Badania układów hydrostatycznych zasilanych falownikami

Transkrypt

1 ANDRZEJ KOSUCKI 1), ŁUKASZ STAWIŃSKI 2) Politechnika Łódzka, Wydział Mechaniczny 1) 2) Badania układów hydrotatycznych zailanych falownikami Strezczenie W pracy opiano przykładowe badania weryfikacyjne układów hydrotatycznych z natawną prędkością pompy z wykorzytaniem ilników zailanych falownikami. Przedtawiono model i badania ymulacyjne rozruchu napędu hydrotatycznego z iłownikiem nurnikowym ze zmienną prędkością pompy dla różnych czaów zmiany prędkości (wydajności) pompy. Określono również energochłonność napędu z falownikiem w tounku do rozwiązania itniejącego. 1. Wprowadzenie Układy napędowe oparte na ilnikach klatkowych zailanych za pośrednictwem przetwornic czętotliwości ciezą ię obecnie ogromną popularnością. Silniki te ą częto wykorzytywane we wzelkiego rodzaju napędach ze względu na woją protą i zwartą budowę oraz dużą niezawodność. W przezłości ich użytkownicy napotykali na pewne utrudnienia przy regulacji prędkości. Zmieniło ię to jednak wraz z zatoowaniem produkowanych od połowy lat oiemdzieiątych przetwornic czętotliwości. Cechami, które zaczęły dzięki temu wyróżniać ilniki klatkowe i zadecydowały o wzroście ich popularności, tały ię: dynamika napędu, znaczny moment przy małej prędkości, zabezpieczenie termiczne i przeciążeniowe ilnika. W otatnich latach napędy z ilnikami zailanymi z przetwornic czętotliwości w zaadzie dominują w układach zautomatyzowanych. Wprowadzenie w połowie lat dziewięćdzieiątych nowej generacji falowników ze terowaniem wektorowym zapewniło napędom bardzo pożądane właności ruchowe, takie jak: pełny moment w całym zakreie prędkości (dla falowników z czujnikiem prędkości), wyokie przeciążenie momentem, duży zakre zmian prędkości i duża tabilność prędkości obrotowej przy zmianach obciążenia. Spodziewaną konekwencją jet wprowadzenie napędów zailanych falownikami do hydrotatycznych układów napędowych. Układy, w których ą wykorzytywane falowniki, ą już toowane przez firmy Rexroth (ytemy Sytronix) i Eaton. W publikacji [1] przedtawiono energoozczędny hybrydowy układ hydrauliczny z ilnikiem z magneami trwałymi (IPM) i falownikiem do formowania wtrykowego, pozwalający na zmniejzenie zapotrzebowania na energię napędu. Obecnie prowadzone ą badania nad zatoowaniem różnych rodzajów ilników z regulacją prędkości do zailania układów hydraulicznych, opiane m. in. w [2] i [3]. Badania te dotyczą układów z ilnikiem hydrotatycznym obrotowym z obciążeniem wirującą maą i potwierdzają zaadność wykorzytywania tego typu napędów. Jednym z możliwych zatoowań jet modernizacja tarych układów napędowych z rozdzielaczami, w których zatoowanie napędu falownikowego umożliwi np. zmniejzanie obciążeń dynamicznych czy lepze dopaowanie i utrzymanie prędkości ruchów roboczych napędzanych urządzeń. Dodatkową przełanką przemawiającą za zatoowaniem falowników jet coraz czętze wypoażanie ich w elementy terowników programowalnych oraz karty komunikacji po tandardowych magitralach przemyłowych (np. PROFIBu czy CANBu) lub Ethernecie, co może dawać nowe możliwości 5

