PROBLEM OBJĘTOŚCIOWEGO STEROWANIA SIŁĄ LUB MOMENTEM UKŁADU ELEKTROHYDRAULICZNEGO

Tadeuz STEFAŃSKI PROBLEM OBJĘTOŚCIOWEGO STEROWANIA SIŁĄ LUB MOMENTEM UKŁADU ELEKTROHYDRAULICZNEGO W pracy przedtawiono wyniki analizy terowania iłą lub momentem (ciśnieniem) elementu wykonawczego układu elektrohydraulicznego, którego pompę o tałej wydajności geometrycznej napędza ilnik indukcyjny (AC) zailany z falownika napięcia. Uwzględniając, że iła (momen elementu wykonawczego jet w przybliżeniu proporcjonalna do ciśnienia, dalze rozważania prowadzono do terowania tą wielkością. Sterowanie ciśnieniem realizowano w układzie objętościowym (bez zaworu dławiącego), tj. poprzez zmianę momentu na wale ilnika indukcyjnego. Do identyfikacji parametrycznej modelu matematycznego napędu elektrohydraulicznego zatoowano numeryczną metodę optymalizacji tatycznej Box a, natomiat do terowania momentem ilnika AC metodę polowo-zorientowaną. Sterowanie ciśnieniem za pomocą zmiany momentu ilnika indukcyjnego (terowanie objętościowe) porównano ze terowaniem dławieniowym, w układzie z proporcjonalnym zaworem regulacyjnym. Analizowano także charakterytyki prawności napędu dla różnych wartości obciążeń w tanie utalonym prędkości obrotowej ilnika hydraulicznego. Badania laboratoryjne przeprowadzono dla napędu pompy z ilnikiem indukcyjnym o mocy 2,6 kw. WSTĘP Układy elektrohydrauliczne mają zerokie zatoowanie przemyłowe, głównie jako układy regulacji położenia i prędkości. Częto jednak zachodzi konieczność terowania iłą lub momentem elementu wykonawczego, np. w praach. Sterowanie iłą (momentem) hydraulicznego elementu wykonawczego wymaga zatoowania proporcjonalnego zaworu dławiącego (dławieniowy układ terowani lub pompy wyporowej o zmiennej wydajności (objętościowy układ terowani [2, 4, 6, 7]. Układy terowania dławieniowego charakteryzują ię dobrą dynamiką, ale niką prawnością, co ogranicza ich zatoowanie do niewielkich mocy. Alternatywnym rozwiązaniem może być zatoowanie terowania objętościowego, poprzez zmianę wydajności jednotkowej pompy lub poprzez zatoowanie falownikowego napędu pompy o tałej wydajności geometrycznej. Między iłą lub momentem (iłownika lub ilnika hydraulicznego) a ciśnieniem zachodzą w przybliżeniu proporcjonalne relacje. Relacje te można wykorzytać do odpowiedniego terowania momentem ilnika elektrycznego, napędzającego pompę wyporową o tałej objętości geometrycznej, w celu uzykania żądanego ciśnienia. Dalze rozważania prowadzono więc do problemu terowania ciśnieniem, które jet mierzone za pomocą niekomplikowanych przetworników. W układach hydraulicznych do napędu pomp najczęściej toowane ą ilniki indukcyjne, które charakteryzują ię niezawodnością, niką ceną i dość wyoką prawnością [1]. Na dużą popularność trójfazowych ilników indukcyjnych wpływa także znaczny potęp kontrukcyjny i technologiczny w dziedzinie budowy przekztałtników. Obecnie w więkzości falowników ą zaimplementowane kalarne oraz wektorowe metody terowania prędkością lub momentem ilnika elektrycznego. Sterowanie ciśnieniem najczęściej jet realizowane w dwóch przypadkach: opór technologiczny, a więc i ciśnienie w elemencie wykonawczym układu hydraulicznego wytępuje podcza ruchu tego elementu, a więc przy przepływie czynnika roboczego, opór technologiczny elementu wykonawczego wytępuje przy braku lub nieznacznym przepływie czynnika roboczego. W pierwzym przypadku (np. napęd pojazdu) ma miejce przepływ czynnika roboczego, a więc zmiana momentu (ciśnieni odbywa ię przy określonej prędkości ilnika