Электрогидравлические системы с регулируемыми моторами

Полная статья:

За последние полтора года стоимость топлива выросла почти вдвое. До этого момента топливо было относительно недорогим. Большинство компаний при эксплуатации строительной техники или подвижного оборудования не заботились об экономии и КПД топлива, пробеге в милях на галлон израсходованного топлива или количестве галлонов, расходуемых в час. Ситуация изменилась. Теперь в мире сложились рекордно высокие цены на топливо, и экономия, а также КПД топлива, являются предметом открытого обсуждения.

Это побудило производителей строительной техники и поставщиков любого подвижного оборудования, обычно использующих полностью гидравлические системы, к попыткам найти способы для того, чтобы сделать свои гидросистемы или подвижное оборудование более топливо - сберегающими. Все мы знаем о гибридном автомобиле Toyota Prius, а что вы скажете о бульдозере Caterpillar D9E с электроприводом? Сейчас все больше производителей подвижного оборудования переходят с полной гидравлики на электрогидравлические системы.

Электрогидравлическая система – это просто встраивание электродвигателя или серводвигателя вместе с необходимой электроникой и органами управления в гидравлический насос. Звучит довольно просто для реализации, и такой путь может быть эффективным, если понимать, что его основы лежат вне электро- гидравлической системы.

Гидравлическая и электро- гидравлическая системы похожи. Возьмем, к примеру, механическую часть гидросистемы. В ней есть масляный резервуар, гидронасос и регулировочная арматура. Приводом для нее может быть ДВС (двигатель внутреннего сгорания) какого-либо типа. Аналогичной электрической системой будет являться батарея (для аккумулирования), электрический серводвигатель, генератор, усилитель (или обратный преобразователь) для управления двигателем и, опять же, ДВС. При сравнении гидронасоса и электродвигателя даже формулы основной мощности в л.с. похожи.

HP = T (дюйм-фунт) x об/мин / 63025
HP = Давление (фунт/кв.дюйм) x Расход (гал/мин) / 1714

Как можно увидеть, крутящий момент двигателя соответствует гидравлическому давлению, а обороты двигателя соответствуют расходу насоса. В подвижной системе на основе гидравлики дизельный двигатель (или любой ДВС), для создания гидравлической энергии, приводит в движение гидронасос. Эта гидравлическая энергия распределяется по всему оборудованию. В электро- гидравлической системе дизельный мотор будет теперь приводить в движение электрогенератор, который генерирует электроэнергию вместо гидравлической энергии.

Эта электроэнергия распределяется по всему подвижному оборудованию. Теперь электроэнергия используется для пуска электродвигателя, который приводит в движение гидронасос. Она также используется для пуска любых других электрических устройств на подвижном оборудовании, например, электрических вентиляторов, устройств адаптивного управления или насосов рулевого управления с гидроусилением. Вся избыточная энергия аккумулируется в батареях или конденсаторах для дальнейшего использования.

При сообщении электроэнергии серводвигателю он конвертирует эту электроэнергию во вращательное движение. Тот же самый электродвигатель может также служить генератором, поскольку вращательная энергия запускает мотор в обратном направлении, и это вращение преобразуется в электроэнергию. Теперь эта электроэнергия может аккумулироваться в батареях, подобно тому как гидравлический аккумулятор накапливает гидравлическую энергию.

Нужно отметить, что полностью электрогидравлическое решение может быть реализовано не во всяком подвижном оборудовании. Это зависит от мощности, требуемой для определенного действия. В стандартном фронтальном погрузчике электрогидравлическое решение может применяться для подъема и опускания ковша. Требуемая для этого мощность может лежать в диапазоне 50 – 80 л.с. При этом в той же самой машине электрогидравлика, вероятно, не будет использоваться для поступательного движения.

