动势能储运回路与电动机复合驱动系统及其控制方法

摘要

本发明公开了一种动势能储运回路与电动机复合驱动系统及其控制方法，该系统由动势能储运回路辅助电动机共同驱动负载，主电动机制动时将能量储存入超级电容，以备后用。本发明公开的动势能储运回路与电动机复合驱动系统具有减小电动机体积、降低电动机的装机功率、提高电动机的工作效率、降低电动机工作过程中的能量损耗等优势。

说明书

技术领域

本发明属液压驱动领域，具体涉及一种动势能储运回路与电动机复合驱动系统及其控制方法。

背景技术

电动机是目前工业领域应用最为广泛的动力源之一，为了达到节能减排的目的，一般采用变频技术调节电动机转速，使电动机的输出功率与负载需求一致。为了满足某些应用场合下的大功率需求，电动机的体积需要很大，其在机器中的合理布置就变得极为困难，甚至无法布置，并且，许多应用场合要求电动机处于低速大扭矩运行工况，受目前电动机输出扭矩的制约，必须附加减速器才能实现这一功能，这就使得电动机整体的体积进一步增大。除此之外，当前电动机驱动系统存在着启动电流大、发热严重等问题，尤其是在负载减速制动过程中，电动机工作在发电动机状态，通常采用设置制动电阻的方式，将惯性负载减速制动过程中的动能转化为热能消耗掉，这样会造成较大的能耗并引起电动机发热。为满足短时间的峰值功率需求，需按照最大的启动负载来配置电动机装机功率，使电动机长时间工作在低效率工作区域，造成较大的能量损耗，过大的启动电流也会对电网产生冲击和影响。为了回收利用电动机制动过程中的动能，现有的方法是：通过逆变器将电动机制动过程中发出的电能回馈到主电网，但这种方法会对电网电压产生冲击并引起大的波动，影响其他用电设备安全运行。

发明内容

针对现有电动机驱动存在的上述技术问题，本发明提供一种动势能储运回路与电动机复合驱动系统及其控制方法。该复合驱动系统由动势能储运回路与电动机共同驱动，具有减小电动机体积、降低电动机的装机功率、提高电动机的工作效率、降低电动机工作过程中的能量损耗等优势。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

动势能储运回路与电动机复合驱动系统，它包括动势能储运回路、主电动机、第I变频器、控制器、电磁离合器、减速器、双向DC-DC变换器、超级电容器组、转速传感器、电流互感器和惯性负载，所述主电动机的第一输出轴与减速器的输入轴通过电磁离合器连接，减速器的输出轴与惯性负载连接，第I变频器的输入端和输出端分别与控制器和主电动机连接，第I变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端连接到超级电容器组，双向DC-DC变换器的控制端与控制器连接；转速传感器与主电动机的第二输出轴连接，其输出信号输入控制器，电流互感器设在第I变频器与主电动机连接的电源线上，其检测信号端与控制器连接；

所述动势能储运回路由电比例四象限液压泵/马达、恒压变量液压泵、液压泵驱动电动机、第II变频器、安全阀、油箱、二位二通电磁阀、液压蓄能器、压力传感器和位移传感器组成；所述电比例四象限液压泵/马达的驱动轴通过电磁离合器与主电动机的第二输出轴连接，电比例四象限液压泵/马达的第一油口P₁、恒压变量液压泵的出油口和安全阀的进油口与二位二通电磁阀的A油口通过液压管路连接；二位二通电磁阀的B油口和压力传感器与液压蓄能器连接，压力传感器的输出信号输入控制器；电比例四象限液压泵/马达的第二油口P₂、恒压变量液压泵的进油口和安全阀的出油口均与油箱连通；位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接检测其摆角变化，位移传感器的输出信号输入控制器；第II变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器和二位二通电磁阀的控制端与控制器连接。

本发明又一技术方案是：

一种动势能储运回路与电动机复合驱动系统，它包括动势能储运回路、主电动机、第I变频器、控制器、电磁离合器、减速器、两个双向DC-DC变换器、超级电容器组、转速传感器、电流互感器和惯性负载，主电动机的输出轴通过电磁离合器与减速器输入轴的一端联接，第I变频器的输出端与主电动机连接，第I变频器的控制端与控制器连接，第I变频器的直流母线与双向DC-DC变换器的一端连接，双向DC-DC变换器的另一端连接到超级电容器组，减速器输出轴与惯性负载连接，减速器输入轴的另一端通过电磁离合器与动势能储运回路中的液压泵/马达连接，转速传感器与减速器输入轴连接，其输出信号输入控制器，第二个双向DC-DC变换器的一端与超级电容器组连接，第二个双向DC-DC变换器的另一端与动势能储运回路中的第II变频器的直流母线连接，电流互感器设在第I变频器与主电动机连接的电源线上，其检测信号端与控制器连接；