elektrycznego napędzającego pompę. Natomiat w drugim przypadku (np. napęd pray), przepływ czynnika roboczego może być nieznaczny przy niezbędnej dużej wartości momentu, co twarza niekorzytne warunki dla pracy ilnika AC (duża wartość momentu przy małej prędkości kątowej), a także i pompy hydraulicznej. W pracy przedtawiono wyniki analizy terowania ciśnieniem w układzie hydraulicznym poprzez zmianę momentu ilnika indukcyjnego, a także dla porównania poprzez zatoowanie proporcjonalnego zaworu regulacyjnego. Dokonano oceny dynamiki i prawności napędu elektrohydraulicznego. 1. MODEL MATEMATYCZNY NAPĘDU W celu dokonania analizy dynamiki i efektywności objętościowego układu terowania ciśnieniem napęd hydrauliczny konfigurowano zgodnie ze chematem zamiezczonym na ry. 1. Silnik indukcyjny klatkowy AC 1 (2,6 kw, 23 obr/min) zailany z falownika, napędza pompę tłoczkową 3 o objętości geometrycznej 4,9 cm 3 /obrót poprzez przęgło i układ pomiaru momentu 2. Sterowanie przepływem (ciśnieniem) odbywa ię poprzez zmianę prędkości obrotowej (momentu) ilnika 1 lub odpowiednie terowanie proporcjonalnym zaworem regulacyjnym 7. Obciążeniem układu jet tłoczkowy ilnik hydrauliczny 9, o objętości geometrycznej 4,9 cm 3 /obrót, połączony mechanicznie z maą 1 o momencie bezwładności Jm=,1 kgm 2. Stanowiko wypoażono w mikroproceorowe układy pomiarowe: napięć i prądów tojana, prędkości, położenia wału oraz momentu obrotowego ilnika AC, prędkości i położenia wału ilnika hydraulicznego (enkoder 11), natężenia przepływu (przepływomierz turbinkowy 5) i ciśnienia (przetworniki 6a, 6b i 6c). Dodatkowo ta- 1354 AUTOBUSY 12/216

nowiko wypoażono w zawór przelewowy 4 oraz w układ antykawitacyjno-przeciążeniowy 8. Do terowania i rejetracji wielkości mierzonych zatoowano kartę kontrolno-terującą (Dpace) oraz komputer. W układzie elektrohydraulicznym zatoowano falownik o wbudowanej aplikacji układu regulacji prędkości kątowej i momentu ilnika AC. W aplikacji natawy regulatorów można wprowadzać ręcznie lub korzytać z autodetekcji parametrów dynamicznych napędu. Pożądaną wartość regulowanej prędkości kątowej lub momentu w tanie utalonym uzykuje ię poprzez wprowadzenie na wejście terownika falownika napięcia w zakreie -5 V. Ry. 1. Schemat tanowika badawczego Widok tanowika badawczego napędu elektrohydraulicznego przedtawia ry. 2. Ry. 2. Widok tanowika laboratoryjnego napędu elektrohydraulicznego Model matematyczny ilnika AC, formułowano w wirującym układzie wpółrzędnych d-q, zorientowanym zgodnie z wektorem napięcia tojana [1]: przy ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d d t t t R i t v t t dv qv dv ( ) ( ) ( ) ( ) d d t t t R i t t qv dv qv ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d d i t a1 t a3 t t a2i t t dv dv qv e dv iqv ( ( iqv ( e( a3v( ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) d d i t a3 t t a1 t i t t t qv dv e qv dv idv ( e( a2iqv ( i dv czym:, i qv i R a r 1 L Lr 2 L Lr Lm L Lr, qv dv, a 2 R L + Rr Lr, a3 1 L (1) kładowe wektora prądu i trumienia tojana układzie wpółrzędnych związanym z wektorem napięcia, pulacja ynchroniczna, e elektryczna prędkość kątowa, prędkość kątowa wału ilnika, R i L rezytancja i indukcyjność tojana, R r i L rezytancja i indukcyjność wirnika, r L m indukcyjność główna. Równanie mechaniczne ilnika zapiano w potaci d( J B( M( M dt o ( gdzie: J moment bezwładności wirnika, B wpółczynnik tarcia wikotycznego, M moment elektromagnetyczny, Mo moment obciążenia na wale. W polowo-zorientowanym układzie wpółrzędnych, zorientowanym zgodnie z wektorem trumienia wirnika, moment ilnika wyraża ię zależnością, (2) M( C i ( (3) p b q 3p przy czym blm d C 2Lr, jet liczbą par biegunów, a i q kładową wektora prądu. Uwzględniając, że moc No obciążenia ilnika AC (moc pompy) jet określona zależnością wobec tego Q( 3 No( 1 Mo( (, kw (4) 6 1 Q( Mo( Co 6( przy czym: Co, 9 q p, Q natężenie przepływu, l/min, p ciśnienie, bar, q p objętość geometryczna pompy, cm 3 /obrót. Równanie ilnika hydraulicznego ma potać (5) 12/216 AUTOBUSY 1355

