多地出現(xiàn)在公共建筑中，如商場、車站、機(jī)場等。一般來說，自動(dòng)扶梯每天的運(yùn)行時(shí)間都在10小時(shí)以上，但只有很少的時(shí)間是在額定負(fù)載的情況下運(yùn)行，不少扶梯大多數(shù)時(shí)間都處于空載和輕載情況下運(yùn)行，耗費(fèi)了大量電能。特別是在城市軌道交通系統(tǒng)中，上述情況顯得尤為嚴(yán)重。因此，研究自動(dòng)扶梯采用什么樣的節(jié)能方式運(yùn)行，對(duì)我國完成節(jié)能減排的戰(zhàn)略目標(biāo)具有重要的意義。另外，自然界中還存在諸多其他形式的往復(fù)式運(yùn)動(dòng)，諸如汽車在路面行駛的上下振動(dòng)、船只在水域行駛的振動(dòng)等。

如何將這些運(yùn)動(dòng)所耗散的能量進(jìn)行高效率的回收是亟待解決的問題。而“液壓整流系統(tǒng)+穩(wěn)壓處理電路”的聯(lián)合整流橋方案能有效解決振動(dòng)能量回收的問題［1］。該方案具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、工作可靠等優(yōu)勢，是一種高效率的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)饋能裝置。本文將研究一種新的能量反饋機(jī)制，并將其應(yīng)用到電梯傳動(dòng)系統(tǒng)中，以節(jié)省資源開銷，對(duì)于建設(shè)節(jié)約型社會(huì)具有一定的價(jià)值。

1 相關(guān)工作

近幾年，眾多的學(xué)者對(duì)能量反饋機(jī)制進(jìn)行了研究［1-3］，比如，文獻(xiàn)［4］提出一種新型能量回饋式VVVF液壓電磁速度控制系統(tǒng)，并對(duì)電梯上升和下降速度控制中的溫度控制、電梯下行過程控制中的壓力平衡、下降能量回收率等設(shè)計(jì)過程中的一系列問題進(jìn)行了詳細(xì)探討和試驗(yàn)研究。試驗(yàn)結(jié)果表明，能量回饋式VVVF液壓電梯同傳統(tǒng)的閥控液壓電梯相比具有控制性能優(yōu)、節(jié)能效果顯著等特點(diǎn)。文獻(xiàn)［5］設(shè)計(jì)出一種新型的制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)及相應(yīng)控制策略，從而顯著降低混合動(dòng)力城市客車的油耗并保證車輛的制動(dòng)安全。以某型混合動(dòng)力城市客車為研究對(duì)象，基于開關(guān)閥和制動(dòng)防抱系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)以及蓄電池儲(chǔ)能裝置設(shè)計(jì)出一種新型串聯(lián)式制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)氣壓制動(dòng)力和回饋制動(dòng)力的協(xié)調(diào)控制、ABS系統(tǒng)與回饋制動(dòng)系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制;基于Matlab/Simulink軟件建立制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)的仿真模型，對(duì)制動(dòng)能量回收系統(tǒng)在不同控制策略下進(jìn)行中國典型城市公交循環(huán)的仿真分析;在基于dSPACE實(shí)時(shí)硬件平臺(tái)及制動(dòng)系統(tǒng)硬件組成的制動(dòng)能量回饋試驗(yàn)臺(tái)架上，測試分析回饋制動(dòng)力與氣壓制動(dòng)力以及ABS系統(tǒng)的協(xié)調(diào)控制關(guān)系。結(jié)果表明，所研發(fā)的制動(dòng)能量回饋系統(tǒng)安全可靠，ABS系統(tǒng)能夠獨(dú)立工作而不受新增系統(tǒng)的影響;回饋制動(dòng)力與摩擦制動(dòng)力能很好地調(diào)節(jié)，最大限度地發(fā)揮能量回饋能力;能量回饋效果顯著，中國典型城市公交循環(huán)的制動(dòng)能量回收率在50%以上。文獻(xiàn)［6］提出了一種基于TMS320LF2407A和IPM(智能功率模塊)全數(shù)字雙SVPWM控制能量回饋電梯傳動(dòng)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案。文中首先介紹了主電路及其工作原理，然后著重描述了兩個(gè)變換器的控制方案和系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì);最后給出了原型機(jī)的運(yùn)行結(jié)果。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)電路簡單，功率因數(shù)高，電流電壓諧波小，節(jié)能效果明顯。

本文在借鑒了前人工作的基礎(chǔ)上，提出了一種新的“液壓整流系統(tǒng)+穩(wěn)壓處理電路”的聯(lián)合整流橋方案能有效解決振動(dòng)能量回收的問題，仿真實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的方案是有效的，將其應(yīng)用到電梯傳動(dòng)控制中能夠達(dá)到節(jié)能的目的。