所述动势能储运回路由液压泵/马达、第Ⅰ溢流阀、第II溢流阀、第Ⅰ单向阀、第II单向阀、补油泵、补油溢流阀、位移传感器、电比例四象限液压泵/马达、第II变频器、电动/发电机和油箱组成；液压泵/马达的第一油口、第Ⅰ溢流阀的进油口和第Ⅰ单向阀的出油口与电比例四象限液压泵/马达的第一油口连通，液压泵/马达的第二油口、第Ⅱ溢流阀的进油口和第Ⅱ单向阀的出油口均与电比例四象限液压泵/马达的第二油口连通，第Ⅰ溢流阀的出油口、第Ⅱ溢流阀的出油口、第Ⅰ单向阀的进油口、第Ⅱ单向阀的进油口和补油溢流阀的进油口均与补油泵的出油口连通，补油泵的进油口和补油溢流阀的出油口均连通油箱，位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接以检测其摆角变化，位移传感器的输出信号输入控制器，电比例四象限液压泵/马达的输出轴与电动/发电机的驱动轴连接。

一种用于所述的动势能储运回路与电动机复合驱动系统的控制方法，其包括以下步骤：主电动机启动前，首先向液压蓄能器和超级电容器组储能：控制器向第II变频器发送指令，控制液压泵驱动电动机启动，恒压变量液压泵开始工作；同时，控制器发出指令使二位二通电磁阀打开，恒压变量液压泵为液压蓄能器补充油液，当压力传感器检测到蓄能器压力达到预设值时，控制器控制二位二通电磁阀关闭。

主电动机启动时，在未达到主电动机设定转速前，主电动机、动势能储运回路共同驱动惯性负载；当达到主电动机设定转速时，仅主电动机驱动惯性负载：控制器向第I变频器、第II变频器和二位二通电磁阀发送指令，控制主电动机启动，并通过控制电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压马达工况，二位二通电磁阀开启，液压蓄能器释放液压能，与恒压变量液压泵同时驱动电比例四象限液压泵/马达；同时，控制器向双向DC-DC变换器发送指令，控制超级电容器组释放电能，为主电动机启动补充峰值电流，使主电动机与电比例四象限液压泵/马达共同驱动惯性负载开始加速。当转速传感器检测到主电动机转速达到设定速度时，控制器发出指令，控制二位二通电磁阀关闭、电比例四象限液压泵/马达的排量为零及超级电容器组不再释放电能，使动势能储运回路停止为主电动机的运行提供扭矩。

当惯性负载工作过程中出现峰值载荷，电流互感器检测到主电动机中的电流值迅速升高时，采用与主电动机启动未达到主电动机设定转速前的控制步骤，主电动机、动势能储运回路共同驱动惯性负载。

主电动机制动时，控制器发出指令到第I变频器，使主电动机处于减速制动状态，同时，控制器发出指令到双向DC-DC变换器，将主电动机发出的电能存储到超级电容器组内，并控制器控制电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压泵工况，使电比例四象限液压泵/马达将油箱中的液压油泵入液压蓄能器中，使惯性负载的部分动能储存在液压蓄能器中；当压力传感器检测液压蓄能器中的油液压力达到设定极限值时，控制器发出指令使二位二通电磁阀关闭，油液通过安全阀流回油箱；制动过程结束后，控制器发出控制指令，使电比例四象限液压泵/马达的摆角为零，同时，控制器控制双向DC-DC变换器使超级电容器组停止储存电能。

所述恒压变量液压泵是恒功率控制的变量泵、电比例控制的恒压泵或双向变摆角控制的变量泵/马达。

所述液压蓄能器是单一的蓄能器或两个以上的液压蓄能器。

所述主电动机的第一输出轴还可以直接与惯性负载的驱动轴连接。

与现有技术相比，本发明提供的液压调节回路与电动机复合驱动系统具有以下优点与积极效果：

1、本发明通过电比例四象限液压泵/马达辅助电动机驱动惯性负载，在满足某些应用场合下大功率要求的前提下，使电动机不必附加减速器就可以实现低速大扭矩工况，减小了电动机的体积，为电动机在机器上的合理布置提供了便利。

