李鵬和， 馮克溫， 郝云曉， 張紅娟， 權(quán) 龍

(太原理工大學(xué) 新型傳感器與智能控制教育部和山西省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 山西 太原 030024)

引言

液壓機(jī)是用于壓縮工件使其發(fā)生塑性變形的機(jī)器，其特點(diǎn)是滑塊質(zhì)量大和工進(jìn)負(fù)載力大，而且能量損耗嚴(yán)重。ZHAO Kai等[1]對(duì)液壓機(jī)能耗的根源進(jìn)行了深入研究，結(jié)果表明，整機(jī)能量利用效率僅為7%，造成液壓機(jī)能效低下的主要原因是裝機(jī)功率與需求功率不匹配，次要原因是重力勢(shì)能的浪費(fèi)[2]。液壓機(jī)的基本動(dòng)作是液壓缸帶動(dòng)滑塊的一維運(yùn)動(dòng)，即空程下放、工件加工(工作行程)和回程提升。裝機(jī)功率需要滿足工作行程的最大功率，同時(shí)又服務(wù)于非工作行程。然而，在整個(gè)工作周期中，非工作行程占相當(dāng)大的比例，導(dǎo)致裝機(jī)功率與所需功率不匹配，造成大量能量浪費(fèi)[3]。液壓機(jī)在空程下放的過(guò)程中，滑塊的重力勢(shì)能等能量減少，但沒(méi)有做有效功，而是轉(zhuǎn)化為熱量耗散，引起了大量重力勢(shì)能、動(dòng)能和液壓能的浪費(fèi)。因此，液壓機(jī)節(jié)能的途徑有2個(gè)，即功率匹配和能量再生[4-5]。

為了解決功率不匹配問(wèn)題，可以為液壓系統(tǒng)配備變速電機(jī)和變量泵，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)所有工作點(diǎn)的高效跟蹤[6-7]；也可以利用飛輪儲(chǔ)能系統(tǒng)在非工作行程儲(chǔ)存冗余能量，在工件加工行程釋放能量，進(jìn)而降低裝機(jī)功率[8]。近年來(lái)，人們從液壓機(jī)組的角度入手，通過(guò)共享由幾個(gè)驅(qū)動(dòng)區(qū)域組成的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，驅(qū)動(dòng)多臺(tái)工況順次銜接的液壓機(jī)來(lái)匹配功率[9-10]，并且通過(guò)調(diào)度功率不同的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分區(qū)，縮短了空載時(shí)間，減少了空載流量，提高了液壓機(jī)的能效[11-12]。

有的學(xué)者還從液壓系統(tǒng)的角度解決功率不匹配問(wèn)題。液壓系統(tǒng)可分為閥控和泵控系統(tǒng)，閥控系統(tǒng)由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本較低，得到了廣泛應(yīng)用，為了避免功率不匹配，閥控系統(tǒng)常常采用負(fù)載敏感技術(shù)[13]，但依然存在節(jié)流損失；泵控系統(tǒng)能很好避免控制閥的能量損失，但泵控非對(duì)稱缸需要解決流量不匹配問(wèn)題[14-15]。目前較有發(fā)展前景的是，采用變轉(zhuǎn)速電機(jī)帶動(dòng)泵馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)執(zhí)行器[16]，既能實(shí)現(xiàn)功率實(shí)時(shí)匹配，還能實(shí)現(xiàn)能量回收。

能量再生的實(shí)現(xiàn)途徑有3個(gè)：機(jī)械存儲(chǔ)、液壓存儲(chǔ)和電氣存儲(chǔ)[17]。機(jī)械存儲(chǔ)是指將空程下放的重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為飛輪的動(dòng)能，或者轉(zhuǎn)移為另一臺(tái)液壓機(jī)滑塊回程提升的重力勢(shì)能[18]，這屬于機(jī)械能內(nèi)部的變換，效率較高，但是控制性能較差；液壓存儲(chǔ)是指將重力勢(shì)能轉(zhuǎn)化為液壓能回收到蓄能器里并在加工行程釋放出來(lái)[19-21]，這也是能量回收最常見(jiàn)的方式；電氣存儲(chǔ)是指將能量回收到超級(jí)電容或蓄電池[22-23]，其優(yōu)勢(shì)在于對(duì)能量的再利用具有很好的可控性，但要求機(jī)器驅(qū)動(dòng)單元裝配的是電機(jī)而不能是內(nèi)燃機(jī)。