J m dm( B dt ( C m m m gdzie: 1 3 q C m, tała, zależna od parametrów kontrukcyjnych 2 ilnika hydraulicznego; q objętość geometryczna ilnika [cm 3 /obrót], J m moment bezwładności, Bm wpółczynnik tarcia wikotycznego. Pomijając prężytość i ściśliwość w układzie hydraulicznym, zależność między prędkością kątową ilnika elektrycznego a prędkością kątową ilnika hydraulicznego przyjmie potać Składowa prądu m i q (6) q p m( ( (7) q jet proporcjonalna do napięcia u podawanego na wejście terownika falownika (układ otwarty) lub do napięcia wyjściowego regulatora (układ regulacji ciśnieni. 2. MODEL MATEMATYCZNY UKŁADU STEROWANIA CIŚNIENIEM TYPU WEJŚCIE-WYJŚCIE 2.1. Model dla zablokowanego przepływu czynnika roboczego Przedtawiony model matematyczny (1)-(7) układu terowania ciśnieniem jet nieliniowy. Sygnałem wejściowym tego układu jet napięcie u (wprowadzane na wejście terownika falownika w zakreie -5 V), do którego jet proporcjonalny moment ilnika AC lub proporcjonalne otwarcie hydraulicznego zaworu regulacyjnego (wprowadzane na wejście wzmacniacza w zakreie -5 V), natomiat ygnałem wyjściowym w obydwu przypadkach jet ciśnienie p, mierzone przetwornikiem 6b. Jeśli ciśnienie jet terowane za pomocą zmiany momentu ilnika AC, wówcza zawór 7 jet otwarty. W wielu urządzeniach, np. w praach ma miejce terowanie ciśnieniem przy nieznacznym lub braku przepływu czynnika roboczego przez element wykonawczy. Aby tworzyć zbliżone warunki pracy napędu, odcięto połączenie linii zlewowej ilnika hydraulicznego ze zbiornikiem. W tak konfigurowanym otwartym układzie terowania mierzono ciśnienie przetwornikiem 6b dla kokowych zmian napięcia u, o natępujących wartościach: 1, 2, 3, 4 i 5 V. W przypadku ilnika AC 1V odpowiada momentowi M=2 Nm (falownik poiada zaimplementowany algorytm terowania momentem w oparciu o pomiar prądu ilnik, natomiat w przypadku zaworu proporcjonalnego odpowiednie jego otwarcie (napięcie podawane na cewkę zaworu wynoi 1,86u, przy czym u jet w zakreie -5 V). Na ry. 3 zamiezczono przebiegi czaowe ciśnienia p na kokowe zmiany napięcia u. 1 125 1 5 25 u=5 [V] u=4..1.2.3.4.5 Ry. 3. Odpowiedzi czaowe ciśnienia p na kokowe pobudzenie napięciem u (momentem ilnika AC, 1 V=2 Nm) Dla porównania, na ry. 4 zamiezczono odpowiedzi czaowe ciśnienia p na kokowe pobudzenie napięciem u zaworu proporcjonalnego. W tym przypadku reakcja zmiany ciśnienia na ygnał pobudzający jet bliko dzieięciokrotnie zybza. W układach regulacji ciśnienia zatoowano klayczne regulatory typu PID. Ich parametry można wyznaczyć na podtawie identyfikacji nieparametrycznej (wyznaczenie pośrednich wkaźników charakteryzujących dynamikę obiektu terowani lub na podtawie identyfikacji parametrycznej (wyznaczenie wartości wpółczynników równań modelu matematycznego obiektu). Zwykle identyfikacja parametryczna zapewnia dokładniejze wyznaczenie parametrów regulatorów dla zadanego wkaźnika jakości regulacji. 