Analiza falownikowego napędu pompy hydraulicznej z silnikiem BLDC

XIV International PhD Workshop
OWD 2012, 20–23 October 2012
Analiza sprawności napędu elektrohydraulicznego
The efficiency analysis of the electro-hydraulic drive
Łukasz Zawarczyński, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach
(25.05.2011, dr hab. inż. Tadeusz Stefański, prof. PŚk, Politechnika Świętokrzyska w Kielcach)
Abstract
The efficiency of the electro-hydraulic drive using
the methods of volumetric control (change efficiency
of the pump) and throttling control (stifling the
flow) was compared. Changing the parameters of the
hydraulic executive element is possible by flow
throttling (unfavourable loses of power by heating)
or through volumetric control (the use of the pump
with variable displacement or pump with fixed
displacement and changing its rotary speed).
Experimental tests for the various conditions of
drive work in the open and closed loop control
system of hydraulic motor speed, flow and pressure
was done. Inverter and induction engine with small
moment of the inertia was used to drive through the
hydraulic pump. Examined drive were loaded with
hydraulic motor with enclosed mass.
Streszczenie
Analizowano
sprawność
napędu
elektrohydraulicznego dla dwu metod sterowania, tj.
objętościowego
(zmiana
wydatku
pompy)
i dławieniowego (dławienie przepływu). Badania
eksperymentalne przeprowadzono dla różnych
stanów pracy napędu w układzie otwartym
i w układach regulacji prędkości obrotowej wału
silnika hydraulicznego, przepływu cieczy roboczej
oraz jej ciśnienia. Do badań wykorzystano
falownikowy napęd pompy zębatej z silnikiem
indukcyjnym, a elementem wykonawczym układu
był silnik hydrauliczny obciążony bezwładnością
masy.
1. Wprowadzenie
Sterowanie parametrami hydraulicznego elementu
wykonawczego (silnika lub siłownika) jest możliwe
przez zastosowanie sterowania dławieniowego
(dławienie
przepływu)
lub
sterowania
objętościowego
(zmiana
wydatku
pompy).
Sterowanie objętościowe można zrealizować przez
zastosowanie pompy o zmiennej objętości
geometrycznej (duży koszt pompy), której prędkość
obrotowa jest stała, lub poprzez zastosowanie
pompy o stałej objętości geometrycznej (niski koszt
pompy) i zmianę jej prędkości obrotowej.
W hydraulicznych układach napędowych najczęściej
wykorzystuje się indukcyjny silnik asynchroniczny
zasilany z sieci, który bezpośrednio napędza pompę
o stałej objętości geometrycznej. Układ ten
charakteryzuje się brakiem możliwości zmiany
prędkości obrotowej pompy, a więc i jej wydatku.
Zmiana parametrów w tym układzie jest możliwa
jedynie przez zastosowanie dławienia przepływu
cieczy roboczej, gdzie większość jej energii
zamieniana jest na ciepło.
Klasyczny napęd pompy można zmodyfikować
przez zastosowanie falownika do zasilania silnika
indukcyjnego. Układ ten daje możliwość zmiany
prędkości silnika elektrycznego, a więc umożliwia
realizację sterowania objętościowego dla pompy
o stałej objętości geometrycznej. Obecnie większość
falowników posiada zaimplementowane podstawowe
metody sterowania prędkością i momentem silnika
elektrycznego, takie jak: U/f = const., FOC (FieldOriented Control), DTC (Direct Torque Control). Ponadto
algorytmy auto-dostrajania umożliwiają wyznaczanie
wartości parametrów regulatorów [1].
W ogólnym przypadku wydatek pompy jest
w przybliżeniu proporcjonalny do jej prędkości
obrotowej (pomijając sprawność objętościową
pompy) [2], [3]. Zastosowanie sterowania
objętościowego obniża koszty eksploatacyjne
napędu.
W pracy dokonano analizy sprawności napędu
elektrohydraulicznego przy wykorzystaniu metody
sterowania objętościowego i dławieniowego.
Określono sprawność dla różnych stanów pracy
napędu.
2. Analiza laboratoryjna napędu
Badania eksperymentalne sprawności napędu
elektrohydraulicznego wykonano dla wybranych
przypadków
sterowania
objętościowego
i dławieniowego, pracującego w układzie otwartym
i zamkniętym. Sterowanie objętościowe (Rys. 1a)
polega na zmianie wydatku pompy zębatej
3 o objętości geometrycznej 6cm3/obr, w wyniku
zmiany prędkości obrotowej silnika indukcyjnego
AC 1 (2,6kW, 80Hz, 5,5A) zasilanego z falownika
napięcia (11kW). Natomiast do sterowania
dławieniowego
(Rys.