液壓機(jī)電氣化應(yīng)用勢(shì)必是未來(lái)發(fā)展的大趨勢(shì)，但很少有學(xué)者在電氣存儲(chǔ)方面進(jìn)行能量再生的研究。為此，本研究引入了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)進(jìn)行液壓機(jī)能量再生研究。為了解決功率不匹配問(wèn)題，采用了伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的泵控非對(duì)稱缸液壓系統(tǒng)，為了應(yīng)對(duì)液壓機(jī)負(fù)載力大的問(wèn)題和充分發(fā)揮電機(jī)的性能，本研究采用了雙排量液壓泵，對(duì)液壓機(jī)的工作循環(huán)進(jìn)行了階段劃分和工況分析；制定了儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略對(duì)能量進(jìn)行回收和再利用；搭建了帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的液壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)對(duì)液壓機(jī)能效特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究；搭建了仿真模型進(jìn)一步開(kāi)展液壓機(jī)運(yùn)行與能效特性的仿真研究。

1 系統(tǒng)方案

1.1 系統(tǒng)方案的基本組成

圖1為系統(tǒng)方案原理圖，主要由液壓系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)單元和儲(chǔ)能系統(tǒng)3部分組成。液壓系統(tǒng)包括雙排量泵馬達(dá)、液控單向閥、蓄能器和液壓缸，用于產(chǎn)生壓力帶動(dòng)滑塊壓縮工件；驅(qū)動(dòng)單元包括伺服驅(qū)動(dòng)器和永磁同步電機(jī)，用于為液壓泵提供動(dòng)力；儲(chǔ)能系統(tǒng)包括雙向DC-DC 變換器和超級(jí)電容，用于能量回收與再利用。

圖1 系統(tǒng)方案原理圖Fig.1 Schematic diagram of system scheme

1.2 液壓機(jī)工況分析

圖2所示為液壓機(jī)的1個(gè)工作周期，后文中以時(shí)間為橫軸的圖均與此圖時(shí)間對(duì)應(yīng)，其中，實(shí)線為設(shè)定的液壓缸速度v曲線，虛線為設(shè)定的液壓缸位移x曲線。

液壓機(jī)的工作過(guò)程可分為3種工況8個(gè)階段：空程下放(加速、勻速、減速)、工件加壓(加壓、保壓)、回程提升(加速、勻速、減速)：

(1) 空程下放 液壓缸有桿腔為高壓，無(wú)桿腔為低壓，液壓泵將液體從高壓的有桿腔泵送到低壓的無(wú)桿腔，屬于超越負(fù)載工況，此時(shí)液壓泵處于馬達(dá)工況，給予伺服電機(jī)主軸動(dòng)力，故電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)；

(2) 工件加壓 液壓缸無(wú)桿腔需要很大的壓力才能壓縮工件，此時(shí)液壓泵轉(zhuǎn)換為小排量泵，將液體從低壓的有桿腔泵送到壓力很大的無(wú)桿腔，此時(shí)電機(jī)處于電動(dòng)狀態(tài)；

(3) 回程提升 液壓缸有桿腔處于高壓狀態(tài)，液壓泵將液體從低壓的無(wú)桿腔泵送到高壓的有桿腔，故電機(jī)需要提供動(dòng)力，處于電動(dòng)狀態(tài)。

圖2 液壓機(jī)的工作周期Fig.2 Working cycle of hydraulic press

2 儲(chǔ)能系統(tǒng)策略

2.1 能量管理策略

當(dāng)液壓機(jī)的用電功率變化時(shí)，電機(jī)母線電壓會(huì)隨之波動(dòng)，當(dāng)回收能量時(shí)電機(jī)發(fā)電，母線上的濾波電容會(huì)積累電荷導(dǎo)致母線電壓迅速飆升。母線電壓的劇烈波動(dòng)會(huì)影響電機(jī)工作的可靠性，為了維持母線電壓的相對(duì)穩(wěn)定，制定了如圖3所示滯環(huán)儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略，在電機(jī)發(fā)電時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)充電以回收能量，在電機(jī)峰值功率時(shí)儲(chǔ)能系統(tǒng)放電以補(bǔ)充能量：

圖3 儲(chǔ)能系統(tǒng)能量管理策略Fig.3 Energy management strategy for energy storage system