2 w zakreie terowania układami hydrotatycznymi i ich integracji z nadrzędnymi układami terowania. W Zakładzie Mazyn Roboczych, Napędów i Sterowania, Politechniki Łódzkiej podjęto próbę modernizacji itniejącego układu napędowego iłownika poprzez zaintalowanie przetwornicy czętotliwości jako integralnej części dla układów zailania i terowania iłownikiem. 2. Hydrotatyczny układ napędowy Układ hydrotatyczny z obiegiem otwartym, z pompą o tałej wydajności, z iłownikiem nurnikowym, zailany ilnikiem klatkowym wypoażony jet w rozdzielacz, zawór dławiąco-zwrotny i zawór przelewowy (makymalny). Siłownik o średnicy 40 mm podnoi obciążenia o maie do 1500 kg. Nominalne prędkości podnozenia uzykiwane ą na poziomie 0,35 m/. Dotychcza układ pracował zgodnie ze chematem przedtawionym na ry. 1. Wymuzenie ruchu iłownika odbywało ię w wyniku przeterowania uwaka rozdzielacza po utaleniu ię prędkości ilnika elektrycznego. Pracujący ilnik miał zachowaną woją naturalną charakterytykę, w związku z czym prędkość obrotowa biegu jałowego zależna była od oporów przepływu oleju przez kanały rozdzielacza. Układ wypoażono w czujniki pomiaru ciśnienia w gałęziach układu (na pompie p p i pod iłownikiem p ), czujniki pomiaru natężenia przepływu przez rozdzielacz terujący Q r i przez zawór ciśnieniowy Q z, a także elementy pomiaru prędkości iłownika v oraz przeunięcia uwaka rozdzielacza x r. Stanowiko było przedmiotem badań, jak również łużyło dydaktyce. Ry. 1. Hydrotatyczny układ napędowy 6

3 Powtały model dynamiczny tanowika zotał zweryfikowany ekperymentalnie. Dotyczył on równania ruchu iłownika oraz równań bilanów przepływu w dwóch gałęziach. Pierwza gałąź obejmowała pompę wraz z zaworem przelewowym i rozdzielaczem. Ry. 2. Model hydrotatycznego układu napędowego Gałąź przedtawiona na ry. 2 zotała opiana za pomocą równania bilanu przepływu w natępującej potaci: dpp qp c1 a pp Qr Qr1 Qz dt (1) gdzie: q p wydajność jednotkowa pompy o tałej wydajności, prędkość ilnika napędowego pompy, c 1 pojemność hydrauliczna gałęzi układu, p p ciśnienie w gałęzi pompy, a wpółczynnik przecieków, Q r przepływ przez rozdzielacz w kierunku iłownika, Q r1 przepływ przez rozdzielacz w kierunku zbiornika, przepływ przez zawór przelewowy. Q z Druga gałąź obejmuje rozdzielacz wraz iłownikiem i zotała opiana w poób natępujący: gdzie: v d c 2 p Q r dp c2 dt prędkość wyuwu iłownika, średnica tłoka, pojemność hydrauliczna gałęzi układu, ciśnienie w gałęzi iłownika. d v 4 2 (2) 7

4 Równanie ruchu iłownika obciążonego maą m Q ma potać: gdzie: f R p m Q dv dt p p d 4 2 m wpółczynnik oporów wikotycznych iłownika, reakcja podpór ładunku. Q g f v R Zawór przelewowy opiano za pomocą równania członu inercyjnego I rzędu: gdzie: T z h z p z T dq dt tała czaowa zaworu, wpółczynnik wzmocnienia zaworu, ciśnienie otwarcia zaworu. z z Qz hz pp pz (4) Do opiu ruchu ilnika napędowego zotało wykorzytane równanie ruchu wirnika ilnika z uwzględnieniem obecności pompy. Układ obciążono momentem wynikającym z różnicy ciśnień na wlocie i wylocie z pompy: gdzie: I red M p M I red d dt M M moment bezwładności elementów związanych z wirnikiem ilnika, moment obciążenia ilnika wynikający z pracy pompy, moment rozwijany przez ilnik zgodnie ze wzorem Kloa. Opiany model zotał wykorzytany we badaniach wtępnych mających dać odpowiedź na pytania dotyczące celowości wprowadzania falownika w linię zailającą ilnik napędu pompy. W zaproponowanym układzie z falownikiem zailającym ilnik aynchroniczny (ry. 3) falownik odpowiada za kztałtowanie prędkości zgodnie z ygnałem napięciowym zadawanym przez operatora lub układ terujący, proporcjonalnym do zakładanej prędkości kątowej ilnika. p p (3) (5) Ry. 3. Hydrotatyczny układ napędowy z falownikiem 8

