车载液压发电机组瞬态指标控制研究.pdf

2 0 1 5年 7月 第 4 3 卷 第 1 4期 机床与液压 MACHI NE TOOL HYDRAULI CS J u 1 ． 2 01 5 Vo 1 ． 4 3 No ． 1 4 DOI 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 1 3 8 8 1 ． 2 0 1 5 ． 1 4 ． 0 4 2 车载液压发电机组瞬态指标控制研究 邹炳 燕 天津中德职业技术学院，天津 3 0 0 3 5 0 摘要介绍了车载液压发电机组典型液压控制回路及瞬态指标的影响因素 ，为了提高长管路动态响应频率低的液压发 电机组瞬态指标 ，提出了具体的液压控制策略和电气控制策略，并给出了试验结果对比及分析。 关键词车载液压发电机组；发电机瞬态指标；液压控制策略；电气控制策略 中图分 类号 T H3 9 ；T H1 3 7 ． 7 ；T M5 7 1 ． 2 文献标志码 A 文章编号 1 0 0 1 - 3 8 8 1 2 0 1 5 1 4 - 1 2 7 - 3 Re s e a r c h o n Ve h i c l e Hy dr a u l i c Ge n e r a t o r Tr a ns i e n t I n de x Co n t r o l Z0U Bi n g y a n S i n o - G e r m a n V o c a t i o n a l T e c h n i c al C o l l e g e ，T i a n j i n 3 0 0 3 5 0 ，C h i n a Ab s t r a c t T h e v e h i c l e h y d r a u l i c g e n e r a t o r s e t s t y p i c a l h y d r a u l i c c o n t r o l c i r c u i t a n d t h e i n fl u e n c e f a c t o r s o f t r a n s i e n t i n d e x we r e i n t r o d u c e d ． I n o r d e r t o i mp r o v e t h e d y n a mi c r e s p o n s e s o f t h e l o n g l i n e l o w e q u e n c y h y d r a u l i c g e n e r a t o r t r a n s i e n t i n d e x，t h e c o n c r e t e h y d r a u l i c c o n t r o l s t r a t e g y a n d e l e c t r i c a l c o n t r o l s t r a t e gy w e r e p u t f o r w a r d ． T h e e x p e r i me n t r e s u l t s w e r e c o mp a r e d a n d a n a l y z e d ． Ke y wo r d s Ve h i c l e h y d r a u l i c g e n e r a t o r s e t ；Ge n e r a t o r t r a n s i e n t i n d i c a t o r ；Hy d r a u l i c c o n t r o l s t r a t e gy ；E l e c t ri c a l c o n t r o l s tr a t e gy 随着军工装备技术的不断发展和提高，对移动电 站尤其是车载液压发电机组的需求越来越大。 