基于变频调速的汽车专用液压控制系统

张超 赵颖淼 郭卓识

（机械工业第九设计研究院股份有限公司，长春 130011）

1 概述

目前大多数工厂里的液压站是使用普通电机，不论机床是否满负荷，工作液压站电机都在额定转速下运行，故液压动力传动的能量利用率不高，整机系统的效率较低，因此，节能一直是液压动力传动中的主要研究方向之一[1]。随着能源要求的日益高涨，有效活用能源和降低噪声已成为液压行业的最大目标，在汽车行业中尤为显著。电机变频调速技术依靠改变供电电源的频率就可实现对执行机构的速度调节，使电机始终处于高效率的工作状态。将电机频率调速技术用于液压系统还可以克服液压系统的一些缺点，可以简化液压回路、减少液压系统的能量损失、提高系统效率、降低噪声等，其中最重要的是减少液压系统的能量损失，提高整个系统的效率[2]。

2 交流变频调速技术

交流变频调速通过改变电机的供电频率或定子电压，或者同时改变供电频率和定子电压达到调速的目的。考虑变频器控制异步电动机调速系统，电机的实际转速计算见公式（1）。

式中，n为电机转速（r/min）；f为电源频率（Hz），我国工业频率为50 Hz；p为电机定子磁极对数；s为转差率。

由上式可以看出，在保证转差率s和磁极对数p不变的情况下，电机转速n与电源频率f成正比，即通过改变异步电动机的供电频率f就能改变电动机的转速，从而实现调速。这种通过改变电源频率实现交流电动机调节的过程称为交流电动机变频调速技术。

3 变频调速用于汽车专用设备液压控制系统

以底盘部件—下控制臂铰链孔翻边机（用于汽车装配线）为例，说明变频调速在汽车专用设备液压控制系统中的应用。该翻边机是通过气动、液压控制装置分别对左、右下控制臂铰链孔进行翻边，为下一工序的下控制臂铰链压装机提供合格的压装件。

3.1 下控制臂翻边机介绍

下控制臂铰链孔翻边机主要由工作台、床身及翻边机构、日光灯及光栅支架、输送工作台及输送机构、气动、液压控制装置、电气控制装置组成。

工作循环：首先操作者将工件放到移动工作台的定位夹具上定位（工件在位/检测开关、工件左右识别开关有信号），然后按下双手按钮，设备开始自动工作。翻边孔定位、升降气缸下降到位后，移动工作台前进到位，下凹模移动气缸前进到位，上凹模移动气缸前进到位，两凹模锁紧气缸前进，同时将2 个凹模锁紧。中间锁定板驱动油缸前进到位后，延时2 s 后，小孔压头油缸前进，对小铰链孔进行找正后翻边，到位后（小孔油缸保压）大孔压头油缸前进，对大铰链孔翻边，延时2 s 后，大孔压头油缸先退回，然后小孔压头油缸退回，翻边完毕。中间锁定板驱动油缸退回，2 个凹模锁紧气缸退回，2 个凹模移动气缸退回，移动工作台气缸退回到位，翻边孔定位、升降气缸上升到位，操作者将工件卸下，完成一个工作循环。

3.2 下控制臂翻边机液压站分析

该设备液压系统的工作过程有主运动、辅助运动和待机3 部分组成。主运动为压头油缸工作部分，所用时间称为主运动时间；辅助运动为所有气缸工作和工人上、卸件部分；待机为翻边机不工作，生产线上其他设备工作阶段。规定后两部分所有总时间统称为辅助时间。

翻边机所使用的液压站在选择电动机时是按照最大压装力20 kN 来选择的，但是在所有辅助时间内翻边机都是处于空载状况下，导致电动机效率不高，能源浪费。要想提高设备的整机效率，应该把电动机提供的功率和负载所需要的功率相匹配，这种从系统的角度和全局的观点来考虑液压动力设备的节能问题就是固定液压动力设备的全局负载敏感和全局功率匹配。

变频调速技术主要是通过调节电动机频率改变转速减少叶片泵的排量，从而降低功率节省能耗[3]。对于该台设备，主要是在辅助时间内调节电动机的频率来减少泵的排量进而降低功率。将变频技术融入原有的液压系统控制中，更合理的利用能源，满足机床工作循环中对能源的不同需求，开发出既能满足工作节拍又节约能源的液压控制系统。

3.3 设备控制系统的设计

通过变频器调节电动机频率改变转速减少叶片泵的排量，从而降低功率节省能耗。在没有采用变频技术的情况下，电机是在额定转速下运行，电机频率为工频50 Hz，泵打出的流量一直为额定流量；当采用变频技术的条件下，由变频器的设定参数可知，变频器可使电机的频率降低到10 Hz，即辅助时间内电机频率为10 Hz。对于该台设备，主要是在辅助时间内调节电动机的频率来减少泵的排量进而降低功率。