Некоторым инженерным строительным машинам для поступательного движения требуется мощность в диапазоне 300 – 400 л.с.; большинство электродвигателей не могут свободно сообщать такую мощность. Обычно инженеры- специалисты по гидравлике очень хорошо знают конфигурацию гидравлической системы, ее терминологию и то, как реализовать гидравлическую систему. Вместе с тем, эти же инженеры могут быть незнакомы с конфигурацией электрической части гидроэлектрической системы, ее терминологией и способом реализации электродвигателя, привода и органов управления в оборудовании. Сейчас мы рассмотрим элементы электрической части гидроэлектрической системы.

Электродвигатели
Асинхронные двигатели переменного тока

На рынке существуют электродвигатели нескольких типов. Наиболее распространены асинхронные двигатели переменного тока, а еще один тип – это серводвигатели переменного тока. Большинству людей лучше знаком асинхронный двигатель переменного тока. Это очень старый и, несомненно, самый распространенный тип двигателя. Вы просто включаете двигатель в стенную розетку, и он начинает работать. Большинство водяных насосов, бытовых вентиляторов и гидравлических источников питания используют эту технологию.

Выходная мощность асинхронного двигателя переменного тока варьируется от долей л.с. до более 1000 л.с. Недостатком асинхронных двигателей переменного тока является их низкая энергоэффективность, составляющая, в лучшем случае, 70% - 80%. Другой недостаток асинхронных двигателей переменного тока – очень низкая удельная мощность (мощность (л.с.) / объем), т.е. большие размеры и масса относительно количества вырабатываемой энергии. Для того, чтобы эти двигатели могли работать с регулируемой частотой вращения, к ним можно подключить привод или обратный преобразователь.

Этот привод для работы асинхронного двигателя переменного тока стоит относительно недорого. Основным преимуществом асинхронных двигателей переменного тока является их низкая стоимость. Для того, чтобы вызвать вращение двигателя, в роторе асинхронного двигателя переменного тока используются медная внешняя катушка и железные стержни. В асинхронном двигателе переменного тока нет магнитов. Благодаря отсутствию магнитов, этот двигатель относительно недорогой по сравнению с двигателем переменного тока с постоянным магнитом, который будет рассмотрен далее. Поскольку ежегодно производится очень много таких двигателей, они являются отдельной товарной позицией.

Серводвигатели переменного тока

Серводвигатель переменного тока с постоянным магнитом, с другой стороны, представляет собой более новую технологию, имеет очень высокий КПД (90%+) и очень высокую интенсивность крутящего момента — если брать в расчет размеры двигателя, его крутящий момент больше. Недостаток этой конструкции – более низкая выходная мощность. Выходная мощность серводвигателя переменного тока лежит в диапазоне от долей л.с. до 100 л.с. Этот тип двигателя в настоящее время производится Подразделением автоматизации электромеханического оборудования фирмы Parker.

Если посмотреть на серводвигатель переменного тока в разрезе, медные катушки расположены ближе к наружи двигателя. При этом на роторе имеются соединенные с ним постоянные магниты. Именно магниты и технология обмотки катушек создают более высокую интенсивность крутящего момента по сравнению с асинхронным двигателем переменного тока. Однако из-за наличия постоянных магнитов стоимость этого двигателя выше.

Все серводвигатели переменного тока должны иметь устройство обратной связи для правильной коммутации двигателя. Это устройство, так же как и необходимая электрическая схема в усилителе и постоянные магниты, делают эту конструкцию двигателя более дорогой. В следующей таблице приводится сравнение удельной мощности, массы и цены двух упомянутых типов двигателей.

Обратите внимание, что серводвигатель переменного тока имеет удельную мощность в 2 – 3 раза больше, чем у асинхронного двигателя переменного тока, а также что он в 2 – 4 раза легче. Однако при этом серводвигатель переменного тока в 1,5 – 2 раза дороже асинхронного двигателя.

Из-за исключительной удельной мощности и меньшей массы серводвигателей переменного тока, фирма Parker выбирает этот двигатель для электрогидравлического оборудования, с которым она работает.

