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关于变频液压调速系统的发展及应用综述
1 引言
目前在液压系统中，泵绝大多数由异步电机拖动，电机在供电工频条件下按额定转速运行，执行元件所需的流量，靠改变变量泵的排量来实现，即常用的容积调速方式。这种方式尽管避免了溢流损耗，但由于常采用阀控伺服机构来实现排量的变化，故存在着液压系统对油液抗污染要求高，小流量时电机与泵仍需高速运转，机件易磨损和效率低，对液压元件特别是伺服变量泵的制造精度要求高、制造成本高等问题；同时系统相对故障率也较高。
随着微电子技术和功率电子器件的发展，异步电机变频调速技术以其结构简单、坚固耐用、动态响应好等优点愈加受到人们的重视。将变频调速技术引入液压系统中，通过改变异步电机的电源频率和电压来调节电机的转速，从而满足执行元件速度的要求。
变频液压调速系统原理如下：
油泵输出流量公式：
式中：n — 电机（液压泵）转速；
qp — 液压泵排量；
p — 电机极对数；
s — 电机转差率；
fs — 电机定子供电频率。
由上式可知，改变电机供电频率，可以改变电机(泵)
的转速，从而改变泵的输出流量，以调节系统中液压马达的速度。它不同于传统的容积调速方式，靠改变泵的排量而调整油泵的输出流量。系统结构简图见图1。
图1 变频液压调速系统
系统采用变频调速电机、定量泵一定量马达构成液压调速系统。高压安全阀防止系统过载，TF给马达加载，光电编码器时刻检测马达转速并反馈给控制器，形成闭环实时控制系统。在控制器设计中，可以采用PID控制、自适应控制和模糊控制等自动控制方式。
2 国内外变频液压技术应用及研究现状
变频液压动力传动是一种全局型的新型节能传动方式，它相对于传统的容积控制具有很多优点，国内外对这方面的研究都取得了一定的成果，也有一些成功应用实例。下面就变频驱动液压技术在国内外的发展、应用及研究概况作一综述。
2.l 国外应用情况介绍
最早由Kazuo等人[1]提出了用变频驱动实现液压系统恒压控制方案，Yutaka等人[2，3]对这种带蓄能器变频驱动恒压系统的特性进行了探讨，并做了一些性能测试。此后，他们又对变频电机驱动定量泵、普通电机驱动变量泵和用变频电机驱动变量泵等几种情况的节能效果及动态特性作了对比实验研究（电机功率5.5kW，变频器功率8.3kVA）。结果表明，普通电机驱动变量泵系统和用变频电机驱动定量泵系统的效率近似相等，变频电机驱动变量泵系统的效率最高。普通电机驱动变量泵系统和变频电机驱动变量泵系统的流量响应快于变频电机驱动定量泵系统的流量响应。Kzmeier等人也做了类似的实验，但他们用的是交流伺服电机作驱动电机，电机功率只有1.5kW。实验表明，变转速控制系统的效率高于变排量控制系统的效率，而用变转速和变排量复合控制的系统效率高于变转速控制系统的效率。变转速控制的速度响应快于变排量控制的速度响应。
液压领域中最早应用变频调速技术的对象是液压电梯。早在1984年，日本三菱公司就开始着手研究变频驱动液压电梯，并于1986年申请了美国专利[4]。这篇专利文献开创了变频驱动技术用于液压电梯的先河，一直是研究变频驱动液压电梯最基础的文献。在这篇文献中，提出了通过检测电机转速，将实测转速与给定转速进行比较，利用转速差值信号作为变频器的控制信号，变频器输出不同频率的电信号来实现对电机和泵转速的调节，从而调节液压系统的流量。20世纪90年代初，三菱公司率先将这种变频驱动的液压电梯推向市场，到90年代末，瑞士柏林格（Beringer）公司和德国Leislrilz
AG公司推出了变频驱动的液压产品。
