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摘要：

液壓泵站的電機在直接啟動時會產(chǎn)生較大的峰值電流，對系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，降低系統(tǒng)的工作性能和壽命。提出一種電機輔助啟動方案，利用泵馬達作為馬達工作驅(qū)動電機，避免產(chǎn)生沖擊電流?；赟imulink分析了三相異步電機啟動特性，運用AMESim軟件仿真分析了蓄能器關(guān)鍵參數(shù)對輔助啟動特性的影響，結(jié)果表明：蓄能器充氣壓力升高，輔助啟動系統(tǒng)加速能力不變，達到的最高轉(zhuǎn)速越低；蓄能器容積增加，輔助啟動系統(tǒng)加速能力不變，達到的最高轉(zhuǎn)速越高；蓄能器充液壓力升高，輔助啟動系統(tǒng)的加速能力越強，達到的最高轉(zhuǎn)速越高。

關(guān)鍵詞：

輔助啟動；電機；沖擊電流；啟動特性

0引言

當前，由于資源匱乏和環(huán)境污染，節(jié)能減排迫在眉睫。對于間歇工作的液壓系統(tǒng)，當負載停止工作時，液壓源仍在繼續(xù)工作，此時的能量就浪費了。尤其是當負載占空比很小的時候，能量的浪費尤為嚴重。為了解決這個問題，當系統(tǒng)處于無功狀態(tài)時，可通過關(guān)閉泵站實現(xiàn)節(jié)能；但當泵站再次啟動時，電機會產(chǎn)生較大的沖擊電流，對系統(tǒng)產(chǎn)生較大沖擊，降低系統(tǒng)的工作性能和壽命。為了解決泵站啟動時的瞬時大電流問題，日本的杉村健等人在文獻[1-2]中提出了基于蓄能器的間歇工作液壓泵的輔助啟動系統(tǒng)。在汽油機重新啟動時，讓泵馬達作為馬達工況，帶動汽油機加速到設(shè)定轉(zhuǎn)速再啟動，完成重啟，這樣可以避免汽油機重啟時的瞬時大油耗。為了解決間歇工作的液壓系統(tǒng)的節(jié)能，在杉村健等人提出的輔助啟動系統(tǒng)基礎(chǔ)上，提出了一種新的輔助啟動系統(tǒng)，它可以根據(jù)負載的工況需求來啟停驅(qū)動電機，并通過輔助啟動系統(tǒng)來降低電機啟動時的沖擊電流和大功耗，達到節(jié)能和降沖擊的效果。

1三相異步電機啟動特性分析

三相異步電機[3]相對于直流電機具有維護簡單、體積小和重量輕等優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于液壓設(shè)備的驅(qū)動。三相異步電動機在運行時，由于轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速低于三相定子旋轉(zhuǎn)磁場的轉(zhuǎn)速，因此轉(zhuǎn)子繞組切割三相定子旋轉(zhuǎn)磁場，從而產(chǎn)生感應(yīng)電流，并與磁場相互作用產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，從而驅(qū)動負載工作。

1.1三相異步電動機的Simulink模型

文獻[4-5]利用MATLAB工具分別通過數(shù)學建模和物理建模分析了三相異步電機在不同工況下的啟動特性。在此基礎(chǔ)上，為了探究三相異步電機在啟動時的電流沖擊和功率消耗，利用Simulink建立三相異步電機的啟動模型如圖1所示，模型采用三相正弦電壓源，電機采用星型連接，負載轉(zhuǎn)矩通過constant模塊施加給電機，通過示波器觀測定子電流、轉(zhuǎn)子電流、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩等仿真曲線。

1.2仿真參數(shù)設(shè)置

選取額定功率P為4kW的三相異步電動機進行仿真，其參數(shù)如下：線電壓V為380V，頻率fn為50Hz，定子繞組電阻Rs為1.405Ω，繞組漏感L1s為0.005839H，轉(zhuǎn)子繞組電阻Rs為1.395Ω，繞組漏感L1s為0.005839H，互感Lm為0.1722H，轉(zhuǎn)動慣量J為0.0095kg•m2，摩擦系數(shù)f為0.0012，極對數(shù)p為2；電機負載轉(zhuǎn)矩T為20N•m。

1.3仿真結(jié)果及分析

設(shè)定仿真時間為0.5s，在電機啟動過程中有負載和無負載時的定子A相電流Is隨時間t的變化如圖2所示。由圖2可知，無論有無負載，在電動機啟動瞬間，定子A相電流Is都很大，可達到正常電流的4～7倍，在電機轉(zhuǎn)速穩(wěn)定后顯著下降。電機啟動過程中的功率P隨時間t的變化見圖3。由圖3可知，電機在啟動過程中功率P很大，達到穩(wěn)定時的4～7倍，當電機達到額定轉(zhuǎn)速后，下降到正常水平。電機在啟動過程中產(chǎn)生的沖擊電流對供電設(shè)備會產(chǎn)生很大的沖擊，大功耗會浪費很多能量，所以對于需要頻繁啟動的間歇工作機構(gòu)，輔助啟動設(shè)備顯得尤為重要。

