Falowniki w napędach hydrostatycznych

 

Frequency converters in the hydraulic drives Abstract − Some factors limiting the application of the frequency converters in the hydraulic drives, mainly in systems with volumetric control have been presented. The thesis has been proved by simplified calculation and experiments made for axial piston pump which rotational speed controlled with the use of the frequency converter. Some remarks for designers and suggestions for manufacturers of hydraulic systems have also been presented.

 

Pompy hydraulicznych stacji zasilających napędzane są przeważnie elektrycznie. Wprowadzenie przemienników częstotliwości (falowników) w obwodach sterowania silników prądu przemiennego umożliwiło, przez zmianę wydajności pomp hydraulicznych o stałym wydatku, zastosowanie sterowania objętościowego (wyporowego) w stacjonarnych układach hydraulicznych, zastępując energochłonne sterowanie dławieniowe tych układów [1] oraz pompy o zmiennej wydajności [2].

Po okresie początkowego zainteresowania, także w aplikacjach sterowania pozycyjnego z napędem hydraulicznym [3], sterowane falownikowo napędy hydrauliczne stosowane są obecnie tylko w tych przypadkach, w których szczególnie ostre są wymagania energooszczędności napędu.

Główne ograniczenia

Jedną z głównych przyczyn ograniczonego zastosowania sterowanych falownikowo napędów hydraulicznych są zwiększone, w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych, koszty instalacji oraz eksploatacji. Zwiększony koszt instalacji spowodowany jest koniecznością zastosowania:

• przystosowanego do pracy falownikowej silnika elektrycznego, w tym intensywnego chłodzenia (zewnętrznego), np. wentylatora o obrotach niezależnych od obrotów zastosowanego silnika
• specjalnej pompy hydraulicznej, bowiem praca pompy konwencjonalnej poniżej jej minimalnych obrotów jest szkodliwa, m.in. ze względu na słabe smarowanie jej elementów.

Brakuje jeszcze wiarygodnych danych o zwiększonych kosztach eksploatacji falownikowego napędu hydraulicznego – liczyć się tu jednak należy z ograniczoną trwałością pomp o wymuszonej, silnie zmiennej liczbie obrotów.

Drugą z przyczyn ograniczonego zastosowania falownikowych napędów hydraulicznych jest brak płynności obrotów silnika elektrycznego, widoczny zwłaszcza przy bardzo małych prędkościach obrotowych. Efektem jest nierównomierny wydatek pompy, który i tak, ze względu na zasadę pracy pompy wyporowej, nie jest stały. Końcowym objawem jest skokowy ruch aktuatora, często potęgowany jeszcze zjawiskiem stick-slip, występującym w napędzanych urządzeniach mechanicznych.

Możliwe zakłócenia

Oprócz wymienionych ograniczeń istnieje, większa niż przy konwencjonalnie rozwiązanych układach, obawa, że falownikowy napęd hydrauliczny będzie źródłem pobudzającym do drgań pozostałe zespoły i elementy układu hydraulicznego (zawory, przewody itp.). Pulsacja wydajności występuje w każdym typie pompy wyporowej, jednak przy stałych jej obrotach spektrum drgań jest stałe, a zatem łatwiej jest zminimalizować jego niekorzystne skutki. Przy sterowaniu wydajnością pompy przez obroty zmieniane falownikiem, częstość wspomnianych wymuszeń zmienia się w bardzo szerokim zakresie i istnieje realna groźba, że mieszczą się w nim częstości własne niektórych elementów układu. Widmo pulsacji ilustrujące możliwy zakres drgań wydajności Q przykładowej pompy, sporządzony przy założeniu sinusoidalnych zmian objętości jej komór roboczych, przedstawiono na rys. 1.

Siłę F wymuszającą drgania elementów powoduje ciśnienie p zależne m.in. od charakterystyki wydajności pompy Q(n), czyli związku siły, ciśnienia, wydajności i obrotów. Częstość możliwych zakłóceń ze strony pompy można więc oszacować (dla danych obrotów) na podstawie uproszczonych obliczeń, wykorzystując pulsacje ciśnieniowe [2]. Dla przykładowej pompy osiowej wyniki obliczeniowych szacowań oraz wyniki pomiarów laboratoryjnych przedstawiono na rys. 2.

Mimo niedokładności tak uzyskanych wyników, można z nich dość dobrze oszacować częstość drgań o największej, a zatem najgroźniejszej mocy.

Niestety, należy również nadmienić, że nawet po oszacowaniu częstości możliwych zakłóceń, projektant – użytkownik układu hydraulicznego nie jest w stanie określić tych najgroźniejszych częstości, bowiem nie zna pulsacji drgań własnych zastosowanych w układzie zespołów.

Podsumowanie

Przy stosowaniu falowników znacznie wzrasta groźba pobudzenia do drgań elementów układu hydraulicznego.

Można oszacować częstości wprowadzanych do układu zakłóceń, ale trudno w fazie projektowania ustalić, które z nich są najgroźniejsze.

Wskazane byłoby więc, aby producenci w danych katalogowych podawali charakterystyki częstotliwościowe lub pulsacje drgań własnych oferowanych zespołów i elementów [4].

Bibliografia

1. Backé W.: Systematik der hydraulischen Widerstandsschaltungen in Ventilen und Regelkreisen. Krausskopf-Verlag, Mainz 1974.
2. Stryczek St.: Napęd hydrostatyczny. WNT, Warszawa 1984.
3. Mednis W., Wiśniewski P., Olszewski M.: Displacement and Throttle Control of Electrohydraulic Servodrive. Workshop to 4^th International Fluidtechnisches Kolloquium “Intelligent Solutions by Fluid Power”, Dresden 2004, s. 83–90.
4. Helduser S., Mednis W., Olszewski M.: Elementy i układy hydrauliczne. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej, Warszawa 2009.

dr inż. Willi Mednis

Emerytowany, nadal czynny zawodowo pracownik Instytutu Automatyki i Robotyki na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, autor wielu publikacji naukowo-technicznych i dydaktycznych z dziedziny hydrauliki siłowej, niekwestionowany autorytet w praktyce w tej dziedzinie.

prof. nzw. dr hab. inż. Mariusz Olszewski

Absolwent, obecnie profesor, od 1994 r. dyrektor Instytutu Automatyki i Robotyki na Wydziale Mechatroniki Politechniki Warszawskiej, stypendysta niemieckiej Fundacji Alexandra v. Humboldta, członek konsorcjum Europejskiej Sieci Centrów Techniki Płynowej (FPCE). Staże naukowe w Reńsko-Westfalskiej Politechnice w Akwizgranie i Uniwersytecie Technicznym w Stuttgarcie, praktyki w niemieckim przemyśle precyzyjnym i mechatronicznym. Specjalista i autor publikacji, książek, podręczników, patentów i wdrożeń z zakresu budowy i sterowania urządzeń wykonawczych automatyki, robotyki przemysłowej i mechatroniki. Wieloletnia praktyka w kierowaniu krajowymi i międzynarodowymi projektami
badawczymi i rozwojowymi.