(1) 當(dāng)母線電壓高于降壓閾值Ubuck時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于降壓充電模式，但只有當(dāng)電壓升高到降壓觸發(fā)值Uup以上才會(huì)觸發(fā)充電模式啟動(dòng)，啟動(dòng)后母線電壓會(huì)下降，但只有當(dāng)電壓下降到Ubuck以下才會(huì)觸發(fā)充電模式停止；

(2) 當(dāng)母線電壓低于升壓閾值Uboost時(shí)，儲(chǔ)能系統(tǒng)處于升壓放電模式，但只有當(dāng)電壓降低到升壓觸發(fā)值Udown以下才會(huì)觸發(fā)放電模式啟動(dòng)，啟動(dòng)后母線電壓會(huì)上升，但只有當(dāng)電壓上升到Uboost以上才會(huì)觸發(fā)放電模式停止。

在本研究中，電機(jī)母線電壓的標(biāo)準(zhǔn)值U0為542 V，為了較好地觸發(fā)能量的回收與再利用，取Uup=570 V，Ubuck=550 V，Uboost=535 V，Udown=530 V。

2.2 功率控制策略

在能量管理策略中，最重要的就是控制儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量回收和輔助供電功率，其功率控制策略如圖4所示。

圖4 儲(chǔ)能系統(tǒng)功率控制策略Fig.4 Power control strategy of energy storage system

在空程下放工況，電機(jī)發(fā)電，母線電壓急劇升高，此時(shí)需要控制雙向DC-DC變換器將電能回收到超級(jí)電容中。但是，如果回收的功率太小則不能使母線電壓恢復(fù)期望水平，也會(huì)造成能量浪費(fèi)；如果回收的功率太大則超級(jí)電容會(huì)從電網(wǎng)取電，導(dǎo)致能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)增多，降低能量利用率。為了使能量回收功率能夠適應(yīng)發(fā)電功率，以母線電壓為控制對(duì)象，采用PID控制方法來(lái)控制能量回收功率，然而PID反饋算法存在一定的滯后，尤其是當(dāng)被控對(duì)象發(fā)生劇烈變化時(shí)，PID的穩(wěn)定性偏差。因此，進(jìn)一步結(jié)合了前饋控制算法以避免出現(xiàn)劇烈變化的情況。

在工件加壓工況，電機(jī)處于峰值功率，超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的輔助供電功率的控制思想也跟能量回收時(shí)一致，在此不再贅述。

3 液壓機(jī)能效特性試驗(yàn)

為了研究液壓機(jī)空程下放工況的能效特性，提取液壓機(jī)的主要結(jié)構(gòu)，并利用加載缸的恒力模擬滑塊的重力，搭建了如圖5所示帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的液壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)，其中滑塊的質(zhì)量為150 kg，超級(jí)電容的容值為5 F。

圖5 帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的液壓機(jī)試驗(yàn)臺(tái)Fig.5 Hydraulic press test bench with energy storage system

試驗(yàn)采集了液壓機(jī)在空程下放工況下電機(jī)的功率P，如圖6所示，電機(jī)的發(fā)電功率約為800 W，經(jīng)過(guò)計(jì)算，在空程下放時(shí)，電機(jī)的發(fā)電能量為868 J。

圖6 電機(jī)在空程下放工況的功率Fig.6 Generating power of motor in empty range

圖7為空程下放時(shí)進(jìn)行能量回收時(shí)母線電壓uh的變化，可以看出，母線電壓經(jīng)過(guò)振蕩后會(huì)穩(wěn)定在570 V 左右，不再上升到700 V以上，說(shuō)明制動(dòng)電阻沒(méi)有導(dǎo)通，電機(jī)發(fā)電的能量沒(méi)有被消耗掉，而母線電壓保持相對(duì)穩(wěn)定，說(shuō)明發(fā)電的能量均已被儲(chǔ)能系統(tǒng)回收。

若不對(duì)電機(jī)發(fā)電的這部分能量進(jìn)行回收，那么母線上的濾波電容就會(huì)因?yàn)殡姾煞e累導(dǎo)致母線電壓急劇飆升到700 V以上，從而觸發(fā)制動(dòng)電阻導(dǎo)通消耗電能。這不僅造成了能量浪費(fèi)，還增加了系統(tǒng)的散熱負(fù)擔(dān)。因此，本研究提出的儲(chǔ)能系統(tǒng)方案，一方面對(duì)能量進(jìn)行回收，另一方面還能起到維持母線電壓的相對(duì)穩(wěn)定的作用。

