基于Amesim的电功率回收型液压实验台仿真

摘要：针对传统液压台通过节流和溢流调试能源消耗过高，液压系统温升过快的不足，本文提出了一种基于电功率回收型液压实验台，介绍了系统的结构组成和工作原理，分析设计了各组成部件的关键参数，基于Amesim建立了功率回收型液压系统模型，通过该模型对液压系统的功率回收效率和泵排量响应特性进行仿真分析。研究表明：通过电功率回收方式，实验台可以降低系统的功率消耗，减少系统散热。

关键词：节能;电力回收;Amesim;复合能源

0  引言

随着能源的日益紧张和环境问题的日益严峻，节能减排作为解决两大问题的重要手段和方法，有效的利用能源成为液压行业的目标。目前国内对此已开展了部分研究，国内长安大学王振川提出一种电能回收方式，采用能量转换方式存储能量，并通过Amesim对其节能效果进行仿真[1]。本文提出了一种电功率回收的液压泵、马达实验系统，并利用Amesim软件建立新型的电功率回收能量的液压泵实验模型，在不同的加载方式下对回收效率进行仿真。

1  实验台液压系统组成和工作原理

液压试验台包括变量泵和变量马达组成的液压回路，能量回收系统和复合电源系统，智能控制平台及相关信号检测元件。通过直流电动机驱动变量泵，变量泵输出的高压油带动负载变量马达旋转，变量马达将输入的动能转化为机械扭矩，最后驱动直流发电机，从而把液压油的内能转化为电能，将产生的电能通过储能装置存储起来并回馈到电动机中，不足的能量由电网补充供给电动机，以达到能量循环利用的目的。

1.1 液压回路

由变量泵、变量马达、电动机、直流发电机组成，电动机用于被试液压泵主体测试和加载。为了避免系统中的节流能量损失，系统主油路上没有串联任何阀件。变量马达的输出轴通过惯性块与直流发电机的驱动轴相连，通过这种方式产生的电量存储于复合电源中。在试验测试过程中，溢流阀决定系统的最高压力，当系统压力超过设定值时，系统溢流。

在液压系统运行过程中，转速传感器实时检测电动机实际转速并反馈给PI控制器，通过PI控制器控制电动机的转速，以实现对电动机转速的闭环控制;通过改变变量泵的排量，来调节变量泵的输出流量，控制平台输出信号从0到1，泵排量由0排量到全排量。

1.2 能量回收系统

能量回收系统作为电功率回收液压系统的重要组成部分，它由变量马达、直流发电机，负载调节器组成，变量马达和直流发电机通过惯性块及旋转扭矩产生器连接为一体，作为液压系统的负载，通过调节扭矩大小，来改变系统负载。直流发电机通过开关端口转换控制器有选择性地向蓄电池组供电。

1.3 复合能源系统

复合能源系统主要用于电能的存储、交直流转化，以及协同给发动机供电，它由蓄电池组、DC/DC转化器、AC/DC转化器组成。蓄电池组由两个蓄电池组成，这两个蓄电池通过端口转化实现轮流充放电，一个蓄电池通过端口转化器与直流发电机相连，另一个蓄电池通过端口转化器与DC/DC转换器输入端相连，当被充电的蓄电池SOC状态达到充电上限值时，控制平台检测到这一信号状态并向端口转换控制器发出转换信号，控制端口转化器进行端口切换，从而实现这两个蓄电池的充放电接口交换，被充满电的蓄电池接入到DC/DC转化器为电动机供电，原功率输出蓄电池又被接入直流发电机端口进行充电，整个转换过程实现能量的连续流动。

1.4 智能控制平台

它包括滤波电路、DSP处理器、光电隔离电路以及驱动放大电路。采集各传感器检测系统压力、流量、转速、扭矩及蓄电池组SOC状态等参数状况，这些信号经滤波电路处理后，输入至DSP中，DSP对输入数据进行处理后经光电隔离电路输出PWM信号，PWM信号经驱动放大电路控制电机电枢电流，从而实现电机转速控制，改变液压泵、液压马达排量，控制负载调节系统，使系统按照要求稳定安全运行。

2  功率回收型液压试验台建模

针对本文研究的功率回收型液压试验台系统，选择Amesim中的液压库、机械库、信号控制库、电机及驱动库中的元件，所建立的仿真模型如图2所示，该模型主要由液压回路模块、能量回收模块、复合能源模块，加载单元等组成，其中加载单元在能量回收模块内。

完成模型搭建后，分别在子模型模式下选择最优子模型，参数模式下设置相关参数。模型参数如表1所示。

3  仿真分析

在上述所建立的功率回收型液压试验台模型上，选择合理的负载工况进行仿真，根据仿真结果对试验台系统的性能进行分析，并对系统评价。

3.1 液压系统功率回收效率试验

功率回收效率为发电机回收功率与电动机输出功率的比值。我们选取在液压泵处在全排量，液压马达处在全排量，电动机转速1500r/min的情况下，选取工况分别为20%，40%，60%，80%以及满负载，来仿真该试验台的功率回收效率，仿真时间均为100s。

图1为负载变化曲线，在0-3s期间，负载线性上升，3s以后，负载稳定。

图2为系统功率回收效率曲线，在20%负载工况下，开始阶段，由于发电机回收功率为负值，固回收效率为负值，在0.24s时，系统回收效率达到最低点，在8s后，发电机回收功率大于0，系统回收效率为正值，随着仿真的进行，回收效率逐渐增加;在仿真终止时，系统的回收效率为47.1%。随着负载扭矩的增大，回收效率也逐渐增加，变化趋势不明显，在满载工况下，系统回收效率达55.9%。

经过仿真验证，在液压泵加载的实验中，系统需要从电网获取的功率仅为试验驱动功率的一半左右，其余均由回收的能量提供，能量利用率高，可减少系统的总装机功率，降低系统的能耗。

3.2 液压泵排量响应时间试验

在液压马达处于全排量，电动机恒转速1500r/min的情况下，負载扭矩工况为1000N*m，600N*m，200N*m，在液压泵排量控制端口输入阶跃信号，仿真液压泵排量响应动态特性，得到零排量到满排量的上升时间和由满排量到零排量的下降时间。

由表2中得，升排量响应时间和降排量响应时间随着负载扭矩的减小而缩短;在相同的负载扭矩下，升排量响应时间比降排量响应时间长。

4  结论

该功率回收型液压试验台系统可以稳定正常运行，能量利用率高，降低系统的能耗，实验测试了液压泵的排量动态响应特性随负载压力增大的变化情况，验证了功率回收型试验系统的正确性和实用性。该试验系统适用于大型机械的静液压作业驱动等液压泵或马达的加载试验测试，试验台系统总效率达56%，既可进行间断性测试，也可长时间测试，同时测试所需的电功率降低后，对供电电网的影响也会减少。

参考文献：

[1]王振川.功率回收型液压泵试验台动态性能仿真[D].西安：长安大学，2015.

[2]罗亚南.基于电功率回收的大功率液压泵/马达试验系统设计与效率分析[J].轨道交通装备与技术，2013，03（002）：20-21.

[3]付永领，齐海涛.LMS Imagine. Lab AMESim系统建模和仿真实例教程[M].北京：北京航空航天大学出版社，2011.

[4]吕景忠，朗淑芬，孙晶.快速连接液压泵和液压马达实验装置[J].试验技术与管理，2010，27（4）：45-46.

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作者简介：魏进（1991-），男，陕西西安人，硕士，助教，主要研究方向为机电一体化。