21 18 12 9 6 3 u=4 i 5 [V]..1.2.3.4.5 Ry. 4. Odpowiedzi czaowe ciśnienia p na kokowe pobudzenie napięciem u zaworu proporcjonalnego Wyznaczenie wpółczynników nieliniowego modelu (1)-(7) wymaga zatoowania złożonych ekperymentów identyfikacyjnych i metod przetwarzania danych pomiarowych [3, 8]. W wielu przypadkach dobre efekty regulacji uzykuje ię toując uprozczony model matematyczny obiektu terowania, np. typu wejście-wyjście. Przebiegi czaowe ciśnienia zamiezczone na ry. 3, mają kztałt zbliżony do odpowiedzi kokowej członu inercyjnego drugiego rzędu. W związku z tym aprokymowano je tranmitancją To ) Ke u( ) 2 2 T 2T 1 Parametry uprozczonego modelu matematycznego (8) typu wejście-wyjście wyznaczono na podtawie numerycznej minimalizacji funkcji N 1 Fi N i1 i) pˆ( i) gdzie p jet zarejetrowanym, a obliczonym ciśnieniem z tranmitancji (8). Do wyznaczania parametrów tranmitancji wykorzytano numeryczną metodę optymalizacji tatycznej Box a. W tab. 1 zetawiono wartości identyfikowanych parametrów tranmitancji (8) i wpółczynnika korelacji R 2. W proceie identyfikacji wykorzytano dane pomiarowe, które graficznie zilutrowano na ry. 3. pˆ Tab. 1. Wyniki identyfikacji modelu matematycznego (8) u [V] T [] K [bar/v] T o [] R 2 1,441,735 4,18,48,999 2,396, 5 4,1,42,999 3,386,767 4,37,39,999 4,368,776 4,4,37,999 5,37,786 38,21,37,999 Przykład aprokymacji zarejetrowanej odpowiedzi czaowej układu za pomocą rozwiązania modelu matematycznego (8) przedtawia ry. 5. 2 (8) (9) 1356 AUTOBUSY 12/216

16 12 8 4 I obiekt model..1.2.3.4.5 Ry. 5. Weryfikacja identyfikacji parametrycznej tranmitancji (8) dla napięcia V Parametry tranmitancji (8) układu terowania ciśnieniem z ilnikiem AC zmieniają ię nieznacznie. 2.2. Model dla przepływu czynnika roboczego W tym przypadku poddano analizie układ terowania ciśnieniem w warunkach przepływu czynnika roboczego. Obciążeniem układu elektrohydraulicznego jet ilnik hydrauliczny obciążony momentem bezwładności (maą 1). Warunki i zaady ekperymentu nie uległy zmianie w tounku do wyżej opianych. Na ry. 6 zamiezczono odpowiedzi kokowe ciśnienia układu z załączonym ilnikiem hydraulicznym. 12 16 8 4 u=5 [V] u=4..5 1. 1.5 2. 2.5 Ry. 6. Odpowiedzi czaowe ciśnienia p na kokowe pobudzenie momentem ilnika AC w warunkach przepływu czynnika roboczego (1 V=2 Nm) Wyniki analizy laboratoryjnej wykazują, że najlepze charakterytyki rozruchu i przeciążalności momentem wykazuje ilnik ynchroniczny ze wzbudzeniem od magneów trwałych (PMSM) [7]. Odpowiedzi czaowe ciśnienia p na kokowe pobudzenie momentem ilnika PMSM o identycznej mocy znamionowej co ilnik AC ilutruje ry. 7. W tym przypadku charakter naratania ciśnień jet porównywalny do przebiegów uzykanych dla ilnika AC, jednakże uzykiwane ą znacznie wyżze ciśnienia w tanie utalonym, co świadczy o więkzym momencie ilnika PMSM. 16 2 12 8 4 u=4, 5 [V]..5 1. 1.5 2. 2.5 Ry. 7. Odpowiedzi czaowe ciśnienia p na kokowe pobudzenie momentem ilnika PMSM w warunkach przepływu czynnika roboczego W tab. 2 zetawiono wartości identyfikowanych parametrów modelu (8) i wpółczynnika korelacji R 2, dla ekperymentów identyfikacyjnych zilutrowanych na ry. 6. W czaie ekperymentów identyfikacyjnych układ pobudzano kokowymi wartościami napięcia u, przy zerowych wartościach początkowych prędkości ilnika AC. Tab. 2. Wyniki identyfikacji modelu matematycznego (8) dla układu z przepływem czynnika roboczego u [V] T [] K [bar/v] T o [] R 2 1,124,243 2,93,2,959 2,983, 221 19,2,1,972 3,962,186 17,23,9,969 4,897,25 16,34,4,981 5,889,29,48,3,976 Przykład weryfikacji proceu identyfikacji dla napięcia V przedtawiono na ry. 8. 