国内外普遍采用的车载发电技术方案 ，是使用车 载发动机作为发 电机 的动力源 ， 在 发动机 的飞轮上装 有取力器 ， 通过取力器获得动力 ， 经液压系统传递后 驱动发 电机运转发 电。其控制方框 图见 图 1 。 图 1 液压发 电机 组控制框 图 车载液压发电机组一般采用交流同步发 电机发 电，交流同步发电机输出交流电的频率与转子转速之 间有 如下关 系 f 6 0 式中f 为端电压频率；n为发电机转速； ‘ P为极对 数 ， 试验 中采用 的发 电机 极 对数 为 2 。由式 1 可 知 ． 输出频率与发 电机转速 间有 固定 的关系 ，发 电机 转速波动率也就是输出交流电频率的波动率。因此在 试验 中， 着重考察发 电机 的转速 n 。发 电机 的转速控 制是 液压控 制系统的难点 。 因为现在没 有专 门用 于 液压 发 电机 组 的 国家标 准 ．所以选择往复式 内燃机驱动发 电机性能等级评价 国家标准作为液压发电机组主要评价指标，根据国标 G B ／ T 2 8 2 0 ． 5 - 2 0 0 9 规定 ．往复式 内燃 机驱 动发 电机 性 能等级部分运行限值见表 1 。 表 1 往复式内燃机驱动发电机性能等级部分运行限值 因为液压传动特点等原因．国内外液压发电机组 瞬态指标普遍不高。除特殊要求外，瞬态指标一般不 作为液压发电机组考核指标。为了提高液压发电机组 瞬态指标 ，满足特殊行业 需求 ，下面对 液压发 电机组 控制进行分析 。 1 液压系统控制策略 1 ． 1 闭式液 压 系统 的控 制 变量液压泵控制定量 马达 的闭式液压 系统 ，变量 泵 由发动机驱动 ，马达驱动交流发 电机发 电。这时发 电机的频率取决于马达转速 ，马达转速由发动机转速 和变量泵的排量共同决定。因为发动机转速可调，变 量液压泵排量可调，只要元件选择合理，理论上可以 保证液压马达转速维持恒定 ，即发 电机发 电频率满足 指标要求。 收稿 日期 2 0 1 4 0 5 - 2 2 作者简 介邹炳燕 1 9 6 5 一 ，男 ，工程硕士 ，高级工程师 ，主要从事液压与气动技术教学与科研工作 。E - ma i l z b y 6 5 0 9 0 1 s i n a ．c o rn 。 1 2 8 机床与液压 第 4 3 卷 如图 2 所示 ．根据 液压 系统工作原理 ，发 电机 负 载大时 ，液压系统工作压力就高 ，发电机负载小的时 候 ，液压系统工作压力就低 ，系统没 有压力 损失 ；液 压泵的供油全部用于液压马达发电。系统没有溢流损 失 ，该系统效率 比较高 ，发热 比较少 而且 同样工况 闭式液压系统的油箱 比开式液压系统小 ，所以该系统 适合于车载液压发电机组选择。其缺点是用于液压发 电的马达要求独立液压泵供油。当车载液压系统执行 元件比较多时。不适合选择闭式液压系统，因为这时 需要更多的液压泵供油。 1 一 吸 油滤 油器 2 一 补 油泵 卜 变 量柱 塞泵 4 一定 量液 压 马达 5 _ _ 风 冷散 热器 6 _ _ 回 油滤 油器 7 - - 冲 洗 阀 图 2 闭式液压系统液压发 电机组液压原理 图 试验 中采用 标定 功率 为 1 2 k W 的三 相 同步无 刷 交流发电机。其标定转速为 1 5 0 0 r ／ m i n ，输出电压为 4 0 0 V．频率为5 0 H z 。试验中采用的变量泵为某独资 厂在 国内组装 的电液 比例控制变量柱塞泵 ．液压马达 为 A 2 F斜轴式 定量 柱塞 马达 ，马达排 量 为 2 8 m L ／ r 。 经试验验证 ，液压泵与液压马达之 间连接管路约 6 1T I 长高压硬管 ，驻车发电，发动机定转速，液压马达转 速由变量泵的斜盘角度控制 ，用液压马达转速信号作 为反馈信号 ，用于控制变量泵斜盘角度 ，这时液压发 电机组稳态指标合格 ，瞬态指标 可达 到 G l 标 准。