2、本发明通过电比例四象限液压泵/马达将惯性负载制动过程的动能存储到蓄能器中，可以取消原有的制动电阻，因而可以提高能效并降低系统的发热。

3、本发明通过电比例四象限液压泵/马达辅助主电动机启动，可以降低电动机的装机功率，提高电动机的工作效率，降低电动机工作过程中的能量损耗。

4、本发明采用液压蓄能器和电比例四象限液压泵/马达辅助电动机启制动，减小对电网的冲击，延长了电动机的使用寿命，并且回收再利用了惯性负载制动过程的动能。

5、本发明采用超级电容器组存储惯性负载制动过程的部分动能，并且在启动过程中补充峰值电流，减小主直接启动时过大的启动电流对电网的冲击影响。

6、本发明电液混合驱动系统通过改变电比例四象限泵/马达的摆角控制其工况，相对于阀控系统，能够减少流量损失，降低系统发热，要想断开电比例四象限液压泵/马达与主电动机的连接，只需要将摆角改变到零度，此时电比例四象限液压泵/马达空转，排量为零，增加了主电动机的阻尼，提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是本发明第1实施例的结构示意图；

图2是本发明第2实施例的结构示意图。

图中：1-主电动机；2-电磁离合器；3-减速器；4-惯性负载；5-超级电容器组；6-双向DC-DC变换器；7-第I变频器；8-控制器；9-压力传感器；10-液压蓄能器；11-二位二通电磁阀；12-安全阀；13-恒压变量液压泵；14-液压泵驱动电动机；15-电比例四象限液压泵/马达；16-油箱；17-第II变频器；19-转速传感器；20-电流互感器；22-液压泵/马达；23-第I溢流阀；24-第II溢流阀；25-第I单向阀；26-第II单向阀；27-补油泵；28-补油溢流阀；29-电动/发电机；30-位移传感器；31-动势能储运回路。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作出进一步的详细说明。

实施例1

如图1所示，本实施例中的动势能储运回路与电动机复合驱动系统，它包括动势能储运回路31、主电动机1、第I变频器7、控制器8、电磁离合器2、减速器3、双向DC-DC变换器6、超级电容器组5、转速传感器19、电流互感器20和惯性负载4，所述主电动机1的第一输出轴与减速器3的输入轴通过电磁离合器2连接，减速器3的输出轴与惯性负载4连接，第I变频器7的输入端和输出端分别与控制器8和主电动机1连接，第I变频器7的直流母线与双向DC-DC变换器6的一端连接，双向DC-DC变换器6的另一端连接到超级电容器组5，双向DC-DC变换器6的控制端与控制器8连接；转速传感器19与主电动机1的第二输出轴连接，其输出信号输入控制器，电流互感器20设在第I变频器7与主电动机1连接的电源线上，其检测信号端与控制器8连接；

所述动势能储运回路31由电比例四象限液压泵/马达15、恒压变量液压泵13、液压泵驱动电动机14、第II变频器17、安全阀12、油箱16、二位二通电磁阀11、液压蓄能器10、压力传感器9和位移传感器30组成；所述电比例四象限液压泵/马达的驱动轴通过电磁离合器与主电动机的第二输出轴连接，电比例四象限液压泵/马达的第一油口P₁、恒压变量液压泵的出油口和安全阀的进油口与二位二通电磁阀的A油口通过液压管路连接；二位二通电磁阀的B油口和压力传感器与液压蓄能器连接，压力传感器的输出信号输入控制器；电比例四象限液压泵/马达的第二油口P₂、恒压变量液压泵的进油口和安全阀的出油口均与油箱连通；位移传感器与电比例四象限液压泵/马达的变量活塞连接检测其摆角变化，位移传感器的输出信号输入控制器；第II变频器的输入端和输出端分别与控制器和液压泵驱动电动机连接，液压泵驱动电动机的输出轴与恒压变量液压泵的驱动轴连接；电比例四象限液压泵/马达的摆角控制器和二位二通电磁阀的控制端与控制器连接。

本实施例中的动势能储运回路与电动机复合驱动系统的控制方法，其包括以下步骤：

主电动机启动前，首先向液压蓄能器和超级电容器组储能：控制器向第II变频器发送指令，控制液压泵驱动电动机启动，恒压变量液压泵开始工作；同时，控制器发出指令使二位二通电磁阀打开，恒压变量液压泵为液压蓄能器补充油液，当压力传感器检测到蓄能器压力达到预设值时，控制器控制二位二通电磁阀关闭。