圖7 能量回收時(shí)母線電壓的變化Fig.7 Change of bus voltage during energy recovery

圖8為滑塊空程下放階段能量回收時(shí)超級(jí)電容電壓uSC的變化，根據(jù)電容能量計(jì)算公式，可以算出在1個(gè)周期內(nèi)實(shí)際回收到儲(chǔ)能裝置的能量為688 J，而電機(jī)的發(fā)電能量為868 J，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量回收效率為79.3%。

圖8 能量回收時(shí)超級(jí)電容電壓的變化Fig.8 Change of super capacitor voltage during energy recovery

4 液壓機(jī)運(yùn)行與能效特性仿真分析

超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)與液壓機(jī)產(chǎn)生聯(lián)系的紐帶是直流母線。將儲(chǔ)能系統(tǒng)的高壓端接入液壓機(jī)的電機(jī)母線端，構(gòu)成了本研究帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的液壓機(jī)，其仿真模型如圖9所示，由液壓機(jī)和超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，并由三相電源供電。

圖9 帶儲(chǔ)能系統(tǒng)的液壓機(jī)仿真模型Fig.9 Simulation model of hydraulic press with energy storage system

4.1 液壓機(jī)運(yùn)行特性

圖10為液壓缸位移x響應(yīng)特性，可以看出，在空程和回程階段，液壓缸的實(shí)際位移與設(shè)定位移緊密跟隨；在工件加壓階段，由于有很大的負(fù)載力，實(shí)際位移稍微落后，但是在位置反饋閉環(huán)的補(bǔ)償下，在工件保壓階段能夠精準(zhǔn)地停在指定位置，使工件加工具有良好的加工質(zhì)量。

圖10 液壓缸位移響應(yīng)特性

圖11為使用單排量泵與雙排量泵時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩T的對(duì)比，可以看出，使用單排量(45 mL/r)液壓泵時(shí)，其電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩為169 N·m，而使用雙排量(28, 45 mL/r)液壓泵時(shí)， 其電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩為105 N·m，大大減低了對(duì)電機(jī)負(fù)載的要求。當(dāng)使用單排量泵時(shí)，其排量受到電機(jī)峰值轉(zhuǎn)矩的限制，不能選取太大，因而在空程和回程時(shí)的速度就受到了限制。因此，本研究選用雙排量泵的意義在于，當(dāng)液壓機(jī)在空程和回程階段，用大排量可以大大提高液壓缸的運(yùn)行速度，從而節(jié)省非工作行程的時(shí)間，提升工作效率；在工件加壓階段，用小排量可以大幅度減小對(duì)電機(jī)轉(zhuǎn)矩的要求，減小電機(jī)體積、重量和成本。不僅如此，雙排量泵的使用還減小了電機(jī)在工作行程與非工作行程的功率差，使得電機(jī)在整個(gè)工作周期都更靠近高效工作區(qū)。

圖11 電機(jī)轉(zhuǎn)矩對(duì)比Fig.11 Contrast of motor torque

4.2 液壓機(jī)能效特性

圖12為電機(jī)在整個(gè)工作周期中的功率曲線，空程下放階段為發(fā)電狀態(tài)，其他階段為電動(dòng)狀態(tài)。在電機(jī)發(fā)電時(shí)，如果不對(duì)能量進(jìn)行回收，那么母線上的濾波電容就會(huì)因?yàn)殡姾煞e累而使得母線電壓迅速飆升到七百多伏，從而觸發(fā)制動(dòng)電阻導(dǎo)通，消耗能量抑制電壓繼續(xù)上升。但是制動(dòng)電阻消耗發(fā)電能量轉(zhuǎn)化為熱量，不僅降低了系統(tǒng)的能量利用效率，而且增加了系統(tǒng)的散熱負(fù)擔(dān)。因此，本研究引入了超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)對(duì)電機(jī)發(fā)電的能量進(jìn)行回收再利用。