如 果将液压泵与液压马达之间的6 I T I 长硬管改为短的硬 管 ，瞬态指标将会相应提高 ，但很难达到 G 2 标准。 1 ． 2 液压发 电机组瞬态指标影响因素分析 分析液压发 电机组 瞬态指标低 的原 因 ，有 以下几 个方 面 发动机 的特点是一旦 负载突然增加 ，其转速就会 突然下降；一旦负载突然减小，其转速就会突然增 加。而要通过变量液压泵改变泵的排量来弥补上述的 变化引起的马达转速波动．满足液压发电机发电指标 的要求 ，尤其是瞬态指标要求 ，就需要供油系统的响 应频率很高。液压泵和液压马达都有内泄漏 ，内泄漏 量的大小与系统温度与压力相关 ，是个变量 ，液压系 统温度与压力越高，泄漏量越大；泄漏量大小会影响 马达转速的快慢。连接液压泵和液压马达的管路材 质 、长短 ，决定了液压压力 高低 变化 时 ，管路容积 的 变化量 。也 会影 响 马达转 速 。当系统 压 力 突然 变 化 时 ．液压油 的可压缩性也会影响马达瞬态转 速。 液压发 电机组瞬态指标 ．分为突加指标 和突减指 标 。突加指标指发 电机负载突然增加 ，导致 液压发电 机组瞬 态指标 频率 及 电压等 变化量 ；突减 指标 指发 电机负载突然减小 ，导致液压发电机组瞬态指标 变化量 。 发 电机负载突然增加 ，这时液压系统工作压力就 会随之上升，上述影 响马达转速的因素 ，就会起作 用 ，因工作压力上升，发动机转速会突然下降，柱塞 泵和液压马达泄漏量会增加 ，管路容积会增加 ，油液 被压缩 ，引起液压 马达转速下降 ，如果这时通过供油 系统 的调节不能在很短 时间内 经试验验证 约为 1 0 0 m s 恢复液压马达 的额定转 速 1 5 0 0 r ／ m i n ，就 会 引起 液压发 电机组 瞬态指标超标 。同样 的道理 ，发电 机负载突然减小时，液压系统工作压力会突然降低， 发动机转速会突然增加 ，柱塞泵和液压马达的泄漏量 会减小，加上管路容积和油液可压缩性的影响 ，液压 马达转速会 突然增 加 ，引起发 电频率增加 。 以压力 变化导致 的油 液可压缩性影 响为例 ．假设 液压系统工作压力为 2 0 M P a ，工作液体含有 1 ％空 气 ，液压泵 压力油输 出 口与液压 马达压力油输入 口之 间用 6 m长 、内径 1 6 m m、壁厚 3 m m钢 管连接 。压 力容腔的体积 约为 1 2 0 6 c m ，则 容器 体 积 弹 性 模 量 E 近 似 为 管 壁 的弹 性 模 量 E E P 2 式中 E 为管 子材料 弹性模量 ；T 为管子壁厚 ；D为 管子直径。算出 E 3 ． 9 4 1 0 M P a 。 工作液体的有效体积弹性模量 E ． f 3、 一一一 _ 二 一 f{1 E E EI v E 、 式 中E 。 为液体体积弹性模量，矿物油的体积弹性 模量 范围 1 4 0 0 2 0 0 0 M P a ，在 此取 1 5 0 0 M P a ； 为油中所含液体体积；E 。 为气体绝热弹性模量。 气体绝热弹性模量E E Cp p 4 式中C 为定压比热容；C 为定容比热容。 对于空气，气体绝热弹性模量 E 。 E 1 ． 4 p 5 综合式 2 一 5 可得 E。 9 5 3 MPa 将液压泵压力油输 出口至液压马达压力油输入 口 第 1 4期 邹炳燕车载液压发电机组瞬态指标控制研究 1 2 9 看成一个压力容腔 ，压力变化量 △ p 2 0 MP a的变化 时间大约为 1 0 m s 根据试验结果 ，稳态封闭容腔 中压力基本公式 △ q a p． v ； 6 式中△ q为压力容腔流量变化量 ；△ p为压力变化 量；V为压力容腔体积 ；A t 为压力变化时间；E 为 工作液 体 的有效体 积弹性模 量。