2 “液壓整流系統(tǒng)+穩(wěn)壓處理電路”的工作原理

本方案主要由液壓整流系統(tǒng)以及穩(wěn)壓處理電路兩部分組成。原理如圖1所示。

圖1 工作原理圖

液壓整流系統(tǒng)由能量回收部分和液壓傳動(dòng)系統(tǒng)組成，能量回收部分用于回收振動(dòng)能量，將振動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞的上下運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)液體產(chǎn)生液壓流，是整個(gè)系統(tǒng)的能量來源。通過液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中單向閥、高壓油路以及蓄能器控制液體流向以及穩(wěn)定液壓，最后驅(qū)動(dòng)液壓馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。穩(wěn)壓處理電路中的電機(jī)在馬達(dá)的帶動(dòng)下發(fā)電，通過改變負(fù)載大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)電功率和系統(tǒng)阻力的控制。

總的來說，該方案是一種運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換裝置，將直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)(振動(dòng))產(chǎn)生的機(jī)械能回收轉(zhuǎn)化為可利用的電能。下面依據(jù)該方案對(duì)其中各個(gè)組成部分的特性進(jìn)行詳細(xì)闡述。

3 振動(dòng)激勵(lì)下的運(yùn)動(dòng)特性

本方案中的振動(dòng)源采用正弦激勵(lì)，參數(shù)設(shè)置為:行程=100 mm，頻率 =1.67 Hz，則正弦激勵(lì)函數(shù)為 s=0.05sin(3.34πt)。單向閥的開啟壓力為0.03 MPa～0.05 MPa，而工作回路中的液壓最大可達(dá)4 MPa，遠(yuǎn)大于單向閥的開啟壓力，因此單向閥對(duì)液流的阻抗可以忽略不計(jì)。通過實(shí)踐論證，在該參數(shù)下，蓄能器采用2 MPa的初始?jí)毫梢詽M足較好的穩(wěn)流作用，即可以將流量穩(wěn)定在一個(gè)較小的區(qū)間中。圖2為經(jīng)過整流橋作用后進(jìn)入液壓馬達(dá)前的液體時(shí)間-壓力曲線。

圖2 液壓馬達(dá)進(jìn)口端壓力圖

4 發(fā)電機(jī)特性

本文論證的饋能機(jī)構(gòu)選用永磁式直流無刷電機(jī)，其特點(diǎn)為(1)動(dòng)態(tài)響應(yīng)快。(2)控制性能好。(3)體積小、重量輕、損耗小。(4)效率高，效率可達(dá)92.4%。

4.1 發(fā)電機(jī)功率特性-轉(zhuǎn)速負(fù)載特性

發(fā)電機(jī)的發(fā)電功率與負(fù)載電流、發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速相關(guān)。通過可變負(fù)載控制負(fù)載電流在0-30 A進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，采集到了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速分別為500 r/min、1 000 r/min、1 500 r/min、2 000 r/min、2 500 r/min下不同時(shí)間的發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)功率，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)繪制圖3所示的發(fā)電機(jī)功率特性曲線。

圖3 發(fā)電機(jī)功率特性曲線圖

因此可以得出結(jié)論，在負(fù)載電流一定的情況下發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，發(fā)電功率越大。根據(jù)功率平衡方程(1-3)，其中P2=U×I為發(fā)電機(jī)輸出電功率，因此發(fā)電的電壓越高。除此之外，可以通過改變負(fù)載端的電流，理論上是可以實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的穩(wěn)定控制。當(dāng)負(fù)載電流為25 A時(shí)，發(fā)電功率可達(dá)到1 323.06 W。

4.2 發(fā)電機(jī)效率特性

直流發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。任何能量轉(zhuǎn)換裝置，在進(jìn)行能量的轉(zhuǎn)換過程中都會(huì)有損耗，可以從負(fù)載試驗(yàn)或損耗測定中確定效率大小來恒量發(fā)電機(jī)的性能。

則發(fā)電機(jī)電機(jī)效率如圖4所示。

圖4 發(fā)電機(jī)效率曲線

圖4中，縱坐標(biāo)表示發(fā)電機(jī)效率，橫坐標(biāo)表示負(fù)載電流。從圖中可以得到結(jié)論，在電流一定的情況下，發(fā)電機(jī)的效率與轉(zhuǎn)速相關(guān)，在負(fù)載電流為25 A，發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速為2 500 r/min時(shí)，發(fā)電機(jī)效率為99.3%。

5 液壓馬達(dá)

液壓馬達(dá)為本機(jī)構(gòu)中的重要執(zhí)行機(jī)構(gòu)，將整流橋輸出端的液流轉(zhuǎn)化成為圓周運(yùn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電，其選型的原則為(1)正常工作壓力匹配回路中的液體壓力。(2)能將轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一個(gè)較高的范圍內(nèi)。(3)具有一定的安全保護(hù)作用。下面將對(duì)液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速進(jìn)行計(jì)算

假設(shè)，液壓馬達(dá)的轉(zhuǎn)速n，流量qt，排量V，則有

另外考慮到可能存在泄露問題，實(shí)際所需流量q等于理論流量qt加上泄露流量Δq，因此液壓馬達(dá)的容積效率可以表示為

根據(jù)公式(1)和(2)可得，液壓馬達(dá)的實(shí)際轉(zhuǎn)速為

依據(jù)公式(3)，設(shè)置液壓馬達(dá)排量為10 cc/r，壓縮阻力滿足要求，液壓馬達(dá)允許的最大排量為40升/分鐘。則可求得ηV=0.9，V=10 cc/r=10-6m3/r。

