变配重的节能技术及其能耗机理分析

　　0 前言

　　在“绿色与节能”成为世界性主题的同时，节能降耗成为我国未来 20 年内经济社会发展的重要目标之一。随着电力电子技术的日益革新，液压传动在与电传动、机械传动的竞争中，面临着越来越严峻的挑战，液压传动必须不断推出新技术，克服其传动效率低、能耗大的缺点。

　　以液压升降台、液压电梯等为典型代表的液压升降机械具有功率重量比大、安装灵活等优点，具有广阔的市场空间，但装机功率和能耗大一直是困扰其发展的主要因素之一。变频调速(Variablevoltage variable frequency，VVVF)[1-2]的方法能起到较好的节能效果，但即便如此，液压升降机械在中、小载重量的领域内，与直接电、机械传动的升降系统相比存在着装机功率大、能耗大的劣势。采用配重是另一种较为常用的节能方法，在液压升降机械中，由于结构上的特点一般采用蓄能器作液压配重，如德国力士乐公司 1998 年提出一种采用蓄能器和柱塞泵做辅助动力并回收势能的方法[3]应用在液压油机中。浙江大学徐兵[4]从上述抽油机的原理中得到启发，将其应用在变频驱动液压电梯中，同样取得较好的节能效果。2005 年，浙江大学林建杰[5]提出一种液压闭式油路结构的变频驱动液压电梯，在该系统中蓄能器作为液压配重已经是一个主要的动力源与势能存储装置。

　　从目前的研究来看，采用配重的节能系统中，配重提供的能量都不可人为地实时控制，当系统的负载变化时，存在着配重提供能量过多或不足的问题，需要制动电阻消耗多余能量或电动机提供不足的能量。从节能的角度来看，最理想的节能效果是当系统的负载变化时，配重提供的能量能随着负载变化而变化，并与负载所需或输出的能量相等。因此，本文针对液压升降机械，在变频调速的基础上，从加配重的节能方法入手，探讨一种变配重的节能方法，详细阐述变配重的节能原理和功耗特性。

　　1 变配重技术的节能原理

　　1.1 变配重的节能思想

　　液压升降机械带配重的节能方法有两种：带机械配重和蓄能器做液压配重。在带机械配重的系统中配重不可变，为使得系统的装机功率最低，机械配重的重量一般为升降台自重加上最大负载重量的一半(称为半载)。在采用蓄能器做液压配重的系统中[5]，液压配重的平均压力设置为与半载情况相等，但液压配重在升降机上行过程中存在着逐渐变小的问题(蓄能器内气体压力随着升降机上行而下降)，其提高的功率和能量也逐渐降低，下行则相反。

　　图 1、2 分别是目前采用机械配重和液压配重的液压升降机械上行工况的能耗示意图，图 1、2 中曲线 1、2 分别表示配重提供的功率和系统所需功率。从图 1b 中可以看出，系统在半载运行工况，机械配重提供功率与系统所需功率相等，此时电动机提供的功率仅需克服系统摩擦，其能耗最少。图 1a 则表明，空载上行时，机械配重提供的能量大于系统所需能量，曲线 1、2 之间围成的白色面积代表配重提供的多余能量，该能量须通过制动电阻消耗。而系统在满载上行工况时，曲线 1 表示的配重提供功率低于负载所需功率，需要电动机提供该功率差。同理，从图 2 中也可以得出，系统在空载情况下存在能量浪费，满载上行时存在配重能量不足，需要说明的是图 2b 中，由于蓄能器的平均压力(中间点)等于半载时的系统压力，使得系统在上行时，电动机先工作在制动工况(区域Ⅰ)，后工作在功率输出工况(区域Ⅱ)。