2輔助啟動系統(tǒng)工作原理

由以上分析可知，泵站電機直接啟動時會產(chǎn)生沖擊電流和大功率，會對系統(tǒng)產(chǎn)生較大的沖擊，降低系統(tǒng)工作性能和壽命。為此，提出了一種新的輔助啟動系統(tǒng)，它可以根據(jù)負載的工況需求來啟停驅(qū)動電機，并通過輔助啟動系統(tǒng)來降低電機啟動時的沖擊電流和大功耗，達到節(jié)能和降沖擊的效果。輔助啟動系統(tǒng)的工作原理如圖4所示。輔助啟動系統(tǒng)主要元件為一個定量泵馬達和一個氣囊式蓄能器。電磁閥4和電磁閥10安裝在蓄能器的兩側(cè)，電磁閥7安裝在泵馬達的排油側(cè)，且與油箱相通。當負載正常工作時，開啟電機，打開電磁閥10，電磁閥4和7保持關(guān)閉狀態(tài)，泵馬達此時為泵工況，將油液供給負載和蓄能器。當蓄能器儲存的油液達到設(shè)定壓力時，關(guān)閉電磁閥10，油液全部供給負載。當負載停止工作時，關(guān)閉電機，電磁閥4、7和10均保持關(guān)閉狀態(tài)，油液儲存在蓄能器中。當負載重新工作時，打開電磁閥4和7，電磁閥10保持關(guān)閉狀態(tài)。蓄能器中的高壓油液進入泵馬達，流回油箱，驅(qū)動泵馬達和電機軸加速。當轉(zhuǎn)速升高到預(yù)定轉(zhuǎn)速時，關(guān)閉電磁閥4和7，啟動電機，重啟完成，負載正常工作。負載在停止工況時，關(guān)閉電機，減少了電能消耗；在重啟電機時，利用蓄能器中儲存的油液輔助啟動，避免了電機在啟動時產(chǎn)生的沖擊電流對供電設(shè)備的沖擊和以及大功耗，起到節(jié)能和降沖擊的效果。

3仿真建模

文獻[6-8]分析了三種具體系統(tǒng)中蓄能器參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響以及蓄能器關(guān)鍵參數(shù)的選擇。為了研究泵組關(guān)鍵元件蓄能器的關(guān)鍵參數(shù)對輔助啟動系統(tǒng)的啟動特性的影響，建立輔助啟動系統(tǒng)的簡化AMESim仿真模型如圖5所示。在輔助啟動過程中，定量泵馬達為馬達工況，故將其等效為液壓馬達；液壓馬達帶動電機旋轉(zhuǎn)，故將電機等效為旋轉(zhuǎn)負載。泵馬達的出口接通油箱。設(shè)定系統(tǒng)的壓力為12MPa，其余仿真參數(shù)見表1。

4仿真結(jié)果分析

液壓馬達進出口的壓差和液壓馬達的排量決定了液壓馬達的理論扭矩。在輔助啟動系統(tǒng)中，液壓馬達的輸出扭矩用來克服電機和馬達的摩擦負載和慣性負載，將兩者設(shè)定為恒定負載。

4.1蓄能器充氣壓力對輔助啟動特性的影響

為了探究蓄能充氣壓力對輔助啟動特性的影響，設(shè)定蓄能器容積為1L，充液壓力為12MPa，分別設(shè)置蓄能器的充氣壓力為3MPa、5MPa、7MPa、9MPa，得到液壓馬達轉(zhuǎn)速n和時間t的關(guān)系如圖6所示。由圖6可知，隨著蓄能器充氣壓力升高，輔助啟動時液壓馬達進出口之間的壓差和液壓馬達的排量都不變，其輸出扭矩不變，負載也不變，故其加速能力相同。但隨著蓄能器充氣壓力升高，儲存的高壓油越少，系統(tǒng)加速時間越短，達到的最高轉(zhuǎn)速越低。

4.2蓄能器容積對輔助啟動特性的影響

為了探究蓄能器容積對輔助啟動特性的影響，設(shè)定蓄能器的充氣壓力為6MPa，充液壓力為12MPa，分別設(shè)置蓄能器容積為0.6L、1L、1.6L、2.5L，得到不同蓄能器容積下的液壓馬達轉(zhuǎn)速n和時間t的關(guān)系如圖7所示。由圖7可知，隨著蓄能器容積的增加，輔助啟動時液壓馬達進出口之間的壓差和液壓馬達的排量都不變，其輸出扭矩不變，負載也不變，故其加速能力相同。但隨著蓄能器容積增加，儲存的高壓油越多，系統(tǒng)加速時間越長，達到的最高轉(zhuǎn)速越高。

4.3充液壓力對輔助啟動特性的影響

為了探究蓄能器充液壓力對輔助啟動特性的影響，設(shè)定蓄能器的容積為1L，充氣壓力為6MPa，分別設(shè)定蓄能器的充液壓力為8MPa、9MPa、10MPa、11MPa，得到液壓馬達轉(zhuǎn)速n和時間t的關(guān)系如圖8所示。由圖8可知，隨著蓄能器充液壓力升高，輔助啟動時液壓馬達進出口之間的壓差越大，液壓馬達排量不變，故其輸出扭矩越大，負載保持恒定，系統(tǒng)加速能力越強。且隨著蓄能器充液壓力升高，儲存的高壓油越多，系統(tǒng)加速時間越長，達到的最高轉(zhuǎn)速越高。

5結(jié)論

（1）三相異步電機直接啟動時定子電流和功率約為正常工作時的4～7倍，當電機達到額定轉(zhuǎn)速后，定子電流和電機功率降到正常水平。

（2）隨著蓄能器充氣壓力升高，輔助啟動系統(tǒng)加速能力不變，達到的最高轉(zhuǎn)速越低。

（3）隨著蓄能器容積增加，輔助啟動系統(tǒng)加速能力不變，達到的最高轉(zhuǎn)速越高。

（4）隨著蓄能器充液壓力升高，輔助啟動系統(tǒng)的加速能力越強，達到的最高轉(zhuǎn)速越高。

參考文獻：

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作者:許文學 劉桓龍 柯堅 于蘭英 王國志 單位:西南交通大學機械工程學院