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關(guān)于大金DAIKIN變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用綜述 
目前在液壓系統(tǒng)中，大金DAIKIN泵絕大多數(shù)由異步電機拖動，電機在供電工頻條件下按額定轉(zhuǎn)速運行，執(zhí)行元件所需的流量，靠改變變量泵的排量來實現(xiàn)，即常用的容積調(diào)速方式。這種方式盡管避免了溢流損耗，但由于常采用閥控伺服機構(gòu)來實現(xiàn)排量的變化，故存在著液壓系統(tǒng)對油液抗污染要求高，小流量時電機與泵仍需高速運轉(zhuǎn)，機件易磨損和效率低，對液壓元件特別是伺服變量泵的制造精度要求高、制造成本高等問題；同時系統(tǒng)相對故障率也較高。
隨著微電子技術(shù)和功率電子器件的發(fā)展，異步電機變頻調(diào)速技術(shù)以其結(jié)構(gòu)簡單、堅固耐用、動態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點愈加受到人們的重視。將變頻調(diào)速技術(shù)引入液壓系統(tǒng)中，通過改變異步電機的電源頻率和電壓來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，從而滿足執(zhí)行元件速度的要求。
變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)原理如下：
油泵輸出流量公式：

式中：n — 電機（大金DAIKIN液壓泵）轉(zhuǎn)速；
qp — 液壓泵排量；
p — 電機極對數(shù)；
s — 電機轉(zhuǎn)差率；
fs — 電機定子供電頻率。
由上式可知，改變電機供電頻率，可以改變電機（泵） 的轉(zhuǎn)速，從而改變泵的輸出流量，以調(diào)節(jié)系統(tǒng)中液壓馬達的速度。它不同于傳統(tǒng)的容積調(diào)速方式，靠改變泵的排量而調(diào)整油泵的輸出流量。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡圖見圖1。

圖1 變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)

系統(tǒng)采用大金DAIKIN變頻調(diào)速電機、定量泵一定量馬達構(gòu)成液壓調(diào)速系統(tǒng)。高壓安全閥防止系統(tǒng)過載，tf給馬達加載，光電編碼器時刻檢測馬達轉(zhuǎn)速并反饋給控制器，形成閉環(huán)實時控制系統(tǒng)。在控制器設(shè)計中，可以采用pid控制、自適應(yīng)控制和模糊控制等自動控制方式。

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2 國內(nèi)外變頻液壓技術(shù)應(yīng)用及研究現(xiàn)狀
大金DAIKIN變頻液壓動力傳動是一種全局型的新型節(jié)能傳動方式，它相對于傳統(tǒng)的容積控制具有很多優(yōu)點，國內(nèi)外對這方面的研究都取得了一定的成果，也有一些成功應(yīng)用實例。下面就變頻驅(qū)動液壓技術(shù)在國內(nèi)外的發(fā)展、應(yīng)用及研究概況作一綜述。
2.l 國外應(yīng)用情況介紹
zui早由kazuo等人[1]提出了用變頻驅(qū)動實現(xiàn)液壓系統(tǒng)恒壓控制方案，yutaka等人[2，3]對這種帶蓄能器變頻驅(qū)動恒壓系統(tǒng)的特性進行了探討，并做了一些性能測試。此后，他們又對變頻電機驅(qū)動定量泵、普通電機驅(qū)動變量泵和用變頻電機驅(qū)動變量泵等幾種情況的節(jié)能效果及動態(tài)特性作了對比實驗研究（電機功率5.5kw，變頻器功率8.3kva）。結(jié)果表明，普通電機驅(qū)動變量泵系統(tǒng)和用變頻電機驅(qū)動定量泵系統(tǒng)的效率近似相等，變頻電機驅(qū)動變量泵系統(tǒng)的效率zui高。普通電機驅(qū)動變量泵系統(tǒng)和變頻電機驅(qū)動變量泵系統(tǒng)的流量響應(yīng)快于變頻電機驅(qū)動定量泵系統(tǒng)的流量響應(yīng)。kzmeier等人也做了類似的實驗，但他們用的是交流伺服電機作驅(qū)動電機，電機功率只有1.5kw。實驗表明，變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的效率高于變排量控制系統(tǒng)的效率，而用變轉(zhuǎn)速和變排量復(fù)合控制的系統(tǒng)效率高于變轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的效率。變轉(zhuǎn)速控制的速度響應(yīng)快于變排量控制的速度響應(yīng)。