主电动机启动时，在未达到主电动机设定转速前，主电动机、动势能储运回路共同驱动惯性负载；当达到主电动机设定转速时，仅主电动机驱动惯性负载：控制器向第I变频器、第II变频器和二位二通电磁阀发送指令，控制主电动机启动，并通过控制电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压马达工况，二位二通电磁阀开启，液压蓄能器释放液压能，与恒压变量液压泵同时驱动电比例四象限液压泵/马达；同时，控制器向双向DC-DC变换器发送指令，控制超级电容器组释放电能，为主电动机启动补充峰值电流，使主电动机与电比例四象限液压泵/马达共同驱动惯性负载开始加速；当转速传感器检测到主电动机转速达到设定速度时，控制器发出指令，控制二位二通电磁阀关闭、电比例四象限液压泵/马达的排量为零及超级电容器组不再释放电能，使动势能储运回路停止为主电动机的运行提供扭矩。

当惯性负载工作过程中出现峰值载荷，电流互感器检测到主电动机中的电流值迅速升高时，采用与主电动机启动未达到主电动机设定转速前的控制步骤，主电动机、动势能储运回路共同驱动惯性负载。

主电动机制动时，控制器发出指令到第I变频器，使主电动机处于减速制动状态，同时，控制器发出指令到双向DC-DC变换器，将主电动机发出的电能存储到超级电容器组内，并控制器控制电比例四象限液压泵/马达的摆角使其处于液压泵工况，使电比例四象限液压泵/马达将油箱中的液压油泵入液压蓄能器中，使惯性负载的部分动能储存在液压蓄能器中；当压力传感器检测液压蓄能器中的油液压力达到设定极限值时，控制器发出指令使二位二通电磁阀关闭，油液通过安全阀流回油箱；制动过程结束后，控制器发出控制指令，使电比例四象限液压泵/马达的摆角为零，同时，控制器控制双向DC-DC变换器使超级电容器组停止储存电能。

实施例2

如图2所示，本实施例中的动势能储运回路与电动机复合驱动系统，它包括动势能储运回路31、主电动机1、第I变频器7、控制器8、电磁离合器2、减速器3、两个双向DC-DC变换器6和6′、超级电容器组5、转速传感器19、电流互感器20和惯性负载4，主电动机1的输出轴通过电磁离合器2与减速器3输入轴的一端联接，第I变频器7的输出端与主电动机1连接，第I变频器7的控制端与控制器8连接，第I变频器7的直流母线与双向DC-DC变换器6的一端连接，双向DC-DC变换器6的另一端连接到超级电容器组5，减速器3输出轴与惯性负载4连接，减速器3输入轴的另一端通过电磁离合器2与动势能储运回路中的液压泵/马达22连接，转速传感器19与减速器3输入轴连接，其输出信号输入控制器8，第二个双向DC-DC变换器6′的一端与超级电容器组5连接，第二个双向DC-DC变换器6′的另一端与动势能储运回路中的第II变频器17的直流母线连接，电流互感器20设在第I变频器7与主电动机1连接的电源线上，其检测信号端与控制器8连接；

所述动势能储运回路31由液压泵/马达22、第Ⅰ溢流阀23、第II溢流阀24、第Ⅰ单向阀25、第II单向阀26、补油泵27、补油溢流阀28、位移传感器30、电比例四象限液压泵/马达15、第II变频器17、电动/发电机29和油箱16组成；液压泵/马达22的第一油口、第Ⅰ溢流阀23的进油口和第Ⅰ单向阀25的出油口与电比例四象限液压泵/马达15的第一油口连通，液压泵/马达22的第二油口、第Ⅱ溢流阀24的进油口和第Ⅱ单向阀26的出油口均与电比例四象限液压泵/马达15的第二油口连通，第Ⅰ溢流阀23的出油口、第Ⅱ溢流阀24的出油口、第Ⅰ单向阀25的进油口、第Ⅱ单向阀26的进油口和补油溢流阀28的进油口均与补油泵27的出油口连通，补油泵27的进油口和补油溢流阀28的出油口均连通油箱16，位移传感器30与电比例四象限液压泵/马达15的变量活塞连接以检测其摆角变化，位移传感器30的输出信号输入控制器8，电比例四象限液压泵/马达15的输出轴与电动/发电机29的驱动轴连接。

所述恒压变量液压泵是恒功率控制的变量泵、电比例控制的恒压泵或双向变摆角控制的变量泵/马达。

所述液压蓄能器是单一的蓄能器或两个以上的液压蓄能器。

所述主电动机的第一输出轴还可以直接与惯性负载的驱动轴连接。