5 Dotychcza oprócz regulacji ciśnienia (opianej w [4]) falowniki były toowane do utrzymania określonej tałej prędkości ilników zailających pompy, co umożliwiało natawę i realizację częściowych wydatków pomp (ry. 5 i 7). Stanowika połużyły również do weryfikacji opracowanego modelu układu falownik-tojan ilnika w przypadku zatoowania go w ilnikach aynchronicznych i ynchronicznych. 3. Model układu falownik-tojan ilnika Model układu napędowego falownik-tojan ilnika zotał przedtawiony na ry. 4. Działanie falownika zamodelowano łącznie ze tojanem ilnika aynchronicznego, określając jako wielkość wyjściową tego układu moment na tojanie ilnika M. Uwzględniono itnienie w falowniku elementów typowych. Układ falownik-tojan ilnika opiano typowymi równaniami członów inercyjnych i całkujących. Model zczegółowo zotał opiany w publikacji [5]. inverter - motor tator k T IF IFpom 3 U ref 1 2 I Fpom U + U F F + I F +I Fpom M - k object 5 Ry. 4. Model układu napędowego falownik-tojan ilnika Model falownika był weryfikowany w wielu układach napędowych. W przypadku układów hydrotatycznych weryfikacja była przeprowadzona na wpomnianych wcześniej tanowikach. Pierwzy układ, opiany w [6], jet rozwiązaniem pozwalającym na kontrolę pracy iłownika przy obciążeniu zmieniającym ię z biernego na czynne w jednym cyklu ruchu tłoczyka (ry. 5). W celu przeprowadzenia weryfikacji modelu zmierzono natępujące wielkości: prędkość kątową ilnika aynchronicznego napędzającego pompę (przy użyciu czujnika inkrementalnego (9)), p 3 ciśnienie na wyjściu z pompy (pozwala na obliczenie momentu obciążającego wał ilnika napędzającego pompę), U z napięcie terujące falownikiem, proporcjonalne do założonej prędkości ilnika. Uzykane wyniki zotały wprowadzone jako obciążenie dla modelu układu napędowego kładającego ię z ilnika i falownika o znanych parametrach. Na ryunku 6 zetawiono prędkości ilnika napędzającego pompę, moment obciążający ilnik i moment rozwijany przez ilnik uzykane z ekperymentu i z modelu. Uzykano dużą zgodność modelu z przebiegami rzeczywitymi. Średnie uchyby nie przekraczały 1%, a makymalne (chwilowe) 10%. k 9

6 Ry. 5. Schemat układu hydraulicznego i pomiarowego tanowika do badań układów ze zmiennym obciążeniem 36 [1/] mod real M [1/] M [Nm] M real M mod t [] 110 M -2 avg = 0,24 [%] max = 9.99 [%] -4 0 Ry. 6. Zetawienie modelu z przebiegami rzeczywitymi dla napędu hydrotatycznego z biernym i czynnym obciążeniem 10

7 Podobnym badaniom poddany zotał układ, w którym ilnik ynchroniczny z falownikiem napędzał układ hydrotatyczny do badania zaworów ciśnieniowych. Badania prowadzone były na tanowiku, którego widok i chemat przedtawione ą na ry. 7. Ry. 7. Stanowiko badawcze do badania zaworów Ry. 8. Zetawienie modelu z przebiegami rzeczywitymi dla napędu hydrotatycznego z ilnikiem ynchronicznym Na ryunku 8 dotyczącym ilnika ynchronicznego obracającego ię z prędkością ok. 63 rad/, obciążonego momentem odpowiadającym ciśnieniu w układzie równym 175 barów zotała zetawiona prędkość uzykana w wyniku ekperymentu real z prędkością obliczoną według opiywanego modelu mod. Nakreślony zotał również uchyb prędkości. Ponadto przedtawiono moment obciążający wał ilnika M real i moment rozwijany przez ilnik wyznaczony według modelu M mod. Uzykano bardzo dobrą zgodność modelu, opianą za pomocą wykreu. 11