液壓領(lǐng)域中zui早應(yīng)用變頻調(diào)速技術(shù)的對象是液壓電梯。早在1984年，日本三菱公司就開始著手研究變頻驅(qū)動液壓電梯，并于1986年申請了美國[4]。這篇文獻開創(chuàng)了變頻驅(qū)動技術(shù)用于液壓電梯的先河，一直是研究變頻驅(qū)動液壓電梯zui基礎(chǔ)的文獻。在這篇文獻中，提出了通過檢測電機轉(zhuǎn)速，將實測轉(zhuǎn)速與給定轉(zhuǎn)速進行比較，利用轉(zhuǎn)速差值信號作為變頻器的控制信號，變頻器輸出不同頻率的電信號來實現(xiàn)對電機和泵轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)，從而調(diào)節(jié)液壓系統(tǒng)的流量。20世紀90年代初，三菱公司將這種變頻驅(qū)動的液壓電梯推向市場，到90年代末，瑞士柏林格（beringer）公司和德國leislrilz ag公司推出了變頻驅(qū)動的液壓產(chǎn)品。
柏林格公司推出的變頻驅(qū)動液壓電梯，其控制系統(tǒng)采用變頻和閥控技術(shù)相結(jié)合的方案，用其高質(zhì)量的動態(tài)雙向流量傳感器作為反饋元器件實現(xiàn)閉環(huán)控制。電梯上行工作原理與其他標準變頻驅(qū)動液壓系統(tǒng)相同，下行的起始加速段和減速停止段采用比例電磁閥控制，其他階段采用變頻控制。德國leislrilz ag公司推出的變頻驅(qū)動液壓電梯是采用變頻驅(qū)動技術(shù)和活塞缸帶配重系統(tǒng)相結(jié)合的方案。
除了在液壓電梯上應(yīng)用以外，變頻驅(qū)動液壓技術(shù)還在飛機、注塑機、液壓轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、制磚廠等獲得應(yīng)用。
另外，國外有些公司還將電機和泵集成一體，再和相應(yīng)的變頻器配套，做成變頻驅(qū)動液壓動力泵站，成為一個功能部件產(chǎn)品。
2.2 國內(nèi)應(yīng)用情況介紹
早從事變頻驅(qū)動液壓技術(shù)的研究是浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室自1992年開展對變頻驅(qū)動液壓電梯研究以來，先后開發(fā)研制了三種變頻液壓電梯控制系統(tǒng)：變頻—閥控相結(jié)合、上下行全變頻和帶蓄能器的變頻控制系統(tǒng)。
變頻—閥控相結(jié)合的變頻驅(qū)動液壓電梯控制系[5]，其上行采用vvvf變頻容積調(diào)速控制下行則采用流量—電反饋二通電液比例閥控制的混合控制系統(tǒng)。該系統(tǒng)的特點是對變頻器的力矩性能要求不高，無需電機軸轉(zhuǎn)速反饋簡化了液壓泵站結(jié)構(gòu)；而下行采用流量反饋的比例二通閥調(diào)速，雖然結(jié)構(gòu)簡單，但是下行過程的勢能沒有得到利用，在下行過程中由于閥口節(jié)流損失引起的油液溫升比較嚴重，方案的實用性不佳。全變頻驅(qū)動液壓電梯控制系統(tǒng)[6]，其上、下行程均為變頻容積調(diào)速，而且下行時由電梯轎廂自重所產(chǎn)生的機械能帶動電機反轉(zhuǎn)，電機處于發(fā)電狀態(tài)，向電網(wǎng)回饋電能。這種系統(tǒng)同閥控液壓電梯相比，其節(jié)能率可達40％。不過由于采用轎廂速度直接反饋，中間包含較多的環(huán)節(jié)，雖然可以獲得較高的穩(wěn)態(tài)精度，但系統(tǒng)的動態(tài)控制品質(zhì)較差。帶蓄能器的變頻驅(qū)動液壓電梯控制系統(tǒng)[7]，下行時轎廂自重所產(chǎn)生的機械能通過由電機—主回路泵/馬達—蓄能回路泵／馬達—蓄能器所組成的壓力—能量轉(zhuǎn)換裝置轉(zhuǎn)換成壓力能儲存在蓄能器中；當在上行時，儲存在蓄能器中的壓力能又為電梯提供輔助動力。這種系統(tǒng)同閥控液壓電梯相比，其節(jié)能率達到60％，而且可以較大幅度地降低系統(tǒng)的裝機功率。
