变频调速技术在桥梁顶推液压系统中的应用

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62 液压与气动 2013年第 l0期DOI：10．11832／j．issn．1000-4858．2013．10．017变频调速技术在桥梁顶推液压系统中的应用曾智荣The Application of Frequency Control Technology in BridgeIncremental Launching Hydraulic SystemZENG Zhi—rong(中铁大桥 局武汉桥梁特种枯术有限公 司 ．湖 武淑 430074)摘 要：介绍了基于交流变频调速技术的顶推液压系统工作原理，通过实验对其特性进行 了分析探究。

通过选择高机能、向量控制交流电机变频器，采用可编程控制器(PLC)、Controler Link网络总线集中控制系统等措施，解决了本液压系统存在的响应快速性和调速精度问题，满足了工程需要。

关键词：变频调速；顶推；液压系统中图分类号：TH137 文献标志码：B 文章编号：1000-4858(2013)10-0062-04引言液压传动以其传动平稳、调速方便、功率体积比大等优良特性在许多领域获得了广泛的应用，但是液压动力传动的能量利用率不高，整机系统的效率较低。

20世纪 70年代以来，随着电力电子技术和控制理论的高速发展，交流电动机变频调速技术取得了突破性的进展。交流电动机变频调速以其具有诸多优点而被国内外公认为最有发展前景的调速方式。交流电动机变频调速技术依靠改变供电电源的频率就可实现对执行机构的速度调节，电机始终处在高效率的工作状态。

将交流电动机变频调速技术用于液压系统，可以克服液压系统的一些缺点，如简化液压回路，减少液压系统的能量损失，提高系统效率，降低噪声等。交流变频调速技术在新建合福铁路铜陵长江公铁两用大桥钢梁水平顶推液压系统中得到充分应用，实施效果良好。

1 工程概况新建合福铁路铜陵长江大桥为新建合肥至福州客运专线铁路的关键控制性工程。跨江主桥为公铁两用大桥，跨江主桥长 1920 m，为两塔五跨钢桁梁斜拉桥，跨径布置为90 m+240 m+630 m+240 m+90 m，主跨 630 m。上层为 6车道公路，下层为4线铁路。主桥立面如图 1所示，主桥横断面如图2所示。

钢梁拼装架设因地制宜，根据两岸地形差异，南北两岸采用不同的方案：南岸采用边跨全顶推，顶推长度{E犀 l I南岸J 厂1 r I 1 0
、 ，图 1 主桥立面布置图2％ 2％0 八 ．八 八 ： 8In
I I 、● ‘g錾r．w (．-j；壬： ； j；jI； IE芏 三E 翌 ；；壬 E鞠I {图2 主桥横断面布置图360 m，顶推总重 22000 t，主跨悬臂架设；北岸边跨岸上部分顶推，顶推长度 120 m，顶推总重7000 t，水中边跨、主跨双悬臂架设。顶推动力装置采用水平连续千斤顶。

收稿 日期 ：2013-04-09作者简介 ：曾智荣(1982一)，男，江西莲花县人，：I 程师，本科，现主要从事桥梁顶推顶升设备 自动化控制技术应用 、桥梁维修加固施工技术等研究工作。

液压与气动 2013年第 10期变频器是变频调速系统的核心部分，所以变频器是变频液压站最为重要的部件。本系统采用 VFD—B高机能、向量控制交流电机变频器。变频器主要由主回路、控制回路、保护回路构成。主回路的作用是直接给交流电动机提供调频调压电源；控制回路的作用是根据预先设定或由闭环反馈信号 (输出量向输人端馈送运行信号作为比较或控制信号)来控制主回路，使主回路按一定的规律调节电压与频率并输出，有驱动回路(提供主回路按一定规律的调节电压与频率)、运算回路(根据检测的信号进行计算并与设定值比较而决定输出)、输 设定参数回路(对液压参数及工艺曲线进行设定)、电压／电流检测回路、(检测主回路的实际电压／电流)、速度检测回路(检测电机的实际转速)、压力检测回路(检测液压系统的实际压力)、冷却控制回路(检测液压系统的温度并控制冷却电机的开关)等组成；保护回路则为变频器的各个部分及电动机提供完善的保护，如过流、过载、过电压等故障的保护，使变频器及电动机工作具有高可靠性。

3．3 变频调速液压 系统特性分析1)转速与频率间的特性分析根据电动机学的基本原理，异步电动机的同步转速公式如下 ：n=60f／p式中，n—— 电动机的同步转速(r／min)P—— 电动机定子绕组的磁极对数．
厂—— 电动机电源的频率(Hz)在变频调速系统中，所选的电机是标定值，故磁对数是恒定的，改变电源输入频率可改变转速，降低频率，转速就变小，反之，提高频率，转速就加大，电机转速与频率成一定的线性关系。

我国规定的标准电源频率为f=50 Hz，因此调频范围也在 50 Hz以内。实际上，由于转差率的存在，电机实际转速略低于旋转磁场的转速，如图 5为理论数值 。

图5 频率与转速特性2)频率与流量间的特性分析通过对 1#、2群液压泵站进行模拟现场负载实验，变频器调频设定38～50 Hz，每增加 2 Hz设定一个档，记录一次数据。记录前后主顶在不同频率下的一个伸缸过程中行走所需的时间，每个液压泵站各试验 次得出平均值。通过实验数据得出电机的电源输入频率与泵的输出流量成特定的线性关系，频率与流量线性关系如图6、图7所示。