柏林格公司推出的变频驱动液压电梯，其控制系统采用变频和阀控技术相结合的方案，用其高质量的动态双向流量传感器作为反馈元器件实现闭环控制。电梯上行工作原理与其他标准变频驱动液压系统相同，下行的起始加速段和减速停止段采用比例电磁阀控制，其他阶段采用变频控制。德国Leislrilz
AG公司推出的变频驱动液压电梯是采用变频驱动技术和活塞缸带配重系统相结合的方案。
除了在液压电梯上应用以外，变频驱动液压技术还在飞机、注塑机、液压转向系统、制砖厂等获得应用。
另外，国外有些公司还将电机和泵集成一体，再和相应的变频器配套，做成变频驱动液压动力泵站，成为一个功能部件产品。
2.2 国内应用情况介绍
国内最早从事变频驱动液压技术的研究是浙江大学流体传动及控制国家重点实验室自1992年开展对变频驱动液压电梯研究以来，先后开发研制了三种变频液压电梯控制系统：变频—阀控相结合、上下行全变频和带蓄能器的变频控制系统。
变频—阀控相结合的变频驱动液压电梯控制系[5]，其上行采用VVVF变频容积调速控制下行则采用流量—电反馈二通电液比例阀控制的混合控制系统。该系统的特点是对变频器的力矩性能要求不高，无需电机轴转速反馈简化了液压泵站结构；而下行采用流量反馈的比例二通阀调速，虽然结构简单，但是下行过程的势能没有得到利用，在下行过程中由于阀口节流损失引起的油液温升比较严重，方案的实用性不佳。全变频驱动液压电梯控制系统[6]，其上、下行程均为变频容积调速，而且下行时由电梯轿厢自重所产生的机械能带动电机反转，电机处于发电状态，向电网回馈电能。这种系统同阀控液压电梯相比，其节能率可达40％。不过由于采用轿厢速度直接反馈，中间包含较多的环节，虽然可以获得较高的稳态精度，但系统的动态控制品质较差。带蓄能器的变频驱动液压电梯控制系统[7]，下行时轿厢自重所产生的机械能通过由电机—主回路泵/马达—蓄能回路泵／马达—蓄能器所组成的压力—能量转换装置转换成压力能储存在蓄能器中；当在上行时，储存在蓄能器中的压力能又为电梯提供辅助动力。这种系统同阀控液压电梯相比，其节能率达到60％，而且可以较大幅度地降低系统的装机功率。
另外，浙江大学流体传动及控制国家重点实验室电梯组多年来对多种智能控制算法在变频驱动液压电梯中的应用进行了深入的研究。其中包括变频驱动液压电梯的模糊控制、模糊PID控制、单神经元PID控制、非线性PID控制、CMAC神经网络控制，提高了变频驱动液压电梯的控制品质。
3 目前变频液压主要应用领域
3.1 变频液压直线振动筛
国内现有的振动筛绝大部分是电机驱动机械偏心式惯性振动筛，其主要优点是结构简单、价格低及制造容易。但机械偏心式惯性振动筛存在不少问题：一是振动参数（激振力、振幅、频率等）不可调，不能满足多工况工作的要求；二是由于筛网、筛体和激振器均参加振动，所以参振质量大，激振力的增大导致轴承承受载荷大，轴承摩擦发热严重，损坏较快；三是这种振动方式受到普通电机参数品种的限制，难以实现有些物料所需要的低频高幅振动，不利于提高筛分效率。为此，国内一些企业开发了变频液压直线振动筛，以解决上述驱动方式中存在的问题。液压激振系统的工作机理是由变频液压激波器控制差动油缸，驱动筛机产生直线振动，完成物料的筛分。
3.2 变频液压抽油机
近几年来，随着我国各油田越来越多地需要长冲程、低冲次的抽油机来提高产液量，已研究开发出多种节能型液压抽油机，这些抽油机在改善抽油机的运行参数，提高抽油机效率方面有了一定的进步，但始终存在装机功率大、能耗高、自适应能力差等缺点。新型的变频液压抽油机在降低装机功率、能耗和提高抽油机的自适应能力方面，都有显著的提高，其主要特点为：
（1）采用液压配重，简化系统结构
由于活塞柱塞式液压缸的特殊结构和液压蓄能器的配合使用，在平衡液压抽油机的大部分载荷时，不需另外增加配重，消除了使用机械配重所引起的增加机械结构受力和抽油机体积等缺点。可以减小抽油机体积、质量和占地面积，适应滩涂、海上平台和山区等条件恶劣地区的抽油作业。