1 8 12 6 4 2 obiekt model..3.6.9 1.2 1.5 Ry. 8 Weryfikacja identyfikacji tranmitancji (8) w warunkach przepływu czynnika roboczego dla napięcia V Identyfikacja na podtawie pomiaru charakterytyk kokowych ciśnienia dla zerowych jego wartości początkowych w wielu przypadkach może nie odzwierciedlać realnych warunków pracy napędu. Częto zmiana ciśnienia natępuje przy niezerowej jego wartości początkowej. Aby uzykać opi matematyczny napędu dla takich warunków pracy wykonano ekperymenty identyfikacyjne, polegające na pobudzeniu napędu kokowym przyrotem u napięcia u o wartości 1 V (co odpowiada kokowej zmianie utalonej wartości momentu ilnika AC równej 2 Nm, przy początkowej wartości napięcia u wynozącej 1, 2, 3 i 4 V. Analizowano wpływ wartości ciśnienia początkowego (utalonego momentu początkowego ilnika AC) na wartości identyfikowanych parametrów. Odpowiedzi kokowe ciśnienia ilutruje ry. 9. 16 12 8 4 u=4 [V]..5 1. 1.5 Ry. 9. Odpowiedzi czaowe ciśnienia p na kokowe pobudzenie napięciem u (momentem ilnika AC), przy różnych wartościach początkowych ciśnienia p W tym przypadku zarejetrowane odpowiedzi czaowe ciśnienia aprokymowano tranmitancją drugiego rzędu bez opóźnienia (odpowiedzi czaowe zamiezczone na ry. 9 charakteryzują ię bardzo małym opóźnieniem, tąd To) ) K (1) u( ) 2 2 T 2T 1 Wyniki identyfikacji modelu matematycznego (1), dla niezerowych wartości ciśnienia początkowego, zamiezczono w tab. 3. Tab. 3. Wyniki identyfikacji modelu matematycznego (1) dla układu z ilnikiem AC u+u [V] T [] K [bar/v] R 2 1+1,97,326 3,22,979 2+1,88, 285 3,14,972 3+1,88,265 3,12,989 4+1,82,252 3,3,981 12/216 AUTOBUSY 1357

Przykład porównania zarejetrowanego i obliczonego z tranmitancji (1) ciśnienia p, dla wartości parametrów tranmitancji pełniających minimum wkaźnika jakości identyfikacji (9), zamiezczono na ry. 1. W tym przypadku wpółczynniki tranmitancji (1) ą praktycznie tałe, za wyjątkiem małej wartości początkowej ciśnienia. 12 11 13 1 9 8 obiekt model 7..3.6.9 1.2 1.5 Ry. 1. Weryfikacja identyfikacji parametrycznej tranmitancji (1) dla V Ponieważ zmiany wartości parametrów ą nieznaczne, nie ma więc potrzeby toowania terowania adaptacyjnego, polegającego na odpowiednich zmianach wartości nataw regulatorów. Wartość wpółczynnika wzmocnienia jet w przybliżeniu tała, przy wpółczynniku korelacji R 2 w granicach wartości,98. Odmiennie ytuacja wygląda w przypadku układu z zaworem proporcjonalnym, gdzie znacząco zmienia wartość wpółczynnika wzmocnienia. Zmiana tego wpółczynnika jet tym więkza, im wydajność pompy jet mniejza w tounku do przepływu nominalnego zaworu proporcjonalnego. 3. REGULACJA CIŚNIENIA W praktycznych zatoowaniach układów terowania prędkością kątową lub momentem ilnika AC najczęściej ą toowane natępujące metody: kalarna, bezpośredniego terowania momentem (DTC, Direct Torque Control) oraz polowo-zorientowana (FOC, Field Oriented Control) [1, 5]. Obecnie najpopularniejzą metodą terowania jet metoda polowo-zorientowana. Idea tej metody polega na regulacji kładowych wektora prądu tojana i, przedtawionych w polowo-zorientowanym układzie wpółrzędnych, tj. w układzie wirującym zgodnie z wektorem trumienia wirnika lub tojana ilnika. Wówcza trumień ilnika jet proporcjonalny do kładowej i d, a moment do kładowej prądu. Kąt położenia polowo-zorientowanego układu wpółrzędnych jet wyznaczany na podtawie pomiaru lub etymacji trumienia albo etymacji poślizgu. Typowy chemat blokowy otwartego układu terowania zadanego momentu Mz (kładowej prądu iqz) ilnika AC zamiezczono na ry. 