【液压技术】变排量还是变转速?电动化大趋势下的新思路

2021/12/20 11:25 iHydrostatics静液压

对于搞泵的小伙伴来说,都知道泵的本质很简单,就是给液压系统提供流量。但是对于如何输出流量的话题就变得不那么简单了,这里便衍生出了千变万化的技术路径。从泵的输出流量公式可以看出 Q=V*n,要改变输出流量,只能对两个参数做文章,一个便是泵的排量,另一个是泵的转速。

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针对如何改变泵的排量,我们已经有了各种各样的方式,例如排量控制、负载敏感控制、正负流量控制,功率控制等等。而对于针对改变转速的控制,先前在工程机械领域讨论的比较少。不过随着近些年来电动化技术的不断发展,变转速控制逐渐成为热门话题。

与由恒速电机驱动的变量泵相比,变速电机驱动的泵可以降低油耗,降低发热量和噪音的生成,并减小油箱尺寸。本期内容,我们就一起看一看力士乐,穆格、伊顿、派克、MJC、Daiken、Kyntronics公司在变转速控制方面都做了哪些探索。

变转速技术概述

随着高速控制、快速响应电机的发展和软件的改进,变速电机驱动液压泵的应用日益增长。这样的电机和软件为电机-泵组合提供了动力及对由电液控制阀或变量泵进行的系统控制的响应,同时还降低了能耗。

传统上,恒速交流感应电机已经用于驱动固定液压系统中的泵,其动力由流量和压力调节阀或可变排量泵控制。然而,即使系统没有负载,持续运行的电机也会消耗多达50% 的满载电流。此外,传统液压动力装置(HPU) 中的泵和马达通常尺寸过大,以满足最大占空比要求。相比之下,变频驱动器或伺服驱动器可以更有效地管理电机的运行扭矩和速度。电机不是以全速连续运行,而是仅以足够快的速度旋转以满足任何给定时间的系统需求。

带有变速驱动的液压系统将液压的可靠性、功率密集的优势与由电驱动而带来的的智能化和易于集成到自动化系统的便捷性相结合。由于泵的转速很容易根据流量需求进行调整,并且无论负载如何,电机都不会一直高速运行,因此能源效率得到提高。噪音也降低了,尤其是运转期间泵流量需求低于最大值。改变泵的转速进而改变流量,将输送的液压动力与机器工作循环中任何一点的需求精确匹配,无论是在运行期间、待机状态还是保持压力时。此外,由于这些系统通常需要较少的液压油,因此只需要较小的油箱,因此可以减少机器占地面积。

尽管变速驱动器通常与固定排量泵搭配使用,但在许多应用中将变速驱动器与可变排量泵组合使用会带来额外的好处。“通过将变速电动驱动和可变排量液压驱动相结合,我们可以大幅减小电机尺寸,从而降低安装成本和电气寄生损耗,”ParkerHannifin的VAS团队应用工程师RashidAidun说。

Bosch Rexroth 系统应用经理Paul Stavrou 补充说:“将高响应变量泵与VFD 控制的感应电机相结合,比单独的变速装置,可实现更高的效率和更快的系统响应。变排量泵使得将压力、泵排量和电机速度(扭矩和速度)调整到最佳工作状态变为可能,从而最大限度地减少电力、液压和机械损失。”

在许多情况下,变速泵驱动用于为移动或物料搬运设备等应用中的液压马达提供动力。然而当用于驱动执行器时,它们有同样的效果。电液执行器(EHA) 结合了机电和电液技术的最佳优势,将动力从电动转换为液压再到机械。EHA 在机床等应用中很有吸引力,因为执行器仅在系统需要时才消耗功率。它们还消除了对热管理以及油液和过滤器更换的需要。

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变速泵驱动的优势在包括机械加工和金属成型设备、塑料和橡胶机械、压铸机、纸浆和造纸机械、液压试验台、物料搬运设备和许多其他工业应用在内的应用中得到了回报。

以下是目前可用的主要变速驱动和系统的摘要。

博世力士乐方案

位于北卡罗来纳州夏洛特市的博世力士乐方面表示,Sytronix 变速泵驱动器有助于降低能耗和运行噪音。它们结合了公司的两项成熟技术,以提供强大的液压系统的可靠性以及紧凑型电力驱动技术的能量效率和动态特性。智能液压控制直接集成到电气驱动中,以根据机器的压力和流量要求调整电机扭矩。如果系统不需要全功率,控制器会自动降低泵驱动的扭矩,从而降低能耗和噪音水平。实际应用表明,使用Sytronix系统可以实现高达80%的节能。