8 4. Badania układu z falownikiem (ze zmienną prędkością ilnika zailającego pompę) Wyniki przeprowadzonych badań ekperymentalnych dają podtawę do wykorzytania omówionych wcześniej modeli do prawdzenia możliwości zmniejzania obciążeń i poprawy bilanu energetycznego napędu poprzez zatoowania falownika. Porównano natępujące przebiegi i wartości wielkości fizycznych: prędkość kątowa ilnika elektrycznego, real p p ciśnienie na pompie, p ciśnienie pod iłownikiem, v prędkość iłownika, E energia cyklu roboczego. Porównywano cykle, w których iłownik obciążony znaną maą przeuwał ię do góry o określoną odległość x (ry. 3). Ponieważ przyjęto, że truktura układu hydraulicznego nie zmienia ię, równocześnie z wymuzeniem falownika natępowało przeterowania rozdzielacza. Przykładowe przebiegi układu dla przejazdu iłownika x = 0,5 m zotały przedtawione na ry. 9 i 10. Oprócz opianych powyżej wielkości na ryunkach przedtawiono także przebiegi wymuzeń falownika Uz oraz przeterowania rozdzielacza x r /x rmax. W celu przeprowadzenia porównania jako wielkość odnieienia przyjęto pracę układu bez falownika (ry. 1). Układ z falownikiem podlegał natępującym wymuzeniom (oznaczonym na ryunkach odpowiednimi indekami): 0,25 liniowa zmiana prędkości ilnika w czaie 0,25, 0,5 liniowa zmiana prędkości ilnika w czaie 0,5, 0,5 in nałożenie liniowej zmiany prędkości ilnika w czaie 0,5 i funkcji inu. Na ryunku 9 przedtawiono przebiegi padku ciśnienia p p oraz prędkości ilnika dla opianych powyżej przypadków. Widoczny jet padek ciśnienia makymalnego o ponad 20% w przypadku rozruchu w czaie 0,5. Dla przypadków z falownikiem obliczane zapotrzebowanie energii wzroło o ok. 15% w tounku do zapotrzebowania układu bez falownika. Dla podnozonego ładunku o maie ok. 800 kg jet to poziom ok. 750 J. Biorąc pod uwagę, że 1 biegu jałowego w przypadku układu bez falownika wymaga energii na poziomie ok. 300 J, a układ z falownikiem takiej energii nie potrzebuje, to zyk energetyczny tego układu jet bezporny. Przebiegi ciśnienia pod iłownikiem i prędkości iłownika (ry. 10) potwierdzają zmniejzenie obciążeń dynamicznych, zmniejzenie ocylacji oraz poziomu utalonego prędkości. Spadki ciśnień oiągają 20%. Przejazd założonej drogi wydłużył ię o ok. 0,13, a prędkość w ruchu utalonym wzroła o ok. 2,5%. 12

9 Ry. 9. Zetawienie reakcji układu napędowego iłownika na różne wymuzenia Ry. 10. Zetawienie różnych wymuzeń układu napędowego iłownika Na ryunkach 11 i 12 oraz 9 i 10 zotały przedtawione takie ame przypadki wymuzeń. Różnica polega na utawieniu ciśnienia otwarcia zaworu na poziomie 20% powyżej wartości utalonych w układzie. Takie rozwiązanie w przypadku układu terowanego rozdzielaczem dawało znaczący padek ciśnień dynamicznych. Wprowadzenia napędu falownikowego powodowało dalze obniżenie na poziomie do 10%. Pozotałe efekty, takie jak wzrot prędkości w ruchu utalonym (2,8%), czy zapotrzebowanie energii (750 J), nie różnią ię od uzykanych w układzie z zaworem utawionym na więkzą wartość p z. 13

10 Ry. 11. Zetawienie różnych wymuzeń układu napędowego iłownika z udziałem zaworu przelewowego Ry. 12. Zetawienie różnych wymuzeń układu napędowego iłownika z udziałem zaworu przelewowego Parametry cyklu kładającego ię z rozruchu i wyuwu iłownika o x, takie jak: cza jego trwania, zapotrzebowanie energii, makymalne wartości ciśnień dla omawianych przypadków pracy zotały zetawione na ry. 13 i 14. Za cykl odnieienia przyjęto pracę układu bez udziału zaworu ciśnieniowego i bez falownika (100%). Na oi poziomej przedtawiono pozczególne przypadki pracy układu, zgodnie z wcześniejzym opiem. Wykrey w formie protopadłościanów przedtawiają cykle robocze układu bez zaworu ciśnieniowego, natomiat wykrey w potaci walców cykle z zaworem utawionym 20% powyżej ciśnienia utalonego 14