圖12 電機(jī)在整個(gè)工作周期中的功率Fig.12 Power of motor during its entire operating cycle

電機(jī)的功率和儲(chǔ)能系統(tǒng)的功率會(huì)直接影響母線電壓的高低。圖13為整個(gè)工作周期能量補(bǔ)償前后母線電壓的變化曲線，能量補(bǔ)償前，儲(chǔ)能系統(tǒng)只對(duì)電機(jī)發(fā)電能量進(jìn)行回收，能量補(bǔ)償后，儲(chǔ)能系統(tǒng)既對(duì)發(fā)電能量進(jìn)行回收又對(duì)系統(tǒng)峰值功率進(jìn)行補(bǔ)充。

在空程下放工況，電機(jī)發(fā)電，母線電壓會(huì)迅速飆升。根據(jù)圖3可知，當(dāng)母線電壓大于570 V時(shí)會(huì)啟動(dòng)Buck充電模式，使得母線電壓穩(wěn)定在570 V左右。此時(shí)不再有電荷積累，母線電壓不再上升，說(shuō)明電機(jī)發(fā)的電均被儲(chǔ)能系統(tǒng)吸收。

在工件加壓工況，電機(jī)功率較大，線路阻導(dǎo)致母線電壓下降得比較嚴(yán)重。因?yàn)閾p耗功率與阻抗上電壓的平方成正比，在峰值功率時(shí)線路阻抗會(huì)消耗更大部分的能量，從而降低了能量利用效率。若此時(shí)能從直流母線直接補(bǔ)充電能，則可提升母線電壓并降低線路損耗。如圖13所示，可以看出儲(chǔ)能系統(tǒng)的能量補(bǔ)償使得工件加壓階段母線電壓得到了提高。

圖13 能量補(bǔ)償前后母線電壓變化Fig.13 Bus voltage changes before and after energy compensation

在回程提升工況，電機(jī)功率不大，并不會(huì)觸發(fā)圖3所示儲(chǔ)能系統(tǒng)能量回收與補(bǔ)償?shù)臈l件，因此儲(chǔ)能系統(tǒng)不工作。

圖14為母線電壓與超級(jí)電容電壓對(duì)照?qǐng)D，可以看出，儲(chǔ)能系統(tǒng)在液壓機(jī)工作的整個(gè)周期的能量管理，在空程下放發(fā)電階段，將滑塊的動(dòng)勢(shì)能和蓄能器的液壓能轉(zhuǎn)換為電能回收到超級(jí)電容；在工件加壓峰值功率階段，將超級(jí)電容的能量釋放以補(bǔ)償母線所需的電能，降低對(duì)電網(wǎng)的功率沖擊，減小線路阻抗的電能損耗。從圖14中的超級(jí)電容電壓計(jì)算出存入到超級(jí)電容中的能量為588 J，而從圖12計(jì)算得電機(jī)發(fā)電能量為739 J，故儲(chǔ)能系統(tǒng)的回收效率為79.6%。

圖14 母線電壓與超級(jí)電容電壓變化Fig.14 Changes of bus voltage and super capacitor voltage

圖15為使用儲(chǔ)能系統(tǒng)前后液壓機(jī)能耗E的對(duì)比，經(jīng)計(jì)算可知，加入儲(chǔ)能系統(tǒng)后，液壓機(jī)的能耗降低了6.9%。

圖15 使用儲(chǔ)能系統(tǒng)前后液壓機(jī)能耗對(duì)比Fig.15 Comparison of energy consumption of hydraulic press before and after using energy storage system

5 結(jié)論

本研究提出了帶超級(jí)電容儲(chǔ)能系統(tǒng)的雙排量泵-馬達(dá)閉式驅(qū)動(dòng)液壓機(jī)方案，經(jīng)過(guò)仿真與試驗(yàn)研究，得出了以下結(jié)論：

(1) 本研究提出的方案能夠回收空程下放超越負(fù)載工況下電機(jī)發(fā)電能量，儲(chǔ)能系統(tǒng)回收效率約為79.3%，降低整機(jī)能耗的6.9%；

(2) 制定的能量管理策略能起到穩(wěn)定母線電壓的作用，從而減小峰值功率時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊，增強(qiáng)系統(tǒng)可靠性，并且減小線路阻抗對(duì)電能的消耗；

(3) 雙排量液壓泵能夠大幅度減小對(duì)電機(jī)最大轉(zhuǎn)矩的需求，同時(shí)提高非工作行程的運(yùn)行速度，提升整機(jī)工作效率。