（2）能够降低装机功率
液压抽油机负载做下冲程时，与活塞柱塞式液压缸相连接的液压蓄能器吸收能量;上冲程时储存在液压蓄能器中的能量补充载荷上行所需的能量，因而可大幅度地降低液压抽油机的装机功率。
（3）节能效率高，液压泵站体积减小
活塞柱塞式液压缸通过双向液压锁与矢量变频电动机驱动的双向液压泵构成矢量变频容积调速闭式系统，利用了变频容积调速节能效率高和闭式油路节省液压油的优点，还可大大减小液压泵站的体积。
（4）操作更加安全、平稳
在闭式油路中采用双向液压锁还可使液压抽油机的启停更加平稳迅速，增加其工作的稳定性和安全性。
3.3 变频液压抓斗
近年来液压抓具（抓斗）已广泛应用于码头装卸,垃圾处理场和钢铁厂废钢处理领域。目前使用的多爪液压抓斗是由吊环、筒体框架、液压泵站、液压缸和抓爪组成。抓爪及油缸都与筒体框架铰接相连,筒体框架上部内置液压泵站,下部为油箱。抓斗的每个抓爪由一台油缸驱动。抓斗上部吊环与起重设备吊钩连接,并通过电缆与专用电控柜连接。电控柜控制电机启动和进行短路保护。
液压系统原理是采用定量泵/开式旁路溢流回路，由溢流阀限压溢流，通过节流阀节流实利用变频控制器检测电机工作电流，并按比例以4～20mA电流模拟量信号送到智能仪表，利用智能仪表内的继电器控制变频点和电机保护点，当电机电流随负载增大到变频点时，变频器平滑降频使电机减速运转，当电机电流进一步增大达到保护点时，变频器进一步平滑减频使电机低速运转。这样就构成了一个电机转速随负载变化的电流负反馈控制系统。
3.4 变频液压电梯
近年来，降低液压电梯装机功率和能耗一直是电梯研究人员关注的重要课题。人们尝试了多种方法，在减少能耗损失上有了一定的进展。普通阀控节流调速液压电梯由于没有配重，装机功率很大，能耗仍然较大。带机械配重的液压电梯虽能降低能耗，但增加井道房顶的拉力承受载荷。变频驱动液压电梯控制系统在电梯上行工作周期循环中具有比阀控节流调速系统更高的效率，但并没有降低系统装机功率。它是利用液压蓄能器来代替机械配重的变频控制节能系统，降低了液压电梯装机功率。
4 变频液压技术主要存在的问题及对策
从目前国内外的研究结果和文献看，变频液压调速系统存在诸如动态响应慢、低速特性差、调速精度不易保证等一些问题，下面简述主要存在的问题和相应的对策。
影响变频液压技术低速稳定性的原因如后叙述：
4.l 低速稳定性问题
液压泵的转速过低，自吸能力下降，容易造成吸油不充分而形成气蚀，引起噪声和流量脉动，影响速度的稳定性；其次，对于电压型交—直—交变频器，低频时低次谐波电流与基波磁场相互作用，会产生脉动转矩，致使电机转速波动；另外，低频力矩不足、异步电机低频运行时固有的下稳定性、电机转动部分与逆变器直流中间环节中滤波与贮能元件之间能量交换中产生的谐振现象、无功功率的影响等都是引起转速不稳定的可能原因。一般情况下，变频调速系统在某一特定范围内会出现系统运行不稳定区，它和电机参数及运行条件有关。
解决低速稳定性，固然可以从选择低速性能好的泵和高性能变频器来考虑，但需要付出较高的成本。除此之外，也可以从如下两方面入手：
一是进一步增大系统的转动惯量或阻尼来改变整个固定液压动力设备的结构参数，提高系统的稳定性，但是增大转动惯量或阻尼会使得整个系统的动态响应进一步减慢，控制品质变差；
二是采用合理的控制结构和好的控制算法，如利用模糊控制和神经网络控制提高系统的动态控制品质和低速稳定性，采用负载压力补偿的办法提高执行机构的速度稳定性。
4.2 动态响应问题
交流变频容积控制系统是通过改变电机转速来改变液压系统的流量，由于一般的异步电机的转动惯量大于液压泵的转动惯量以及变频器的过载能力有限，例如，过载50％只允许1min，影响了加速性能。减速也不能过快，否则，再生能量会引起逆变器直流电压过高，保护功能动作，因此，一般变转速容积控制系统比传统容积控制系统的响应要慢。