Тип двигателя	Мощ ность в л.с. (HP)	Удельная мощность	Масса	Цена
		HP / дюйм^3	фунты
асинхронный перем. тока	5	0,007	95	$970
асинхронный перем. тока	10	0,006	170	$1561
серво перем. тока	5	0,023	21	$1400
серво перем. тока	10	0,013	89	$3100

  Объем, масса и цена усреднены по множеству размеров двигателей. Данные в соответствии со спецификациями Parker и Baldor.

Усилитель / обратный преобразователь переменного тока

Серводвигатель переменного тока и асинхронный двигатель переменного тока должны иметь усилитель (или обратный преобразователь), чтобы двигатели могли работать с регулируемой частотой вращения. Размеры усилителя зависят от номинального тока двигателя, к которому он подключен. Сервоусилитель обычно имеет такую же или большую выходную мощность, как и двигатель, к которому он присоединен. К примеру, серводвигатель переменного тока, требующий 10 ампер номинального тока, обычно имеет 10- амперный (или больше) усилитель для управления им. Сервоусилители могут работать при различных уровнях напряжения от 12 - 640 вольт постоянного тока и бывают различных уровней мощности.

Невозможно установить стандартное напряжение для всех видов подвижного оборудования, т.к. оно различное для каждой машины и каждого поставщика машины. Один поставщик может указать 280 вольт пост. тока; другой может указать 600 вольт пост. тока. Однако при указании рабочего напряжения подвижной системы следует помнить одну вещь: чем выше напряжение, тем меньше требуемый ток. В качестве примера, какая-то функция подвижного оборудования может требовать мощности 15 кВт. Если решено использовать систему постоянного тока на 100 вольт, усилитель должен вырабатывать 150 ампер тока, согласно формуле:
Киловатты = вольты x амперы

Однако, если система может увеличить напряжение до 600 вольт, минимальный ток, требуемый от усилителя, теперь равен 25 амперам. Эмпирическое правило при принятии решения об использовании сервоусилителя такое: «Напряжение дешевое, а ток дорогой». Иными словами, чем выше напряжение системы, тем дешевле усилитель, т.к. он требует меньше тока. Большинство сервоусилителей рассчитаны на работу при температуре окружающей среды 40 градусов Цельсия. С учетом этого, температура усилителя не должна превышать указанного значения.

Это потребует специальной технологии охлаждения системной электроники, такой как принудительное охлаждение при помощи воды/гликоля или кондиционирование воздуха. Поскольку данное устройство будет устанавливаться в подвижное оборудование, особое внимание следует уделить прочности конструкции сервоусилителя. Усилители, предназначенные для рынка подвижного оборудования, имеют более высокую устойчивость к ударам и вибрации. Категорическое требование – чтобы стандартные усилители промышленного назначения не использовались в подвижном оборудовании.

Аккумуляторные батареи

Большинство видов подвижного оборудования должны иметь какой-то аккумулятор энергии. Самым распространенным из известных типов аккумулятор является батарея. Не существует единого типа аккумуляторной батареи, используемого в гибридном подвижном оборудовании. Сегодня используют три общепринятых типа батарей: литий-ионные, никельметалгидридные и свинцово-кислотные. Каждый из этих типов можно дифференцировать по удельной мощности, измеренной в Вт-чr/кг (ватт- часах на килограмм), напряжению, времени перезаряда, массе, емкости и стоимости. В следующей таблице приводится сравнение удельной мощности всех трех типов батарей и стоимости каждого из них.

Тип батареи	Энергия Вт-ч/кг	Стоимость $.кВт-ч
Литий-ионная	140	$770
Никель- металгидридная	110	$880
Свинцово- кислотная	50	$100

Design News 8-28-08

Несмотря на то, что литий-ионные батареи имеют большую удельную энергию, они почти в 8 раз дороже свинцово-кислотных. При этом литий- ионная батарея имеет в 3 раза больше энергии на кг, чем свинцово-кислотная, а это означает, что она аккумулирует больше энергии при тех же размерах. Свинцово-кислотные батареи более легкодоступны, чем никель- металлгидридные и литий-ионные. Свинцово-кислотные батареи имеются в местном хозяйственном магазине, тогда как другие типы достать труднее. Собственно аккумуляторные батареи – это только часть уравнения. Вы должны иметь возможность заряжать эти батареи при помощи зарядного устройства, и у вас должна быть для этого СУБ (система управления батареями).