博世力士乐的Sytronix FcP驱动系统包括一个感应式电机、液压泵和电子变频驱动器作为装配体

博世力士乐的Sytronix FcP驱动系统包括一个感应式电机、液压泵和电子变频驱动器作为装配体

博世力士乐的Sytronix FcP 驱动系统是低功率范围内恒压动力装置的首选。它们包括一个感应电机、一个液压泵和一个作为组件的EFC 电子变频驱动器。FcP 在与PGF内啮合齿轮泵一致的较低功率范围内运行。在更高的压力和功率范围内,FcP可以使用公司 PGH 系列的内啮合齿轮泵或其A10 或 A4 轴向柱塞泵。通过使用变量泵,尤其是在高功率范围内,可以降低电动机的扭矩和负载,从而可以使用更小的驱动器尺寸。

该公司的Sytronix DRn 驱动系统适用于中高功率范围内的恒压功率单元应用。DRn 系统由一个带有异步电机的驱动泵模块和一个作为控制单元的变频器组成。DRn 压力控制系统具有编程功能,可监控负载需求并在恒定压力下自动调节速度。

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MJC Engineering方案

位于加利福尼亚州的MJC Engineering 创建了一个交钥匙解决方案,其中包括绿色液压动力(GHP) 标签下的系统集成、工程、软件技术和编程。该系统采用西门子Sinamics 变速驱动器,为内部齿轮泵提供动力。MJC 声称与传统液压系统相比节能高达70%,并且噪音降低了 20dBA,产生的热量更少,冷却要求更低,油量更少,占地面积更小。

绿色液压动力的交钥匙系统采用西门子Sinamics伺服泵,基于变速驱动供电与内齿轮泵相连的电动机

绿色液压动力的交钥匙系统采用西门子Sinamics伺服泵,基于变速驱动供电与内齿轮泵相连的电动机

MJC 是一家定制机床制造商,一直在寻找提高机器能效的方法。该公司求助于其长期自动化供应商西门子帮助设计新的液压动力装置。“我们看到伺服泵可以控制压力和流量,并将电能精确地转换为液压动力,”MJC总裁 Carl Lorentzen 说。“在某些情况下,完全或部分取消了控制阀的使用。”Lorentzen 随后成立了Green Hydro Power, Inc. 作为一家独立的企业,现在为其他机器制造商提供OEM 集成单元。GHP系列有两种款式:一种带有VFD 异步电机和内置齿轮泵,另一种带有伺服逆变器、同步伺服电机和内置齿轮泵。

派克汉尼汾方案

Parker 驱动控制泵(DCP) 和GVM 系列同步电机与 AC30 变速驱动配合使用,可提供卓越的控制水平,从简单的开式泵和风扇到闭环生产线应用。

位于克利夫兰的派克汉尼汾公司通过其位于俄亥俄州哥伦布的液压泵和动力系统部门提供驱动控制泵 (DCP) 技术。DCP 提供了一种协同方法,将液压动力单元、电驱动器、电机和液压泵集成在一起,以满足液压系统内的每个局部负载需求。该产品线集成了一个交流驱动单元,其中包括变频驱动器和电子设备以及感应或伺服电机,以匹配叶片泵或轴向柱塞泵或两种技术的组合。

派克驱动控制泵(DCP)和GVM系列同步泵电机与AC30变速驱动器配合使用,可提供卓越的性能控制级别,从简单的开环泵和风扇到闭环生产线应用

派克驱动控制泵(DCP)和GVM系列同步泵电机与AC30变速驱动器配合使用,可提供卓越的性能控制级别,从简单的开环泵和风扇到闭环生产线应用

派克还提供完全定制的 DCP 解决方案,可以结合从感应电机到伺服电机的各种电机技术,并与公司液压泵技术的多样化选择合作,包括叶片泵、斜齿轮泵和轴向柱塞泵。派克定制的现场测试控制算法管理电机的操作扭矩和速度,在机器或工作循环的任何给定点产生所需的精确、可变的压力和流量。

为了在更简单的一揽子方案中提供变速和可变排量的综合优势,派克提供了 PV plus轴向柱塞泵的版本,这是一种双排量泵,可以在两种连续可调设置之间切换。当与变速驱动结合使用时,它的优势包括降低电机和变频器的采购成本、高工作压力、高生产率和高能效。

Kyntronics方案

俄亥俄州伊斯特莱克的Kyntronics 开发了一种独立的模块化执行器,它不仅可以驱动带有变速马达的液压泵,而且还结合了体积补偿以考虑活塞杆体积。通过采用一种称为电液驱动(EHA) 的技术,它结合了液压和机电执行器的大部分优点,且没有许多缺点。

EHA 通常将液压缸与控制器、电机、泵、油箱和控制块集成到一个独立的解决方案中。Kyntronics 解决方案将驱动器、伺服电机、歧管和气缸组合在一个独立的包中。Kyntronics EHA 的一个关键元件是一个活塞杆容积补偿机构,当活塞杆伸展和收缩时,它可以补偿气缸的杆端容积和盖端容积之间的差异容积。

Kyntronics开发了这种电液执行器,一个独立的包含完整液压系统的模块化组件。能量由变速电机和控制传输,该电机驱动液压齿轮泵,而内置传感器提供闭环力和位置控制