性能好的变频器对提高系统响应的快速性有利。改善控制系统的结构、减小控制环节的个数会提高系统响应的快速性。当既要求大范围调速，又要求响应速度较快时，可采用综合调速控制。即充分利用交流变频容积控制系统调速范围大、节能效果显著的特点，又要保留阀控缸或阀控马达响应快的优点，组成综合调速系统，也可以采用合适的控制算法来改善系统的动态品质，提高系统响应的快速性。
4.3 启动或换向时的平稳性问题
当电机转速在零附近时，变频器—电机环节提供的力矩很小，几乎为零，故存在一定的死区；另外，在启动和制动时，系统存在静、动摩擦的转换以及其他一些非线性环节（如死区、滞环、泄漏）的影响，都会产生系统压力脉动和转速波动，甚至可能会失去对负载的控制作用。
低频力矩大、死区小的变频器有利于启动或换向时的平稳性，在液压回路中增加蓄能环节也有利于启动或换向时的平稳性。采用反馈控制补偿回路的办法来抑制或减小启动时的抖动，也是可供选择的途径。
4.4 调速精度问题
调速精度是指所期望速度的准确性。影响调速精度的主要原因是速度刚度，所谓速度刚度是指执行器的速度不随负载变化的能力；其次是系统的慢时变特性，如液压系统中的油液温度、油液黏性和泄漏量的大小等都会随着时间呈非线性变化，从而影响系统的输出特性和调速精度。
为消除或减弱负载对转速的影响以及液压系统的慢时变特性对系统输出的影响，需要从两个方面来考虑：
一个方面是要确保电机转速不随负载变化而变化；
另一个方面是要消除或减小液压系统的慢时变特性对系统输出的影响。对变频器设定合适的转矩补偿和滑差补偿，在负载变化时适当地调整泵（电机）的转速，即可适度补偿回路泄漏的流量，维持执行器转速的稳定性，保证其速度刚度得以较大的提高。
另外，选择带矢量控制的变频器可以较大程度地提高电机转速轴的速度刚度，有利于提高调速精度，但成本较高，而且矢量型变频器并不能减小液压系统的慢时变特性对系统输出的影响。也可以选择合理的控制回路和合适的控制算法、控制参数、补偿系统未知参数及非线性的影响，增强系统的鲁棒性，从而提高执行器的速度刚度，确保调速精度。
4.5 效率
固定液压动力设备电机的选择是以满足负载最大功率需求为标准，然而设备在一个工作循环中，最大功率所占的时间总是很少的。负载越小，异步电机的效率也越低，而且对于不同类型的负载，变频器—电机环节表现出不同的效率特性，因此，变频驱动的液压动力系统需要根据不同类型的负载及其大小，选择合适的负载曲线和合理的变频器运行参数，力求变频器—电机环节在负载变化较大、速度范围较宽的条件下，保证较高的功率效率，达到进一步节能的目的。
5 结论与展望
本文以较翔实的资料和文献，全面系统地介绍了国内外变频液压技术的发展过程、应用领域及研究现状，指出了交流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，讨论了变频液压技术存在的问题，这些问题主要包括低速稳定性、响应的快速性、启动或换向时的平稳性、调速精度和效率等，并针对这些问题提出了多种不同的对策。
随着微电子技术和计算机技术的迅速发展，交流电机变频调速控制技术的日渐成熟，矢量型变频器的价格将会有所下降，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、轻载及空载时，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，因此，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宽，同时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。