另外，浙江大學(xué)流體傳動及控制國家重點實驗室電梯組多年來對多種智能控制算法在變頻驅(qū)動液壓電梯中的應(yīng)用進行了深入的研究。其中包括變頻驅(qū)動液壓電梯的模糊控制、模糊pid控制、單神經(jīng)元pid控制、非線性pid控制、cmac神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制，提高了變頻驅(qū)動液壓電梯的控制品質(zhì)。

3 目前變頻液壓主要應(yīng)用領(lǐng)域
3.1 變頻液壓直線振動篩
國內(nèi)現(xiàn)有的振動篩絕大部分是電機驅(qū)動機械偏心式慣性振動篩，其主要優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單、價格低及制造容易。但機械偏心式慣性振動篩存在不少問題：一是振動參數(shù)（激振力、振幅、頻率等）不可調(diào)，不能滿足多工況工作的要求；二是由于篩網(wǎng)、篩體和激振器均參加振動，所以參振質(zhì)量大，激振力的增大導(dǎo)致軸承承受載荷大，軸承摩擦發(fā)熱嚴重，損壞較快；三是這種振動方式受到普通電機參數(shù)品種的限制，難以實現(xiàn)有些物料所需要的低頻高幅振動，不利于提高篩分效率。為此，國內(nèi)一些企業(yè)開發(fā)了變頻液壓直線振動篩，以解決上述驅(qū)動方式中存在的問題。液壓激振系統(tǒng)的工作機理是由變頻液壓激波器控制差動油缸，驅(qū)動篩機產(chǎn)生直線振動，完成物料的篩分。
3.2 變頻液壓抽油機
近幾年來，隨著我國各油田越來越多地需要長沖程、低沖次的抽油機來提高產(chǎn)液量，已研究開發(fā)出多種節(jié)能型液壓抽油機，這些抽油機在改善抽油機的運行參數(shù)，提高抽油機效率方面有了一定的進步，但始終存在裝機功率大、能耗高、自適應(yīng)能力差等缺點。新型的變頻液壓抽油機在降低裝機功率、能耗和提高抽油機的自適應(yīng)能力方面，都有顯著的提高，其主要特點為：
（1）采用液壓配重，簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
由于活塞柱塞式液壓缸的特殊結(jié)構(gòu)和液壓蓄能器的配合使用，在平衡液壓抽油機的大部分載荷時，不需另外增加配重，消除了使用機械配重所引起的增加機械結(jié)構(gòu)受力和抽油機體積等缺點?？梢詼p小抽油機體積、質(zhì)量和占地面積，適應(yīng)灘涂、海上平臺和山區(qū)等條件惡劣地區(qū)的抽油作業(yè)。
（2）能夠降低裝機功率
液壓抽油機負載做下沖程時，與活塞柱塞式液壓缸相連接的液壓蓄能器吸收能量;上沖程時儲存在液壓蓄能器中的能量補充載荷上行所需的能量，因而可大幅度地降低液壓抽油機的裝機功率。
（3）節(jié)能效率高，液壓泵站體積減小
活塞柱塞式液壓缸通過雙向液壓鎖與矢量變頻電動機驅(qū)動的雙向液壓泵構(gòu)成矢量變頻容積調(diào)速閉式系統(tǒng)，利用了變頻容積調(diào)速節(jié)能效率高和閉式油路節(jié)省液壓油的優(yōu)點，還可大大減小液壓泵站的體積。
（4）操作更加安全、平穩(wěn)
在閉式油路中采用雙向液壓鎖還可使液壓抽油機的啟停更加平穩(wěn)迅速，增加其工作的穩(wěn)定性和安全性。
3.3 變頻液壓抓斗
近年來液壓抓具（抓斗）已廣泛應(yīng)用于碼頭裝卸,垃圾處理場和鋼鐵廠廢鋼處理領(lǐng)域。目前使用的多爪液壓抓斗是由吊環(huán)、筒體框架、液壓泵站、液壓缸和抓爪組成。抓爪及油缸都與筒體框架鉸接相連,筒體框架上部內(nèi)置液壓泵站,下部為油箱。抓斗的每個抓爪由一臺油缸驅(qū)動。抓斗上部吊環(huán)與起重設(shè)備吊鉤連接,并通過電纜與電控柜連接。電控柜控制電機啟動和進行短路保護。
液壓系統(tǒng)原理是采用定量泵/開式旁路溢流回路，由溢流閥限壓溢流，通過節(jié)流閥節(jié)流實利用變頻控制器檢測電機工作電流，并按比例以4～20ma電流模擬量信號送到智能儀表，利用智能儀表內(nèi)的繼電器控制變頻點和電機保護點，當電機電流隨負載增大到變頻點時，變頻器平滑降頻使電機減速運轉(zhuǎn)，當電機電流進一步增大達到保護點時，變頻器進一步平滑減頻使電機低速運轉(zhuǎn)。這樣就構(gòu)成了一個電機轉(zhuǎn)速隨負載變化的電流負反饋控制系統(tǒng)。
3.4 變頻液壓電梯