最后，本文進(jìn)行了AMEsim仿真實(shí)驗(yàn)，得出液壓馬達(dá)速度特性-速度時(shí)間曲線圖，如圖5。

圖5 液壓馬達(dá)速度特性-速度時(shí)間曲線圖

如圖5可知，通過單向閥止回橋和蓄能器的聯(lián)合作用，可將振幅50 mm，頻率1.67 Hz的直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)化為所選的液壓馬達(dá)2.3 kr/min到2.6 kr/min的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，與永磁式直流無刷發(fā)電機(jī)直接剛性連接，理論上該機(jī)構(gòu)可以以95%以上的發(fā)電效率，產(chǎn)生1 KW以上的電能。

綜上所述，本文提出的“液-電混合整流橋”裝置，能夠?qū)崿F(xiàn)將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為可以驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以較穩(wěn)定的轉(zhuǎn)速工作的功能。在結(jié)構(gòu)方面，本方案采用現(xiàn)有的液壓缸、單向閥、蓄能器、油缸、液壓馬達(dá)和發(fā)電機(jī)等零件，只需根據(jù)設(shè)計(jì)選用，無需單獨(dú)設(shè)計(jì)制造，設(shè)計(jì)成本低廉。該機(jī)構(gòu)通過單向閥和蓄能器的混合作用，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)液體的整流和穩(wěn)流，并能夠推動(dòng)液壓馬達(dá)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。在發(fā)電性能方面，本方案能夠?qū)⒁簤厚R達(dá)的轉(zhuǎn)速控制在2.3 kr/min到2.6 r/min，并通過剛性連接，驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)以 2.5 kr/min左右的轉(zhuǎn)速工作，而目前為止的其他機(jī)構(gòu)都無法使發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在一個(gè)較高的轉(zhuǎn)速值上。同時(shí)，通過處理電路，控制負(fù)載端電流在25A左右。根據(jù)發(fā)電機(jī)特性曲線，可以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)長時(shí)間在其高效率發(fā)電區(qū)域內(nèi)工作，可實(shí)現(xiàn)對(duì)電池的充電，實(shí)現(xiàn)回收能量的儲(chǔ)存。下面將介紹本方案在電梯控制領(lǐng)域的應(yīng)用。

6 面向電梯傳動(dòng)控制系統(tǒng)的應(yīng)用

根據(jù)以上基礎(chǔ)的方案，進(jìn)行了節(jié)能測試，應(yīng)用的電梯規(guī)格為1 600 kg，2.5 m/s，凈功率27.58 kW，控制系統(tǒng)的直流電壓穩(wěn)態(tài)值630 V，允許的最大電流波動(dòng)0.15ImJ。，允許的最大電壓波動(dòng)0.006 Udc，電壓環(huán)控制器輸出的最大限幅電流300 A。選取電網(wǎng)側(cè)電感L=1.1 mH，直流側(cè)電容C=5 600 μF。IPM選擇三菱的PM300DSAl20。

電梯滿載上行時(shí)測量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)為電源輸入側(cè)有效功率25.995 kW，電源輸入側(cè)功率因數(shù)0.996 8，電源輸入側(cè)電壓有效值368.14 V，電源輸入側(cè)電流有效值40.506 A，電網(wǎng)頻率50 Hz，電動(dòng)機(jī)輸入側(cè)有效功率23.52 kW，電動(dòng)機(jī)輸入側(cè)功率因數(shù)0.845 2，效率 90.50%。

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，電梯滿載上行時(shí)效率為90.5%，電源側(cè)的功率因數(shù)為0.996 8，可近似認(rèn)為電源側(cè)功率因數(shù)為1。實(shí)驗(yàn)時(shí)電源側(cè)電壓總諧波畸變率≤5%，奇次諧波電壓含有率≤4%，偶次諧波電壓含有率≤2%，諧波較不可控整流的電梯系統(tǒng)有較大幅度的下降。

讓電梯空載在1樓、9樓、17樓之間連續(xù)運(yùn)行7天，測試結(jié)果顯示電能消耗為625 kW·h，而相同規(guī)格的不可控整流的電梯系統(tǒng)在同等條件下電能消耗為834 kw·h，新系統(tǒng)節(jié)能效果明顯。實(shí)驗(yàn)波形如圖6所示。

圖6 原型機(jī)滿載上行時(shí)系統(tǒng)輸入、輸出電壓與電流波形

7 結(jié)束語

本文提出了一種新的“液壓整流系統(tǒng)+穩(wěn)壓處理電路”的聯(lián)合整流橋方案來有效解決震動(dòng)能量回收的問題。并通過一系列的仿真實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了方案的有效性。下一步的研究工作主要是通過進(jìn)一步研究和參數(shù)選定，將其應(yīng)用到汽車減震器的饋能、混合動(dòng)力傳動(dòng)控制系統(tǒng)等領(lǐng)域。

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