Независимо от типа аккумуляторных батарей, в электрогидравлической системе их всегда много. Для того, чтобы обеспечить напряжение системы, равное 300 вольтам постоянного тока, и в зависимости от величины питающего тока, конфигурация со свинцово-кислотными батареями может содержать более 25 батарей, а конфигурация с литий-ионными батареями может содержать их более 100 штук. СУБ определяет, какие батареи в системе требуют зарядки, а также может обнаруживать любые короткие замыкания в батареях.

Замыкание в одной батарее будет отбирать весь ток из зарядного устройства, при этом остальные батареи будут медленно терять свой полный заряд. СУБ требует подключения к каждой клемме батареи, поэтому обычно здесь стоит еще и проблема проводки в системе с повышенным напряжением, в связи с количеством батарей, которые должны использоваться. СУБ также сама по себе является технологией. Зарядным устройством может быть простой блок со штепсельным соединением. Однако же в определенных приложениях преобразование кинетической энергии в электрическую, например, при обратном ходе двигателя или если ДВС поворачивает генератор, будет также заряжать батареи.

Существует еще одно устройство для аккумулирования электроэнергии, называемое «super-cap» («супер-конденсатор»). Это устройство – высокомощный электрический конденсатор (отсюда и название), который работает подобно гидравлическому аккумулятору. Причиной для использования супер-конденсатора служит то, что он способен принимать подзаряд очень быстро (менее чем за одну секунду) и также способен быстро высвобождать накопленную энергию. В отличие от батареи, он не предназначен для длительного аккумулирования электроэнергии.

Реализация электрогидравлической системы

Теперь, когда известны основные элементы электронной схемы электрогидравлической системы (серводвигатель, привод, аккумуляторные батареи), необходимо поднять вопрос о том, зачем строить электрогидравлическую систему. Каковы преимущества данной конструкции перед стандартной гидравлической системой с прямым приводом от двигателя? Преимуществ много, и каждое имеет свою значимость, в зависимости от конкретного применения:

1) Оптимизация работы двигателя путем рекуперации и аккумулирования энергии
2) Высокая производительность при регулируемой частоте вращения и фиксированном рабочем объёме
3) Включение по требованию
4) Сниженные выхлопы.

Более детально: Электрогидравлические системы с регулируемыми моторами

Источник: usp-ltd.com.ua

Статьи схожей тематики:

Система привода и управления ветровой турбины
Ветровая турбина с регулируемой скоростью использует гидравлическую передачу, в состав которой входят соединенный с ротором гидронасос и соединенный с индукционным генератором гидромотор...

Гибридная система автобусов
Увеличение КПД топлива в гибридных системах для автобусов при помощи высокомощного серводвигателя...

Загружены решениями для Linde
Linde HTD заключила контакт с Parker на оборудование гидросистемы своей последней модели вилочного автопогрузчика...

Новейшие насосы и двигатели Parker
Умная система регенерации энергии от Parker для эксплуатации с частыми остановками сокращает потребление топлива и выхлопы за счет сохранения кинетической энергии при торможении и повторном ее использовании при разгоне...

Аксиально-поршневой блок HD2
Аксиально-поршневой блок HD2 может без каких-либо модификаций использоваться в качестве двигателя, насоса или совмещенного агрегата, работающего как гидростатический привод...

Фланец. Высокопроизводительная фланцевая система Parker
Фланец. Высокопроизводительная фланцевая система Parker – вырывостойкая фланцевая система для приложений высокого давления...

Пневматика Parker. Электрогидравлические и пневматические системы Parker
Пневматика Parker. Электрогидравлические и пневматические системы и элементы Parker Hannifin находятся в нервном центре самого натуралистичного в мире полноразмерного подвижного Тиранозавра Рекса...