1b)
zastosowano
proporcjonalny zawór regulacyjny 7 (DF Plus,
Parker). Na podstawie pomiarów wielkości
elektrycznych oraz hydraulicznych wyznaczano
zużycie energii elektrycznej przez silnik AC oraz
energii hydraulicznej pobieranej przez silnik
475
hydrauliczny 9, którego chłonność wynosi
4,9 cm3/obr. Silnik hydrauliczny obciążono masą 10
o momencie bezwładności 0,1 kgm2. Sterowanie
prędkością
obrotową
silnika
elektrycznego
realizowano przy pomocy skalarnej metody typu
U/f=const. [1].
a)
trójfazowego silnika elektrycznego (dla uzwojenia
silnika połączonego w gwiazdę):
Pel 
3 U N  I N  cos  N
1000
[kW ]
(2)
przy czym: UN – napięcie międzyfazowe, IN – prąd
fazowy.
Moc hydrauliczną oraz moc strat hydraulicznych
wyznaczono na podstawie zależności:
p  Q
(3)
Ph 
[kW ]
600
przy czym: Q – wartość przepływu [l/min], Δp –
spadek ciśnienia na danym elemencie, tj. silniku,
zaworze, przewodach hydraulicznych itp. [bar].
Ogólnie bilans mocy układu można przedstawić
następująco:
(4)
Pel  Pelstr  Pho  Phzaw  Phzl
gdzie: Pel – moc elektryczna pobierana z sieci, Pelstr –
moc strat elektrycznych w falowniku i silniku, Pho –
moc hydrauliczna pobierana przez silnik obciążony
masą, Phzaw – moc strat na zaworze, Phzl – moc strat
w części zlewowej układu. Dla określenia sprawności
otwartego układu elektrohydraulicznego wykonano
pomiary, na podstawie których wyznaczono
składniki
zależności
(4)
dla
sterowania
b)
objętościowego i dławieniowego z zaworem
regulacyjnym 7.
W przypadku sterowania objętościowego
zadawano
wartość
napięcia
sterującego,
proporcjonalnego do prędkości obrotowej silnika
elektrycznego (pompy). Podczas eksperymentu
zadano wartość napięcia u równą: 0.82, 1.64, 2.45,
3.27 i 4.08 V, co odpowiada prędkości wału silnika
hydraulicznego – 500, 1000, 1500, 2000 i 2500
obr/min. W przypadku sterowania dławieniowego
również zadawano napięcie proporcjonalne do
otwarcia zaworu regulacyjnego – 1,2, 1,5, 2, 2,5, 3,
3,5 i 4,5 V (Rys. 2b), co odpowiada otwarciu zaworu
na 22, 28, 37, 47, 56, 65, 84 %, przy czym pompa
obracała się ze stałą prędkością równą 2500
obr/min.
Eksperyment, zgodnie z oczekiwaniem, wykazał
dużo większą sprawność napędu przy sterowaniu
objętościowym (Rys. 2a, Rys. 2b). Zauważalny jest
Rys.1. Schemat połączeń hydraulicznych napędu dla
również wzrost sprawności przy zwiększaniu
sterowania a) objętościowego, b) dławieniowego.
prędkości obrotowej silnika hydraulicznego. Również
Fig.1. The schematic diagram of hydraulic connections
dla
większej
prędkości
obrotowej
silnika
for a) volumetric control, b) throttling control.
elektrycznego
straty
elektryczne
są
mniejsze
(P
elstr max
Do porównania efektywności metod sterowania
180
W).
Sumaryczne
zużycie
energii
w
układzie
określono współczynnik sprawności układu
otwartym jest niższe przy zastosowaniu sterowania
E
(1) objętościowego w odniesieniu do sterowania
  ho 100 [%]
Eel
dławieniowego, np.: dla prędkości silnika
przy czym: Eel – całkowita energia elektryczna hydraulicznego 2000 obr/min jest niższe o 38 %.
pobrana przez silnik w czasie pomiaru [kWh], Eho – a)
całkowita energia hydrauliczna pobrana przez silnik
hydrauliczny [kWh].
Moc elektryczną obliczono na podstawie
pomiarów wartości skutecznych napięcia i prądu
476
b)
Rys.3. Schemat blokowy układu regulacji prędkości masy
nm, przepływu Q i ciśnienia p dla a) sterowania
objętościowego, b) sterowania dławieniowego.
Fig.3. The shematic diagram of speed nm, flow Q,
pressure p control system for a) volumetric control,
b) throttling control.
a)
b)
b)
c)
Rys.2. Przebiegi czasowe mocy chwilowych oraz
sprawności układu otwartego dla sterowania a)
objętościowego, b) dławieniowego.
Fig.2. The time responses of power and efficiency in
open loop control system for a) volumetric control,
b) throttling control.
W czasie badań określono również sprawność
napędu elektrohydraulicznego w układzie regulacji
prędkości masy nm. Schemat blokowy układu
regulacji zamieszczono na Rys. 3. Parametry
regulatora PI układu regulacji prędkości masy
(a w dalszej kolejności także przepływu i ciśnienia)
wyznaczono dla zadanego położenia biegunów
układu zamkniętego [4], [5].