4540353O2520151050图6 1#液压泵站变频器频率与流量的关系图45403530252015l050图 7 2#液压泵站变频器频率与流量的关系图在顶推施工现场使用过程中发现，电机只在 I：作点按设定频率运转，非工作点是以低速运转状态来等待下个动作指令的执行，这样既降低了机件的磨损度，避免了电机长期高速运转，又减小了噪音，提高了液压泵的使用寿命，能有效地节能降耗。

4 变频调速在水平顶推连续液压系统中主要存在的问题及对策从目前国内外的研究结果和文献来看，变频液压调速系统存在诸如动态响应慢、低速特性差、调速精度不易保证等一些问题。结合铜陵桥钢梁顶推施T时摩擦力呈动态变化及单点顶推对 6台水平顶的同步精度要求高的工作特点进行分析，水平连续顶推液压系统主要存在响应快速性和调速精度问题，针对以上问题，在顶推液压系统设计时就采取了相应的对策。

4．1 响应快速性问题变转速容积控制系统是通过改变电机转速来改变2013年第lO期 液压与气动 65液压系统的流量。由于一般的异步电机的转动惯量大于液压泵的转动惯量，以及变频器的过载能力有限(过载50％只允许 1 min)，影响了加速性能。减速也不能过快，否则再生能量会引起逆变器直流电压过高，保护功能动作。因此一般变转速容积控制系统比传统容积控制系统的响应要慢。

体积小、性能好的变频器对提高系统响应的快速性有利。改善控制系统的结构、减小控制环节的个数会提高系统响应的快速性。采用合适的控制算法来改善系统的动态品质，提高系统响应的快速性。

由于铜陵桥钢梁顶推施工时摩擦力根据滑块与不锈钢板间摩擦系数和滑道梁平整度情况呈动态变化，故所需压力也呈动态变化，对系统响应的快速性要求较高。本系统采用的台达 VFD．B高机能、向量控制交流电机变频器，具有体积小、高性能、过载能力大(可达到 250％)等特点，再辅以合理的控制系统结构和控制算法，有效地提高了系统响应速度。

4．2 调速精度 问题调速精度是指所期望速度的准确性。影响调速精度的主要原因有两个：一是速度刚度，所谓速度刚度是指执行器的速度不随负载变化的能力；二是系统的慢时变特性，如液压系统中的油液温度、油液黏性和泄漏量的大小等都会随着时间呈非线性变化，从而影响系统的输出特性和调速精度。

为消除或减弱负载对转速的影响以及液压系统的慢时变特性对系统输出的影响，需要从两个方面来考虑：一方面是要确保电机转速不随负载变化而变化；另一 方面是要消除或减小液压系统的慢时变特性对系统输出的影响。对变频器设定合适的转矩补偿和滑差补偿，在负载变化时适当地调整泵(电机)的转速，即可适度补偿回路泄漏的流量，维持执行器转速的稳定性，保证其速度刚度得以较大的提高。另外，选择带矢量控制的变频器可以较大程度地提高电机转速轴的速度刚度，有利于提高调速精度。也可以选择合理的控制回路和合适的控制算法、控制参数、补偿系统未知参数及非线性的影响，增强系统的鲁棒性，从而提高执行器的速度刚度，确保调速精度。

由于铜陵桥钢梁顶推距离长，需顶推施工的钢梁最大长度达 360 m，且采用的后端单点顶推，水平连续千斤顶的同步性对钢梁顶推过程中的横向偏位影响较大，而液压系统的调速精度对水平连续顶推系统中的同步精度起决定性的作用。本系统采用了带矢量控制的变频器，选择合理的控制回路和合适的控制算法等措施确保调速精度，并采用可编程控制器 PLC控制液压系统中电磁阀的动作，通过高精度位移、压力传感器技术、通讯技术实现多媒体信息交互设备的远程操控。

根据变频调速与液压流量间所具有的线性关系，在不同工况下选择对应的频率参数值，从而调整泵的输出流量，给液压设备的动作提供所需流量。通过 Control-ler Link网络总线链接，将计算机、PLC、变频器、传感器、执行机构等有机地链接起来，由主控台集中、统一控制，不仅实现了自动化控制，而且还节省了现场配线、简化 系统 结构，达到了提高设 备 同步 精度 的效果。

5 结论随着控制理论更新和发展，微电子技术的不断完善，变频调速技术的日臻完善和成本的降低，交流变频调速技术已在我国各行业得到广泛应用，并已取得了极佳的经济节能效益。

我们通过变频调速技术在水平连续顶推液压系统的应用实例，结合理论与实践，对其工作特性进行了分析，对系统响应快速性和调速精度问题采取了相应的措施，取得了良好的效果。因此，此套液压系统在实际应用中是可行的，且具有可持续发展性，故变频调速技术将会广泛地应用在液压系统中。

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