11. W dotychczaowych rozważaniach przyjęto, że zadaną wartość momentu wprowadzano za pomocą ygnału u. Ry. 11. Schemat blokowy otwartego układu terowania momentem (metoda FOC) (i A, i B, i C prądy fazowe tojana; i dz zadana wartość kładowej wektora prądu tojana; u d, u q kładowe wektora napięcia tojana w wirującym układzie wpółrzędnych; u, u kładowe wektora napięcia tojana w tacjonarnym układzie wpółrzędnych) i q i d i q Układ regulacji momentu z zatoowaniem metody polowozorientowanej cechuje ię bardzo dobrą dynamiką. W związku z tym regulację ciśnienia zadanego pz analizowano w układzie, którego chemat ilutruje ry. 12. Ry. 12. Schemat blokowy układu regulacji ciśnienia Parametry regulatora PID układu regulacji ciśnienia wyznaczono na podtawie numerycznej minimalizacji natępującej funkcji N 1 F N i1 pmo ( i) pˆ( i) 2 (11) gdzie pmo jet zadaną odpowiedzią modelu odnieienia. Tranmitancję modelu odnieienia przyjęto w potaci (1), przy czym założono: T=,1, =1, K=1 i T o=. Parametry regulatora PID można także obliczyć analitycznie, przyjmując jako kryterium yntezy, np. zadane położenie biegunów układu regulacji. Na ry. 13 zamiezczono przykład regulacji ciśnienia za pomocą terowania momentem M ilnika AC, przy czym przez n oznaczono prędkość obrotową ilnika AC. Ekperyment przeprowadzono w układzie z zablokowanym (ry. 13 oraz z przepływem czynnika roboczego (ry. 13b), przy obciążeniu ilnika hydraulicznego momentem bezwładności may 1. W układach regulacji zadano ciśnienie pz= barów. b) p[bar], M[Nm], n[obr/min] p[bar], M[Nm], n[obr/min] 9 6 3 p 5*M.2*n -..3.6.9 1.2 1.5 9 6 3 p 5*M.1*n..3.6.9 1.2 1.5 1.8 Ry. 13. Regulacja ciśnienia poprzez terowanie momentem ilnika AC dla przepływu: zablokowanego, b) przez ilnik hydrauliczny z maą 1 Dla porównania, na ry. 14 zamiezczono przykład regulacji ciśnienia dla terowania dławieniowego z zatoowaniem proporcjonalnego zaworu regulacyjnego. W analizowanym przypadku badań uzykano porównywalne wyniki regulacji ciśnienia, przy czym w przypadku układu z ilnikiem AC trudno jet otrzymać krótzy cza regulacji. Z kolei ry. pokazuje przykład regulacji ciśnienia za pomocą terowania momentem ilnika AC, przy niezerowej wartości ciśnie- 1358 AUTOBUSY 12/216

nia początkowego. W ekperymencie zadano kokową zmianę ciśnienia o wartość 5 barów, przy początkowej jego wartości 25 barów. Cza regulacji ciśnienia wynoi ok.,1, co daje zbliżony wynik do układu z zaworem proporcjonalnym. b) 9 6 3..1.2.3.4.5.6.7.8 9 6 3..2.4.6.8 1. 1.2 Ry. 14. Regulacja ciśnienia z zatoowaniem zaworu proporcjonalnego dla przepływu: zablokowanego, b) przez ilnik hydrauliczny b) 9 6 3..2.4.6.8 1. 1.2 9 6 3..2.4.6.8 1. 1.2 Ry.. Regulacja ciśnienia dla koku ciśnienia w zakreie 25- barów poprzez terowanie momentem ilnika AC dla przepływu: zablokowanego, b) przez ilnik hydrauliczny 4. SPRAWNOŚĆ NAPĘDU HYDRAULICZNEGO Podtawą określenia charakterytyk prawności układu elektrohydraulicznego dla terowania objętościowego i dławieniowego były pomiary wielkości elektrycznych, mechanicznych oraz hydraulicznych. Charakterytyki te zotały wyznaczone dla utalonego oraz nieutalonego tanu prędkości obrotowej ilnika hydraulicznego, obejmującego jego rozruch od zerowej do określonej prędkości. Wpółczynnik prawności układu ilnik AC-pompa-ilnik hydrauliczny zdefiniowano natępująco przy czym: P h 1 [%] (12) Pe P h p Q 6 moc hydrauliczna ( P h, kw; p, bar ciśnienie w intalacji; Q, l/min natężenie przepływu); 3 N P e u jii ji moc elektryczna pobierana przez falownik i1 j1 i ilnik AC ( P