算 出 A q 1 5 1 ． 9 L ／ mi n。 计算结果说明 。因为液压发电机组的突加载荷， 造成在 1 0 m s 范围内。系统压力上升2 0 M P a ，如果要 保持液压马达转速不变，需要在 1 0 m s内液压供油系 统增加供油量 1 5 1 ． 9 L ／ m i n ，这是因为液体可压缩性 造成的。在很短时间增加很大供油量，这是任何变量 供油系统也无法完成的。 受发动机转速波动 、供油系统 响应 时间、液压泵 和马达内泄漏、系统管路等影响 ，所以液压发电机的 瞬态指标很难保证。系统管路长的时候 ，瞬态指标尤 其难保证。 1 ． 3 提 高液压发 电机组瞬态指标液压控制方案 为满足液压发电机组突加指标要求 ，液压系统在 1 0 m s 时间增 加供油 流量 1 5 1 ． 9 L ／ m i n ，如 图 3所示 ， 针对瞬态指标要求高、压力管路长的液压发电机组 ， 在液压马达附近安装如图 3 所示的液压元件。在液压 发电机组突加 1 0 0 ％载荷时，图 3中的电磁换 向阀 3 迅速换 向 ．这时蓄能器 中储存 的油液短 时间内补充到 液压马达进油口，如果时间足够短 ，就能有效改善突 加载荷时液压马达转速的变化量 ，即改善液压发电机 组的突加瞬态指标 反应时间起决定作用。X口用于 为蓄能器充 压。 向阀 图 3 提高液压发电机组瞬态指标液压原理图 当液压发电机组满载荷工作时，液压系统压力这 时较高。如果液压发电机组负载突然减小至 0时，电 磁换向阀2快速换向，这时液压马达进油口的一部分 油液会通过电磁换向阀2直接流入回油管路。不再通 过液压马达，使得液压马达因为发电机负载突然减小 产生的速度上升变化量得到有效控制，改善了液压发 电机 组的突减瞬态指标。 2 电气 系统控制策略 2 ． 1 控制 系统反馈信号的选择 如图 4所示 ，为 闭式液压系统液压发 电机组 ，发 电机功率为 1 2 k W，系统未采用提高液压发电机组瞬 态指标液压控制方案。试验结果显示当液压发电机 组突加 1 0 0 ％载荷时，因为液压马达转速下降，造成 液压发电机组输 出频率下降 1 7 ． 2 ％，超过国家标准 的 G 1瞬态指标要求。图 4中每格横坐标为时间 1 S ， 可以发现频率在很短时间内下降了 1 7 ． 2 ％，下降曲 线很陡，意味着如果想改善突加瞬态指标，反馈信号 时间越早越好 。 同样 的道理 试验结 果 曲线 略 ，当液 压发 电机 组突减 1 0 0 ％载荷时，因为液压马达转速下降 ，造成 液压发电机组输出频率上升 1 9 ． 6 2 ％，超过国家标准 的 G 1瞬态指标要求。 系统采用提高液压发电机组瞬态指标液压控制方 案后 ．液压发电机组突加 1 0 0 ％载荷 时 ．图 3中的电 磁换向阀3迅速换向．这时蓄能器中储存的油液短时 间 内补充到液压马达进油 口，时间越快 ，改善突加载 荷时液压马达转速的变化量 ，即改善液压发电机组的 突加瞬态指标 的效果就会越显著 ；反应时 间起决定作 用 。 因为液压发电机组突加载荷时，造成发电机输出 电流增加，引起液压系统压力升高，液压马达转速下 降．用转速作为反馈信号很显然在时间上比电流信号 滞后 了。比较 图 4与图 5发现 电流上 升的时间 比频 率下降 即液压马达转速下降时间至少提前 2 0 m s 左右 ．而这 2 0 I ll S 对于液压发电机组瞬态指标 至关重 要。所以控制系统采用前馈方式即用电流信号作为反 馈信号 ，通过 P I D控制液压马达的转速 ，能有效提高 液压 发电机 组瞬态 指标 。 图 4 负载敏感原理液压发 图 5 负载敏感原理液压发 电机组突加频率曲线 电机组突加电流曲线 2 ． 2 直流电磁换向阀加速换向控制策略 影响系统反应时间的因素。