近年來，降低液壓電梯裝機功率和能耗一直是電梯研究人員關(guān)注的重要課題。人們嘗試了多種方法，在減少能耗損失上有了一定的進展。普通閥控節(jié)流調(diào)速液壓電梯由于沒有配重，裝機功率很大，能耗仍然較大。帶機械配重的液壓電梯雖能降低能耗，但增加井道房頂?shù)睦Τ惺茌d荷。變頻驅(qū)動液壓電梯控制系統(tǒng)在電梯上行工作周期循環(huán)中具有比閥控節(jié)流調(diào)速系統(tǒng)更高的效率，但并沒有降低系統(tǒng)裝機功率。它是利用液壓蓄能器來代替機械配重的變頻控制節(jié)能系統(tǒng)，降低了液壓電梯裝機功率。

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4 變頻液壓技術(shù)主要存在的問題及對策
從目前國內(nèi)外的研究結(jié)果和文獻看，變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)存在諸如動態(tài)響應(yīng)慢、低速特性差、調(diào)速精度不易保證等一些問題，下面簡述主要存在的問題和相應(yīng)的對策。
影響變頻液壓技術(shù)低速穩(wěn)定性的原因如后敘述：
4.l 低速穩(wěn)定性問題
液壓泵的轉(zhuǎn)速過低，自吸能力下降，容易造成吸油不充分而形成氣蝕，引起噪聲和流量脈動，影響速度的穩(wěn)定性；其次，對于電壓型交—直—交變頻器，低頻時低次諧波電流與基波磁場相互作用，會產(chǎn)生脈動轉(zhuǎn)矩，致使電機轉(zhuǎn)速波動；另外，低頻力矩不足、異步電機低頻運行時固有的下穩(wěn)定性、電機轉(zhuǎn)動部分與逆變器直流中間環(huán)節(jié)中濾波與貯能元件之間能量交換中產(chǎn)生的諧振現(xiàn)象、無功功率的影響等都是引起轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的可能原因。一般情況下，變頻調(diào)速系統(tǒng)在某一特定范圍內(nèi)會出現(xiàn)系統(tǒng)運行不穩(wěn)定區(qū)，它和電機參數(shù)及運行條件有關(guān)。
解決低速穩(wěn)定性，固然可以從選擇低速性能好的泵和高性能變頻器來考慮，但需要付出較高的成本。除此之外，也可以從如下兩方面入手：
一是進一步增大系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動慣量或阻尼來改變整個固定液壓動力設(shè)備的結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但是增大轉(zhuǎn)動慣量或阻尼會使得整個系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)進一步減慢，控制品質(zhì)變差；
二是采用合理的控制結(jié)構(gòu)和好的控制算法，如利用模糊控制和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制提高系統(tǒng)的動態(tài)控制品質(zhì)和低速穩(wěn)定性，采用負載壓力補償?shù)霓k法提高執(zhí)行機構(gòu)的速度穩(wěn)定性。
4.2 動態(tài)響應(yīng)問題
交流變頻容積控制系統(tǒng)是通過改變電機轉(zhuǎn)速來改變液壓系統(tǒng)的流量，由于一般的異步電機的轉(zhuǎn)動慣量大于液壓泵的轉(zhuǎn)動慣量以及變頻器的過載能力有限，例如，過載50％只允許1min，影響了加速性能。減速也不能過快，否則，再生能量會引起逆變器直流電壓過高，保護功能動作，因此，一般變轉(zhuǎn)速容積控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)容積控制系統(tǒng)的響應(yīng)要慢。
性能好的變頻器對提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性有利。改善控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、減小控制環(huán)節(jié)的個數(shù)會提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。當既要求大范圍調(diào)速，又要求響應(yīng)速度較快時，可采用綜合調(diào)速控制。即充分利用交流變頻容積控制系統(tǒng)調(diào)速范圍大、節(jié)能*的特點，又要保留閥控缸或閥控馬達響應(yīng)快的優(yōu)點，組成綜合調(diào)速系統(tǒng)，也可以采用合適的控制算法來改善系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)，提高系統(tǒng)響應(yīng)的快速性。