W układzie regulacji prędkości masy zadawano
wartość napięcia proporcjonalną do prędkości
obrotowej silnika hydraulicznego, tj.: 0.58, 1.16, 1.74,
2.33, 2.91 V, co odpowiada prędkości obrotowej
silnika hydraulicznego 500, 1000, 1500, 2000 i 2500
obr/min.
Napęd
w
układzie
sterowania
objętościowego wykazuje wyższą sprawność od 7 do
ponad 40% w stosunku do układu ze sterowaniem
dławieniowym (Rys. 4c).
a)
Rys.4. Przebiegi czasowe mocy chwilowej układu
regulacji prędkości masy dla sterowania
a) objętościowego, b) dławieniowego, c) diagram
sprawności napędu w układzie regulacji prędkości masy.
Fig.4. The time responses of power in mass speed control
system for a) volumetric control, b) throttling control,
c) the efficiency diagram of drive in mass speed control.
Na Rys. 5 zamieszczono diagram sprawności
napędu pracującego w układzie regulacji przepływu
cieczy roboczej, dla sterowania objętościowego
i dławieniowego. Wykonano pomiary mocy
w układzie regulacji przepływu Q dla zadanych
wartości: 4, 8, 12 l/min. Również w tym przypadku
sterowanie objętościowe pozwala zaoszczędzić od 14
do 56 % energii elektrycznej względem sterowania
dławieniowego.
477
oszczędność energii od 9 do ponad 30% względem
sterowania dławieniowego.
Rys.5. Sprawność napędu w układzie regulacji
przepływu.
Fig.5. The efficiency of drive in flow control system.
Wyznaczono również sprawność napędu
pracującego w układzie regulacji ciśnienia p na
zasilaniu silnika hydraulicznego (Rys. 1 6b). Diagram
sprawności napędu w układzie regulacji ciśnienia
zamieszczono na Rys. 6c.
a)
3. Podsumowanie
Wykonane eksperymenty wykazały wyższą
sprawność napędu ze sterowaniem objętościowym,
niezależnie od warunków pracy układu. Badania
pokazują,
że
sprawność
napędu
elektrohydraulicznego nie zależy tylko od metody
sterowania, ale również od warunków obciążenia,
w jakich pracuje układ. Przy małych wartościach
przepływu cieczy roboczej (ciśnienia lub prędkości
obrotowej silnika hydraulicznego) sprawność
całkowita jest porównywalna przy obydwu metodach
sterowania, a różnice sprawności są kilku
procentowe. W typowym przypadku, gdy układ
pracuje przy nominalnym obciążeniu, stosując
sterowanie objętościowe straty energii można
ograniczyć dwukrotnie.
Literatura:
1.
2.
b)
3.
4.
c)
5.
Stefański T., Zawarczyński Ł.: Analiza
porównawcza wybranych metod sterowania momentem i
prędkością kątową silnika indukcyjnego, Pomiary
Automatyka Kontrola, nr 12/2010, str. 14531456
Stefański T., Zawarczyński Ł.: Energooszczędny
napęd hydrauliczny z silnikiem indukcyjnym zasilanym
z falownika napięcia, Acta Mechanica et
Automatica, vol 4, nr 2/2010, str. 130-136
Stefański T., Zawarczyński Ł.: Sterowanie
natężeniem przepływu w układzie hydraulicznym z
falownikowym napędem pompy zębatej, Hydraulika i
Pneumatyka, nr 1/2012, str. 5-10
Stefański T., Zawarczyński Ł.: Sterowanie
przepływem i prędkością silnika hydraulicznego w
układzie z falownikowym napędem pompy, Napędy i
Sterowanie, nr 2/2012, str. 72-77
Stefański T., Zawarczyński Ł.: Model matematyczny
objętościowego układu sterowania przepływem,
Hydraulika i Pneumatyka, nr 4/2012, str. 18-23
Adres służbowy Autora:
mgr inż. Łukasz Zawarczyński
Politechnika Świętokrzyska w Kielcach
Al. Tysiąclecia Państwa Polskiego 7
25-314 Kielce
tel.: (41) 34 24 204
Rys.6. Przebiegi czasowe mocy chwilowej układu
regulacji ciśnienia dla sterowania a) objętościowego,
b) dławieniowego, c) diagram sprawności napędu
w układzie regulacji ciśnienia.
email: [email protected]
Fig.6. The time responses of power in pressure control
system for a) volumetric control, b) throttling control,
c) the efficiency diagram of drive in pressure control
system.
Referat współfinansowany w ramach Projektu p.t. "Program Rozwojowy
Potencjału Dydaktycznego Politechniki Świętokrzyskiej w Kielcach: Kształcenie
w nowoczesnych obszarach techniki" współfinansowanego przez Unię Europejską
w ramach EFS.
W układzie regulacji ciśnienia zadawano wartość
napięcia proporcjonalnego do ciśnienia p
(1V=50bar). Pomiary wykonano przy zadanym
napięciu u równym: 0.8, 1.6, 2 V, co odpowiada
wartości ciśnienia 40, 80, 100 barów. Również w tym
przypadku dla sterowania objętościowego występuje
478