除了反馈信号 的时 间．另一个因素是电磁换向阀的换向时间。换向时间 下转第 1 4 8页 1 4 8 机床与液压 第 4 3卷 里 面就 会 用 当前 时 间 与 m L a s t R e c e T i m e进 行 比较 ， 如果 大于 1 ／ 1 一 R u n o u t T i m e 则认为连接 已经断开 。 在实际情况中，由于机器维修 、网线松动等情况 造成的连接断开希望在故障解决之后能够 自动地进行 重连 毗 而不用进行程序的重新启动。这在断线识别 实现的基础 上很 容易实现 ，即在定 时器 内部检测 当前 状态为未连接状态时。客户端程序就向服务器发送请 求连接命令，服务器不用进行这样的连接操作 ，因为 连接操作都是由客户端发启的，服务器 回应即可。 溢出时间的设置在通信类的内部就已经实现，类 的使用者 只需 调 用成 员 函数 v o i d C U d p S o c k e t S e t R u n O u t T i m e B Y T E T 设置一下溢 出时间 即可。 5 结束语 针对单一金刚石控制系统在合成设备较多时所出 现 的管理繁琐 、分散 的数据不易处理等现象 ，提出了 整体 的联 网系统 。该联 网系统包括 基 于服务器／ 客 户 端的车间层 以及 基于 Wi n d o w s 客户 终端 服务器模 式的工厂层，同时利用双网卡服务器实现网络隔离， 防止网络阻塞并提供车间级别和工厂级别的访问和管 理功能 。 同时为方便整个通信程序的开发以及处理现场中 所遇到的数据丢包、断线重连等问题 ，在 C S o c k e t 类 的基础上设计 了新 的智能通信类 ．针对实际情况选择 U D P通信协议 ，同时增加可靠数据传输功能，设计 了重发表 、心跳包 和检测连接定 时器 ，此外还封装和 简化 了常 用 的操作 。该 网络 系统 已在 实 际 中得 以应 用 ，运行结果表明该网络系统不仅能实现金刚石合成 的远程管理与监控 ，同时能提升管理水平和金刚石生 产合成效率。 参考文献 『 1 ]张晓洁， 姜同敏， 王晓峰． 提高计算机网络可靠性的方法 研究[ J ] ． 计算机工程与应用， 2 0 1 0 ， 3 1 5 9 9 0 - 9 9 4 ． 『 2 ]伟俊宝， 蔡启成 ， 张晓光， 等． 火电厂辅助车间网络控制 系统规划与实施[ J ] ． 中国仪器仪表， 2 0 0 8 1 1 4 4 - 4 8 ． [ 3 ]骆敬年． 华东 5 0 0 k V电网故障录波器联网系统 [ J ] ． 华 东电力 ， 2 0 0 0 1 4 - 6 ． 『 4 ]杜永锋， 刘钊． Wi n d o w s 平台下的网络异步通信编程技 术[ J ] ． 电子科技， 2 0 1 2 ， 2 5 3 5 9 - 6 1 ． f 5 ]全晓东， 吴洪才 ， 王诚． 基于 R D P协议终端／ 服务器改进 方案[ J ] ． 计算机应用与软件， 2 0 0 4 ， 5 5 7 7 - 7 9 ． [ 6 ]彭询， 李军， 廖兆曙． 基于 Wi n d o w s 的瘦 胖 客户机 终 端服器模式议计及应用[ J ] ． 工程技术， 2 0 0 6 ， 5 5 7 3 75． 『 7 ]王继刚， 顾国昌， 徐立峰， 等． 可靠 U D P数据传输协议的 研究与设计 [ J ] ． 计算机工程与应用， 2 0 0 6 1 5 1 1 3 11 6． 『 8 ]李晓京 ， 文治洪， 胡文东， 等． 基于 MF C C S o c k e t 类 的通 用网络通信 D L L设计 [ J ] ． 计算机系统应用， 2 0 1 3 ， 2 2 5 1 3 3 - 1 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