e, kw; napięcia fazowego; u ji i ji, V chwilowe wartości, A chwilowe wartości prądu fazowego); N liczba próbek pomiarowych w okreie pomiaru. Charakterytyki prawności całkowitej układu elektrohydraulicznego, dla tanu nieutalonego prędkości obrotowej ilnika hydraulicznego, ilutruje ry. 16. Prędkość utaloną zadawano co 2 obr/min. Sprawność wyznaczano dla rozruchu ilnika hydraulicznego od wartości zerowej do zadanej prędkości obrotowej. Dla tak przeprowadzonego ekperymentu wyżzą prawność wykazuje terowanie objętościowe, gdzie prawność rośnie do ok. 6% wraz ze wzrotem zadanej wartości prędkości utalonej. Ry. 16. Charakterytyki prawności układu w funkcji zadanej prędkości utalonej n m ilnika hydraulicznego Charakterytyki prawności nieobciążonego układu falownikilnik AC-pompa-ilnik hydrauliczny w tanie utalonym prędkości obrotowej ilnika hydraulicznego, dla terowania objętościowego i dławieniowego, zamiezczono na ry. 17. Pomiary, na podtawie których wyznaczano prawność tego układu, wykonywano w zakreie prędkości od 2 do 2 obr/min. Silnik hydrauliczny obciążony był tylko momentem bezwładności may 1, który w tanie utalonym prędkości obrotowej praktycznie był równy zeru. Na podtawie wyników ekperymentu laboratoryjnego można twierdzić, że prawność całkowita napędu elektrohydraulicznego z zatoowaniem objętościowej metody terowania jet znacząco wyżza w tounku do terowania dławieniowego, a powodowane jet to głównie tratą mocy na zaworze przelewowym i regulacyjnym zaworze proporcjonalnym. Problem ten ilutrują także wykrey mocy pobranej z ieci elektrycznej przez wymieniony wyżej układ, które zamiezczono na ry. 18. Ry. 17. Sprawność nieobciążonego układu elektrohydraulicznego przy terowaniu objętościowym i dławieniowym dla utalonej prędkości obrotowej n m ilnika hydraulicznego 12/216 AUTOBUSY 1359

Ry. 18. Moc pobrana z ieci elektrycznej przez nieobciążony układ elektrohydrauliczny dla utalonej prędkości obrotowej n m ilnika hydraulicznego Sprawność całkowita układu rośnie, jeżeli ilnik hydrauliczny zotanie obciążony momentem zewnętrznym. Wówcza dla terowania dławieniowego część pobranej energii zotanie odzykana przez ilnik, która dotychcza była tracona na zaworze przelewowym. Ryunek 19 przedtawia charakterytyki prawności napędu elektrohydraulicznego przy obciążeniu zewnętrznym, zapewniającym tałe ciśnienie w intalacji. Tak formułowane warunki ekperymentu laboratoryjnego uzykano dławiąc przepływ na linii zlewowej. b) Ry. 19. Sprawność układu napęd elektryczny-ilnik hydrauliczny przy terowaniu objętościowym ( i dławieniowym (b) dla tałych wartości ciśnień PODSUMOWANIE W pracy przedtawiono wyniki analizy terowania ciśnieniem w układzie hydraulicznym, z pompą o tałej objętości geometrycznej, poprzez terowanie momentem ilnika indukcyjnego. Silnik indukcyjny zailano z falownika napięcia. Badania miały na celu ocenę możliwości efektywnego terowania iłą lub momentem (ciśnieniem) układu hydraulicznego bez zatoowania proporcjonalnego zaworu dławiącego. Analizowano dokładność identyfikacji i wpływ warunków początkowych mierzonych wielkości fizycznych na wyniki identyfikacji. W wyniku przeprowadzonej analizy twierdzono że: regulacja ciśnienia poprzez terowanie momentem ilnika napędzającego pompę cechuje ię dobrymi parametrami regulacyjnymi, także w krajnych warunkach przepływu czynnika roboczego; zatoowanie zaworu proporcjonalnego zapewnia zerokie możliwości kztałtowania właściwości tatycznych i dynamicznych układu regulacji ciśnienia, ale odbywa ię to koztem dużej traty