Použití frekvenčních měničů při řízení elektrohydraulických pohonů


Noskievič, Petr

Doc., Ing., CSc. Katedra ATŘ-352, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu, Ostrava - Poruba, 708 33,  Petr.Noskievic@vsb.cz

1. Abstrakt

The offer of the frequency converters for the control of asynchronous drives allows to control the flow by the various rotations. It is possible to use the fixed displacement pump or control pump, to reverse the pump under special conditions. The theoretical flow through the pump is given by

,

(1)

where Vt is the theoretical volume of the pump, y is a relative displacement of the pump and n gives the roots of the drive. The displacement y is given by y = 1 for the constant pump. The control pumps realise the alteration of the flow by various displacement of the pump by the constant rotations n. The control pumps are used for flow control, pressure control, power limitation and other types of control.

Using the frequency converter it is possible to change the rotations of the asynchronous electro-drive powering the pump and realise :

The possibilities of the application of the frequency converter are shown in the paper.

2. Energetická bilance hydraulických pohonů

Hydraulické mechanismy a regulované elektrohydraulické pohony jsou i přes silný konkurenční tlak elektrických pohonů často nezastupitelnými pohony mnohých strojních zařízení.Při jejich aplikaci je nutné posoudit koncepci pohonu z hlediska jeho cílové funkce - rychlosti pohybů, přesnosti, působící zátěže a energetické bilance. Tlaková energie pracovního media u hydrostatických pohonů se získává přeměnou jiné energie, u stacionárních zařízení zpravidla přeměnou elektrické energie na mechanickou práci. Volba správné koncepce hydraulického obvodu může výrazně ovlivnit celkovou energetickou bilanci hydraulického systému, jeho požadavky na odběr energie a provozní náklady. Zlepšení energetické bilance celého hydraulického systému se dá dosáhnout zvýšením účinností jednotlivých transformací energie a minimalizací spotřeby v mezioperačních časech.

Energetická bilance hydraulických pohonů je určena poměrem výkonu hydromotoru určeného průtokem hydromotorem a tlakem zátěže

(2)

a množstvím energie dodávané hydrogenerátorem do hydraulického obvodu

.

(3)

Při této bilanci jsou rozhodující ztráty energie, které vznikají na pojišťovacím ventilu a při řízení průtoku škrcením na ventilech pro spojité řízení průtoku - servoventilech, proporcionálních, regulačních ventilech, kde se nevyužitý výkon hydrogenerátoru přemění v teplo. Pracovní bod pohonu je charakterizován aktuálním zatížením a rychlostí pohonu - tlak zátěže pz , průtok Q.

V praxi se můžeme setkat s hydraulickými obvody různé koncepce a různé energetické náročnosti. Energeticky nejméně výhodný je hydraulický pohon s konstantním hydrogenerátorem QHG=konst. a konstantním tlakem ps = konst.,. Množství energie dodávané do obvodu je konstantní a mění se pouze užitečný výkon. Snížení ztrát, které vznikají především na pojišťovacím ventilu umožňuje dosáhnout použití odlehčení hydrogenerátoru při uzavřených řídicích ventilech nebo použitím regulačního hydrogenerátoru s regulací na konstantní tlak. Regulační hydrogenerátor mění dodávané množství pracovního media podle aktuální spotřeby a umožňuje regulaci tlaku i průtoku.

Obr. 1. Hydraulický obvod s regulačním hydrogenerátorem a regulací tlaku a průtoku (n=konst.)

Regulační hydrogenerátor v hydraulickém obvodu na obr.1 má konstantní otáčky a změnou geometrického objemu - poloha přestavného mechanismu y - lze realizovat regulaci systémového tlaku, případně regulaci průtoku.

Pomocí obr.1 lze definovat energetickou účinnost celého pohonu. Zpravidla asynchronní třífázový elektromotor, který pohání hydrogenerátor, odebírá z elektrické sítě příkon Pel. Elektrická energie se přemění v mechanickou práci, výkon na hřídeli motoru je roven

.

(4)

Účinnost elektromotoru je určena poměrem

(5)

Tato energie je přiváděna na hřídel hydrogenerátoru, který za jednotku času dodává do obvodu množství energie PHG podle (3) a jeho účinnost lze definovat poměrem hodnoty (3) k (4)

(6)

Hydromotor přeměňuje energii dodávanou do obvodu hydrogenerátorem na mechanickou práci. Výkon hydromotoru je roven

,

(7)

přičemž pro účinnost platí

(8)

Celková účinnost pohonu je určena součinem účinností jednotlivých členů přenosového řetězce

,

(9)

případně po zavedení

(10)

platí

.

