Falowniki w napędach hydrostatycznych

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.