4.3 啟動或換向時的平穩(wěn)性問題
當電機轉(zhuǎn)速在零附近時，變頻器—電機環(huán)節(jié)提供的力矩很小，幾乎為零，故存在一定的死區(qū)；另外，在啟動和制動時，系統(tǒng)存在靜、動摩擦的轉(zhuǎn)換以及其他一些非線性環(huán)節(jié)（如死區(qū)、滯環(huán)、泄漏）的影響，都會產(chǎn)生系統(tǒng)壓力脈動和轉(zhuǎn)速波動，甚至可能會失去對負載的控制作用。
低頻力矩大、死區(qū)小的變頻器有利于啟動或換向時的平穩(wěn)性，在液壓回路中增加蓄能環(huán)節(jié)也有利于啟動或換向時的平穩(wěn)性。采用反饋控制補償回路的辦法來抑制或減小啟動時的抖動，也是可供選擇的途徑。
4.4 調(diào)速精度問題
調(diào)速精度是指所期望速度的準確性。影響調(diào)速精度的主要原因是速度剛度，所謂速度剛度是指執(zhí)行器的速度不隨負載變化的能力；其次是系統(tǒng)的慢時變特性，如液壓系統(tǒng)中的油液溫度、油液黏性和泄漏量的大小等都會隨著時間呈非線性變化，從而影響系統(tǒng)的輸出特性和調(diào)速精度。
為消除或減弱負載對轉(zhuǎn)速的影響以及液壓系統(tǒng)的慢時變特性對系統(tǒng)輸出的影響，需要從兩個方面來考慮：
一個方面是要確保電機轉(zhuǎn)速不隨負載變化而變化；
另一個方面是要消除或減小液壓系統(tǒng)的慢時變特性對系統(tǒng)輸出的影響。對變頻器設(shè)定合適的轉(zhuǎn)矩補償和滑差補償，在負載變化時適當?shù)卣{(diào)整泵（電機）的轉(zhuǎn)速，即可適度補償回路泄漏的流量，維持執(zhí)行器轉(zhuǎn)速的穩(wěn)定性，保證其速度剛度得以較大的提高。
另外，選擇帶矢量控制的變頻器可以較大程度地提高電機轉(zhuǎn)速軸的速度剛度，有利于提高調(diào)速精度，但成本較高，而且矢量型變頻器并不能減小液壓系統(tǒng)的慢時變特性對系統(tǒng)輸出的影響。也可以選擇合理的控制回路和合適的控制算法、控制參數(shù)、補償系統(tǒng)未知參數(shù)及非線性的影響，增強系統(tǒng)的魯棒性，從而提高執(zhí)行器的速度剛度，確保調(diào)速精度。
4.5 效率
固定液壓動力設(shè)備電機的選擇是以滿足負載zui大功率需求為標準，然而設(shè)備在一個工作循環(huán)中，zui大功率所占的時間總是很少的。負載越小，異步電機的效率也越低，而且對于不同類型的負載，變頻器—電機環(huán)節(jié)表現(xiàn)出不同的效率特性，因此，變頻驅(qū)動的液壓動力系統(tǒng)需要根據(jù)不同類型的負載及其大小，選擇合適的負載曲線和合理的變頻器運行參數(shù)，力求變頻器—電機環(huán)節(jié)在負載變化較大、速度范圍較寬的條件下，保證較高的功率效率，達到進一步節(jié)能的目的。

5 結(jié)論與展望
本文以較翔實的資料和文獻，全面系統(tǒng)地介紹了國內(nèi)外變頻液壓技術(shù)的發(fā)展過程、應(yīng)用領(lǐng)域及研究現(xiàn)狀，指出了交流變頻液壓動力系統(tǒng)是一種從動力源頭考慮功率匹配的全局型節(jié)能動力系統(tǒng)，討論了變頻液壓技術(shù)存在的問題，這些問題主要包括低速穩(wěn)定性、響應(yīng)的快速性、啟動或換向時的平穩(wěn)性、調(diào)速精度和效率等，并針對這些問題提出了多種不同的對策。
隨著微電子技術(shù)和計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，交流電機變頻調(diào)速控制技術(shù)的日漸成熟，矢量型變頻器的價格將會有所下降，應(yīng)用將更加普及。由于變頻液壓動力系統(tǒng)是一種從動力源頭考慮功率匹配的全局型節(jié)能動力系統(tǒng)，在重載、輕載及空載時，變頻液壓動力系統(tǒng)的效率明顯地高出傳統(tǒng)的容積控制系統(tǒng)，因此，變頻液壓技術(shù)將會得到進一步發(fā)展，變頻液壓動力系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)蟠笸貙?，同時新的更有效的補償變頻液壓動力系統(tǒng)慢時變特性對輸出影響的措施將會被提出。