(11)

Zlepšení celkové energetické bilance pohonu lze dosáhnout zvýšením dílčích účinností. Z hlediska hydraulického pohonu má velký význam minimalizace ztrát škrcením na řídicích ventilech, optimalizaci účinnosti HM lze dosáhnout vhodnou volbou koncepce pohonu [Noskievič 1996].

Podstatné energetické úspory lze dosáhnout použitím hydraulického obvodu s proměnným systémovým tlakem závislým na velikosti aktuálního zatížení, tzv. load - sensing systém. V hydraulickém obvodu je vyhodnoceno maximální zatížení pohonu - tlak zátěže pz a podle jeho aktuální hodnoty se průběžně nastavuje okamžitá hodnota systémového tlaku, která je vyšší a hodnotu pLS potřebnou pro zajištění správné funkce řídicích ventilů.

Load - sensing (LS) obvody se realizují standardně s LS - regulačním hydrogenerátorem s hydraulickomechanickou regulací a hydraulickým vyhodnocením tlaku zátěže. Současný rozvoj elektrohydraulických systémů, regulačních hydrogenerátorů s elektrohydraulickou regulací a možnost použití elektronického vyhodnocení tlaku zátěže nabízí elektrohydraulickou realizaci load - sensing systému.

Dosažení co nejlepší účinnosti HG lze dosáhnout volbou vhodného hydrogenerátoru a jeho optimálním pracovním režimem s ohledem na jeho charakteristiky. Účinnost m-el může ovlivnit vhodné řízení elektromotoru.

3. Možnosti použití frekvenčních měničů

Teoretický průtok dodávaný hydrogenerátorem lze vyjádřit vztahem

,

(12)

kde Vt je teoretický objem hydrogenerátoru, y relativní poloha přestavného mechanismu hydrogenerátoru a n jsou otáčky motoru pohánějícího hydrogenerátor. Regulační hydrogenerátory realizují změnu průtoku změnou geometrického objemu hydrogenerátoru při konstantních otáčkách n. Nabídka frekvenčních měničů pro řízení asynchronních motorů nabízí realizovat změnu dodávaného množství změnou otáček hydrogenerátoru, přičemž lze použít konstantního nebo regulačního hydrogenerátoru.

Regulace otáček asynchronních motorů pohánějících hydrogenerátory umožňuje realizovat následující koncepce pohonů.

4. Regulovaný asynchronní motor a konstantní hydrogenerátor

Změnou otáček konstantního hydrogenerátoru lze realizovat regulaci tlaku i průtoku, hydrogenerátor lze za určitých podmínek i reverzovat.

Obr. 2. Regulovaný asynchronní elektromotor a konstantní hydrogenerátor

Lze tak navrhnou regulovaný hydraulický zdroj s tlakovou, případně objemovou regulací, případně realizovat elektrohydraulický load sensing systém, obr. 3.

Obr. 3. Schéma LS - systému s konstantním hydrogenerátorem a regulovaným asynchronním motorem

5. Regulovaný asynchronní motor a regulační hydrogenerátor

Obr. 4 ukazuje schematicky tlakový zdroj s regulovaným asynchronním elektromotorem řízeným pomocí frekvenčního měniče a regulační hydrogenerátor.

Obr. 4. Regulovaný asynchronní elektromotor řízeným pomocí frekvenčního měniče a regulační hydrogenerátor

Na obr. 4 zobrazený tlakový zdroj umožňuje změnu průtoku změnou otáček i změnou geometrického objemu. Změna průtoku pomocí změny otáček je výhodná při vyšších otáčkách až do nejnižších cca n = 200 ot./min.. Při ještě nižsích otáčkách je výhodné realizovat změnu průtoku změnou geometrického objemu hydrogenerátoru.

4. Přímé řízení hydromotoru otáčkově řízeným hydrogenerátorem

Otáčkově řízený hydrogenerátor lze použít pro přímé řízení pohybu hydromotoru. V obvodu nejsou použity ventily pro spojité řízení průtoku pracující na principu škrcení na řídicích hranách, čímž se značně sníží tlakové ztráty a vylepší energetická účinnost hydromotoru.

Obr. 5. Řízení hydromotoru pomocí hydrogenerátorů s proměnnými otáčkami

5. Účinnost a provozní podmínky pohonů otáčkově řízených agregátů

Z hlediska provozu otáčkově řízených hydraulických a agregátů a pohonů je zajímavé sledovat účinnosti agregátu a jednotlivých komponentů a možnosti provozního nasazení s ohledem na opotřebení a životnost jednotlivých komponentů. Závěry prvních výzkumů z dlouhodobých zkoušek a vyhodnocení účinností jsou publikovány v Neubert 1998.