Kyntronics开发了这种电液执行器,一个独立的包含完整液压系统的模块化组件。能量由变速电机和控制传输,该电机驱动液压齿轮泵,而内置传感器提供闭环力和位置控制

模块化系统从驱动齿轮泵的双向交流或直流伺服电机开始。这消除了对比例定向阀的需要,因为电机控制流量和方向。一个有益的功能是系统计算气缸盖和杆端之间的差异体积的方式。为了补偿这种差异,液压缸包括一个外置低压缸,两个缸之间形成一个腔室。该腔室包含可压缩泡沫,其作用与传统系统中的油箱相同,但泡沫不需要初始预充或任何维护。

伊顿方案

位于明尼苏达州的伊顿公司重点介绍了其变速驱动泵解决方案在机械制造、制造、石油和天然气以及机械行业的设备中的节能效果。完整的解决方案包括一个或多个Eaton 的PVM 或 Hydrokraft 可变排量柱塞泵,或VMQ 固定排量叶片泵。当与伊顿变速Power XL DG1 通用驱动器或SPX 9000 高性能驱动器的智能控制相结合时,该系统可以匹配工作点的精确负载要求。

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伊顿 PVM 可变柱塞泵(左)和 PowerXL DG1 系列变频驱动创建一个可以精确匹配系统中任何工作点的负载要求

一个主要的系统优势是节能高达70%。变速驱动泵不是以恒定速度运行,而是可以通过智能控制以精确匹配当前工作点的负载要求。当不工作时,它会减慢或停止机器。运行更安静是另一个优势,因为在不需要运行时减慢或关闭机器可显着降低噪音。这有助于保护操作员的听力并满足更严格的噪声法规。由于更高效的机器产生的热量更少,使用变速泵驱动制造商可以缩小或取消油冷却器。它们还减少了所需的液压油量,从而允许使用更小的油箱并有助于延长密封件和油的使用寿命。还可以缩小泵的尺寸以降低成本。由于系统可以以更高的转速运行,因此可以在不减少流量的情况下减少泵排量。所有这些优势都有助于缩小机器的整体占地面积并降低成本。

Daiken方案

大金集团旗下位于伊利诺伊州罗斯科的All World Machinery Supply 报告说,大金的混合液压动力装置无缝集成了油压控制和变频电机技术,可以显着降低功耗。其获得专利的逆变器驱动器与大金工业制造的IPM 电机(一种直流无刷电机)配合使用,该电机使用位于转子深处的稀土永磁体来产生磁转矩和磁阻转矩。这种电磁结构实现了高扭矩和高效率,同时产生的热量低。节能混合控制HPU 专为工业应用而设计,例如金属切割、金属成型、注塑成型和许多其他用途。用户可通过键盘手动调整压力和流量设置。该公司表示,这些装置可以减少能源消耗、热量、石油需求和噪音等因素,从而得到的成本节约可提供 12至 18 个月的完整投资回报。

大金的 EcoRich 液压动力单元结合了 IPM 无刷直流电机和变频驱动系统,带串联泵,可自动在运行期间,备用,和压力维持

大金的 EcoRich 液压动力单元结合了 IPM 无刷直流电机和变频驱动系统,带串联泵,可自动在运行期间,备用,和压力维持

穆格方案

纽约州东奥罗拉的穆格公司拥有一个速度控制泵系统,与传统方法相比,该系统使机器制造商能够将能耗降低 30% 或更多。

电-静液压泵装置(EPU) 旨在结合液压驱动和电动驱动的优点。穆格EPU 是电静液压驱动系统的核心,有助于实现分散驱动系统。这样做消除了对相关管道的需要,以减少整体机器占地面积。EPU 的紧凑设计让用户可以将其直接安装到油缸上,从而进一步减少每个运动轴的空间需求。

Moog的电静液泵单元结合了以下元素将常规液压动力单元改造成更轻、更紧凑的模块化动力单元。其伺服电机驱动泵比传统 HPU 更节能,尤其是在怠速状态

Moog的电静液泵单元结合了以下元素将常规液压动力单元改造成更轻、更紧凑的模块化动力单元。其伺服电机驱动泵比传统 HPU 更节能,尤其是在怠速状态

由于它们的流体连接较少,独立装置大大降低了泄漏的可能性。与传统装置相比,洁净、简单的设计还提高了可靠性、维护和整体成本。电静液泵装置有广泛的应用,例如金属成型、注塑成型、压铸、燃气和蒸汽涡轮机以及风力涡轮机桨距控制。

“我们的 EPU 面向需要标准的、开箱即用的产品的公司,这些产品可以轻松集成到他们的静液压传动或新机器设计中,”穆格创新经理 Achim Helbig 博士说。“它的安装模式允许通过分配块直接安装到气缸上,这减少了安装管道的时间和成本,安装时间和维护工作可以大大简化。”

(来源于 iHydrostatics静液压)

责任编辑:Zeshuai

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