11 (oznaczenia mają dodatkowy indek 85). Na ryunku 13 podano procentowo energochłonność (E c ) pozczególnych cykli roboczych oraz cza (t c ) niezbędny do podnieienia ładunku na wyokość x = 0,5 m, natomiat na ry. 14 makymalne wartości ciśnień w gałęziach odpowiednio p p i p w rozpatrywanych cyklach w odnieieniu do cyklu odnieienia. Ry. 13. Zetawienie czaów trwania cyklu i energochłonności Ry. 14. Zetawienie wartości makymalnych ciśnień p p i p Jak widać, efektem zatoowania falownika przy rozruchu hydrotatycznego układu napędowego jet znaczne, bo przekraczające 20%, obniżenie wartości makymalnych ciśnień w tounku do rozruchu bez toowania przetwornicy czętotliwości. Widoczny wzrot energochłonności cykli z zatoowaniem falownika wynika z faktu, iż liczenie zapotrzebowania na energię rozpoczyna ię w momencie przeterowania układu, a więc nie uwzględnia ię w nim biegu jałowego dla napędu bez falownika. 5. Podumowanie Przeprowadzone badania ekperymentalne układów z falownikami jako zadajnikami wydatku pomp pozwoliły na opracowanie koncepcji i wtępne badania ymulacyjne rozruchu hydrotatycznego układu napędowego o obiegu otwartym z falownikiem jako generatorem 15

12 zmiennego przepływu. Przyjęta zaada braku ingerencji w trukturę układu hydrotatycznego wymuiła równoczene terowanie rozdzielaczem i rozruchem ilnika zailającego pompę. Uzykane wyniki badań ymulacyjnych potwierdzają zmniejzenie makymalnych obciążeń układu oraz poprawę bilanu energetycznego cyklu. Przedtawione w artykule przebiegi trapezowe zmian prędkości wymagają jedynie wprowadzenia odpowiednich nataw w falowniku zailającym ilnik elektryczny. Badania z ygnałem wymuzającym będącym nałożeniem wymuzenia liniowego i inua pozwalają na twierdzenie, że wprowadzenie napędu falownikowego do układów hydrotatycznych umożliwi, poprzez odpowiednie (np. inne niż liniowe) kztałtowanie funkcji terujących prędkością pompy, optymalizację pracy odbiornika. LITERATURA [1] IMAMURA T., SAWADA Y., ICHIKAWA M., NAKAMURA H., Energy-aving hybrid hydraulic ytem compriing highly efficient IPM motor and inverter, for injection molding and manufacturing machine. Proceeding of the 7th JFPS International Sympoium on Fluid Power, Toyama. [2] STEFAŃSKI T., ZAWARCZYŃSKI Ł., Analiza hydraulicznego układu terowania objętościowego. Logityka nr 6, [3] STEFAŃSKI T., ZAWARCZYŃSKI Ł., Sterowanie przepływem i prędkością ilnika hydraulicznego w układzie z falownikowym napędem pompy. Napędy i Sterowanie nr 2. [4] GOZDALIK M., Agregat hydrauliczny z nienatawną pompą z regulowanym napędem elektrycznym. Hydraulika i Pneumatyka nr 1, [5] KOSUCKI A., Badanie tranportu ładunków przy wykorzytaniu kojarzonych ruchów mechanizmów uwnic pomotowych. Zezyty Naukowe. Politechnika Łódzka nr [6] STAWIŃSKI Ł., Stanowiko laboratoryjne do badań układów hydrotatycznych ze zmiennym obciążeniem. Hydraulika i Pneumatyka nr 1, THE TESTS OF HYDROSTATIC SYSTEMS FED BY INVERTERS Abtract In the paper there are preented exampled verification tet of hydrotatic ytem with adjutable peed of the pump with uage of the motor fed by inverter. The model of hydrotatic drive with the cylinder and variable motor peed and it imulation tet with different time of pump peed change are preented. The energy conumption of the drive fed by the inverter in relation to exiting olution wa alo defined. 16