Obr. 6 a 7 ukazují průběhy účinnosti axiálního pístového hydrogenerátoru se šikmou osou (HG), asynchronního motoru s frekvenčním měničem (m-el) a celkovou účinnost agregátu h-el. Z průběhů je patrné, že asynchronní servomotor s frekvenčním měničem v celém rozsahu vykazuje nižší účinnost než konstantní hydrogenerátor. Celková účinnost agregátu je však vyšší než u systému s konstantními otáčkami obr. 8 a 9, což je způsobeno především velmi dobrou účinností hydrogenerátoru.

Obr. 6. Rozdělení účinnosti otáčkově řízeného agregátu při odlehčení

Obr. 7. Rozdělení účinnosti otáčkově řízeného agregátu při plném zatížení

Výsledky vyhodnocení účinností u agregátu s asynchronním motorem s konstantními otáčkami a regulačním hydrogenerátorem se šikmou deskou ukazují, že asynchronní elektromotor má v celém rozsahu vyšší účinnost než hydrogenerátor. Hydrogenerátor způsobuje největší ztráty především v oblasti malých průtoků. Aby se dosáhlo lepších výsledků je vhodné použít i regulačních hydrogenerátorů řízených otáčkově pomocí asynchronního motoru s frekvenčním měničem.

Obr. 8. Rozdělení účinnosti agregátu s regulačním hydrogenerátorem a konstantními otáčkami při odlehčení

Obr. 8. Rozdělení účinnosti agregátu s regulačním hydrogenerátorem a konstantními otáčkami při odlehčení

Výsledky experimentálního ověření ukázaly Neubert 1998 že lze použít všechny typy hydrogenerátorů v režimu s proměnnými otáčkami. Pro určité konkrétní případy nasazení platí určitá omezení, jsou zapotřebí určité konstrukční změny na hydrogenerátorech. Energetické úspory se dosahují při nízkých odběrech energie, při nízkých otáčkách, v klidových stavech strojů. Je nutné brát zřetel i na možné vyšší opotřebení hydrogenerátoru, vlivem nízkých otáček hydrogenerátoru nemusí vzniknout hydrodynamické děje zajišťující mazání hydrogenerátoru, což může vést k jeho nadměrnému opotřebení. Při reverzaci pohonu lze realizovat i snížení tlaku v obvodu, je nutno avšak sledovat směr tlakové diference a zabránit opačné.

5. Závěr

Principiálně velmi jednoduchá možnost řízení průtoku hydrogenerátorem pomocí změny otáček primárního pohonu neměla dlouho ve strojních aplikacích prakticky žádný význam, protože bylo technicky nákladné a drahé řízení otáček elektrických strojů. Vzhledem k razantnímu vývoji v oblasti řízení asynchronních elektromotorů pomocí frekvenčních měničů se staly aplikace se střídavými servopohony cenově i výkonově atraktivním řešením.Otevírají se tak nové možnosti pro vývoj energeticky výhodných a dynamicky vyhovujících aplikací v hydraulických systémech.

6. Literatura

NOSKIEVIČ, P. 1996a. Řízení energeticky úsporných hydraulických pohonů. In Sborník I. vědecké a odborné konference "Riadenie tekutinových systémov". Žilina : VŠDS, 1996, s. 85-102. ISBN 80-7100-333-6.

NOSKIEVIČ, P. 1996b. Elektrohydraulisches Load-Sensing System. In Proceedings of the 7th International DAAAM Symposium. Vienna , 1996, s. 301-302. ISBN 3-901509-02-X.

NOSKIEVIČ, P. 1996c. Simulation of electro-hydraulic load sensing system. In sborník Int.conference of Modelling and Simulation MOSIS 96. Krnov, s. 105-110. ISBN 80-85988-03-8.

NEUBERT, TH. 1998. Elektro-hydraulische Antriebssysteme mit drehzahlveraenderbaren Pumpen. In Sborník I. Internationales Fluidtechnisches Kolloquium in Aachen. Aachen : Foerdervereinigung Fluidtechnik e.V., 1998, s. 287-300. ISBN 3-89653-242-1.

VOLKER, B. 1996. Verlustarme Leistungentnahme aus einem Hydrauliknetz. In sborník 12. Aachener Fluidtechnisches Kolloquium. Aachen, 1996, s. 285-299. ISBN 3-89653-026-7,