3.4 设备控制系统节能分析

下控制臂翻边机的生产工作节拍为所有油缸运动时间之和+所有气缸运动时间之和+工人操作时间。设定液压站工作时间t0=11.3s，气动部分工作时间t1=12.5s，工人操作时间t2=30s，则设备生产的工作节拍tz=53.8 s。

系统采用双联叶片泵供油系统，其中在压装时间内2 个泵同时向系统供油；当处于辅助时间时，大小泵低压卸荷。由该系统叶片泵的型号PV2R13-14-76 可知小泵的公称排量为14 mL/r，大泵的工程排量为76 mL/r，电机YVF2-200L1-6 的额定转速nD=980 r/min，p=18.5 kW。

因此，经计算，小泵的理论流量QN1=13.72 L/min；大泵的理论流量QN2=74.48 L/min ；泵的总流量QZ=QN1′+QN2′=88.2 L/min 。

a.在没有采用变频技术的情况下，电机是在额定转速下运行，泵打出的流量一直为额定流量QZ。

在压装时间内，大小泵同时工作，从设计要求可知，系统使用压力pq为7 MPa，总效率η1=0.85，此时的功率P1计算见公式（2）。

经计算，P1=12 kW。

在辅助时间内，大小泵都低压卸荷，流量为QZ=88.2 L/min，查产品样本《油研液压机器2006》先导控制溢流阀流量—卸荷压力特性和最低调节压力特性图可得，当流量为88.2 L/min 时，卸荷压力pX为0.45 MPa，取压力损失pS为0.3 MPa，此时的总效率η2=0.15 ，此时的功率P2计算见公式（3）。

经计算，P2=7.4 kW。

若按一天工作16 h 计算，所消耗的电量计算见公式（4）。

式中，N1为压装时间耗电量；N2为辅助时间耗电量；Nz为总耗电量。

经计算，N1=40.3 kW·h；N2=93.5 kW·h；Nz=133.8 kW·h。

b.当采用变频技术的条件下，由变频器的设定参数可知，变频器可使电机的频率降低到10 Hz，即辅助时间内电机频率为10 Hz。

当电机频率为10 Hz 时，由公式（1）经计算得，此时的电机转速n0=200 r/min。

在辅助时间内，此时的流量，Q′z=18 L/min 同样查表可得此时的卸荷压力为0.35 MPa，总效率，此时的功率计算见公式（5）。

式中，P′x为卸荷功率；P′s为辅助功率。

若按一天工作16 h 计算，所消耗的电量计算见公式（6）。

综上可得，该设备使用变频技术后的节能效率k见公式（7）

经计算，k=51%。

4 研究成果总结及应用领域分析

4.1 总结

a.变频液压调速回路是具有实际应用价值的，从技术角度上是完全可行。与变量泵调速回路相比，避免了在低速轻载时异步电机效率低的问题，可以有效地提高回路效率，节省能量形成一种新型液压调速回路；

b.变频调速回路具有交流变频调速的一系列优点，例如实行矢量控制、转矩补偿和滑差补偿获得较高的调速精度，还有可以数字量输入，便于计算机控制技术的介入[4]；

c.变频调速回路的泵和电机绝大多数时间在基频下运行，避免长期高速下运行，有效减少磨损和系统噪音，提高液压泵的使用寿命；

d.避免变量泵调速回路所需自动调节流量的伺服控制机构要求的油液清洁度。由电机来改变定量泵的转速调节流量，提高了油液的抗污染能力；

e.可以降低回路的造价，与日本产品比较，一台变频器加定量泵比一台能达到同样调速性能的变量泵成本降低约10%。

4.2 应用领域分析

a.小功率情况下，交流变频调速系统控制方便、节能效果好、成本低、占用空间小；

b.液压系统中采用的异步电动机变频技术调速效率高、调速性能好，可以在大功率间歇运动的调速系统中广泛应用，例如各个车间里辅助时间很长的翻边机、压装机设备，节能效果更为显著；

c.变频技术在液压系统中的应用使定量泵代替了变量泵，降低了系统对环境和油液的要求，该复合调速系统综合了交流变频技术和液压技术的优点[5]。

5 结束语

随着电机变频调速技术的日渐成熟和电力电子及控制技术的进一步发展，矢量型变频器的价格将有所下降，应用将更加普及。由于变频液压动力系统是一种从动力源头考虑功率匹配的全局型节能动力系统，在重载、轻载及无载时，变频液压动力系统的效率明显地高出传统的容积控制系统[6]，毫无疑问，变频液压技术将会得到进一步发展，变频液压动力系统的应用领域将会大大拓广，新的更有效的补偿变频液压动力系统慢时变特性对输出影响的措施将会被提出。