mocy; w przypadku regulacji ciśnienia w warunkach przepływu czynnika roboczego regulacja objętościowa ciśnienia jet w pełni konkurencyjna z regulacją ciśnienia poprzez zatoowanie zaworu proporcjonalnego. Sprawność napędu elektrohydraulicznego zaadniczo zależy od zatoowanej metody terowania (objętościowej lub dławieniowej), rodzaju pompy, charakteru obciążenia oraz doboru elementów terujących i wykonawczych. Przeprowadzone ekperymenty laboratoryjne potwierdziły, zgodnie z przypuzczeniem, że prawność napędu z wykorzytaniem objętościowej metody terowania jet znacznie wyżza w tounku do terowania dławieniowego. Sprawność całkowita układu napędowego w tanach utalonych rośnie wraz ze wzrotem ciśnienia w intalacji, mocy obciążenia układu i prędkości obrotowej ilnika hydraulicznego. Spowodowane jet to głównie wpływem prawności pozczególnych elementów układu. BIBLIOGRAFIA 1. Boldea I., Naar S.A., Electric Drive. CRC Pre LLC, 1999. 2. Gozdalik M., Hydrauliczny agregat z nienatawną pompą z regulowanym napędem elektrycznym, Hydraulika i Pneumatyka, 29, tr. 5-11. 3. Kojooyan-Jafari H., Monjo L., Corcole F., Pedra J., Parameter Etimation of Wound-Rotor Induction Motor from Tranient Meaurement. IEEE Tranaction on Energy Converion, 214,Volume 29, Iue 2, tr. 3 38. 4. Manring N. D., Hydraulic Control Sytem. John Wiley & Son. New York, 25. 5. Stefańki T., Zawarczyńki Ł., Analiza porównawcza wybranych metod terowania momentem i prędkością kątową ilnika indukcyjnego. Pomiary Automatyka Kontrola, 21, nr 12, tr. 13-16. 6. Stefańki T., Zawarczyńki Ł., Energoozczędny napęd hydrauliczny z ilnikiem indukcyjnym zailanym z falownika napięcia. Acta Mechanica et Automatica, 21, vol. 4, nr 2, tr. 13-136. 7. Stefańki T., Zawarczyńki Ł., Analiza falownikowego napędu pompy hydraulicznej w układzie terowania objętościowego. X Konferencja Sterowanie w Napędzie Elektrycznym i Energoelektronice, Łódź, 211. 8. Tofighi E. M., Mahdizadeh A., Feyzi M. R., Online etimation of induction motor parameter uing a modified particle warm optimization technique. 39th Annual Conference of the IEEE Indutrial Electronic Society (IECON 213), 213, tr. 36 365. Problem of force and torque volumetric control in electrohydraulic ytem The analyi reult of force or torque (preure) control of electrohydraulic ytem, where a contant diplacement pump i powered by inverter-fed induction motor, are preented. Taking into conideration that the force (torque) of the hydraulic actuator i approximately proportional to the preure, all further conideration were brought to controlling value of preure. Control of preure in the volumetric control ytem (without the throttle valve) i done by changing the torque value on the induction motor haft. The Box numerical method of tatic optimiation ha been applied in 136 AUTOBUSY 12/216

parametric identification of the drive ytem while the fieldoriented control method wa ued to control torque value of AC motor. Laboratory reult of preure control method by induction motor torque control were compared with reult of throttling control method with proportional valve. The efficiency characteritic for variou value of load at teadytate rotational peed of the hydraulic motor were identified. Laboratory tet for the model of the inverter drive ytem with AC motor of 2,6 kw were conducted. Autor: dr hab. inż. Tadeuz Stefańki, Politechnika Świętokrzyka, Wydział Elektrotechniki, Automatyki i Informatyki, Al. Tyiąclecia P.P. 7, 25-314 Kielce, e-mail: t.tefanki@tu.kielce.pl 12/216 AUTOBUSY 1361