液壓變壓器是在恆壓網路二次調節系統下發展起來的新型液壓元件。液壓變壓器的技術背景及發展歷程、液壓變壓器的節能思想及其特點，並對典型液壓變壓器的工作原理、研發中需要解決的關鍵技術問題、液壓變壓器的效率計算進行了闡述，同時介紹了液壓變壓器的國內外研究現狀及其在液壓系統中的套用。對液壓變壓器的套用前景進行了展望，指出經完善其關鍵技術，液壓變壓器必將會在未來的液壓傳動系統中扮演重要角色。
基本介紹
- 中文名：液壓變壓器
- 外文名：Hydraulic transformer
- 學科：電力工程
- 領域：能源
- 類型：變壓器
- 特點：成本低、運行狀況和控制性能優良
介紹,背景和歷程,技術背景,發展歷程,特徵,問題及現狀,關鍵問題,研究現狀,套用,總結,
液壓變壓器是在恆壓網路二次調節系統下發展起來的新型液壓元件。液壓變壓器的技術背景及發展歷程、液壓變壓器的節能思想及其特點，並對典型液壓變壓器的工作原理、研發中需要解決的關鍵技術問題、液壓變壓器的效率計算進行了闡述，同時介紹了液壓變壓器的國內外研究現狀及其在液壓系統中的套用。對液壓變壓器的套用前景進行了展望，指出經完善其關鍵技術，液壓變壓器必將會在未來的液壓傳動系統中扮演重要角色。
由於新興電力電子技術的出現，液壓傳動在與電傳動、機械傳動的競爭中，正面臨著嚴峻的挑戰。面對這一激烈競爭，液壓傳動必須不斷推出新技術和液壓元件，增加液壓系統的柔性和功能，旋戒同時滿足高效、節能、低成本和環保的要求。
近年發展起來的恆壓網路二次調節技術提高了液壓系統的柔性和效率。不過，二次調驗判趨節原理上儘管有許多優點，它在液壓領域的套用卻受到了一定的限制，主要原因是液壓工業缺少一種像電力變壓器、機械齒輪變速器那樣的液壓元件—液壓變壓器，把液壓能以一定壓力無能量損失地傳送出去，同時具備成本低、運行狀況良好和控制性能優良等特點。
恆壓網路是近年發展起來的新型靜液傳動技術。應跨烏一個恆壓網路系統由能量源、蓄能器、負載和液壓管路等組成。網路中的壓力恆定，在用戶端對互不相關負載進行單獨控制。
恆壓網路與流量控制系統和負載敏感系統的比較，其先進性主要體現在以下幾點。
(1)恆壓網路中的蓄能器有效分離了負載和能量源，各個負載之間相互獨立，可在用戶端實現互不相關的控制規律。
(2)無節流損失，系統效率高。
(3)恆壓網路中的蓄能器能修整壓力峰值，避免壓力、流量波動，並能從負載端回收能量。因而系統效率會得到進一步提高，能量源進一步減小。
(4)由於控制直接作用於用戶端，能量源的動態性能不影響負載。
二次調節系統是由德國漢堡國防科技大學的H. W. Nikolaus於1977年 的，主要集中於恆壓網路元件的控制策略和元件本身。在二次調節靜液傳動中，二次元件能無損耗地從恆壓網路獲取能量，而且可以接多個互不相關的負載，實現系統制動能和重物勢能的回收與重新利用。
對於驅動一個恆壓網路二次調節的旋轉載荷，通常使用一個變數馬達和一個伺服調節機構，通過快速調節液壓馬達斜盤角度以適應二次負載流量、壓力的需要。而變數馬達和伺服調節機構的價格使二次調節系統成本昂貴，影響了其推廣套用。
對於驅動恆壓網路二次調節直線載荷，傳統做法是利用節流閥來實現。然而，由於網路壓力比負載壓力高，這將產生大量的能量損失。因此，恆壓網路急需一種無節流損失地驅動直線負載的液壓元件，液壓變壓器就是在這種條件下得到發展的。值得一提的是，近年發展的液壓變壓器不僅能夠驅動直線載荷，而且可以驅動旋轉負載。
液壓變壓器並不是一個新概念，早在1965年，就有美國專利 對其進行了論述，這種類型的液壓變壓器實際上是作為液壓放大器來使用的。液壓變壓器為一個泵通過管路與液壓馬達簡單相連，通過改變液壓泵的供給流量來改變壓力比。該類型堡姜采疊液壓變壓器為單向變壓，而且泄漏和能量損失都很大。
1971年，H. K. Herbertts 發展了一種雙向液壓變壓器，在兩個分離的液壓控制迴路間互相傳遞愉簽朵能量。這種變壓器由兩個軸向柱塞泵和馬達構成，泵和馬達的轉子形成機械連線，以便二者能夠一起旋轉。根據系統的運行情況，泵和馬達分別變換自己的角色來協匙承境做泵或馬達使用，進行雙向變壓。
20世紀80年代以後，液壓變壓器在結構形式上並沒有大的改進，基本形式在原理上仍然為軸向柱塞泵與馬達通過一個軸汽備危機械地連線在一起，習慣上將其稱為傳統液壓變壓器 2 。在此期間，研究者更注重這種液壓變壓器的套用研究。日本的Sophia大學研究該類型液壓變壓器在恆壓網路下的工作效率時，將液壓變壓器與活塞缸進行了多種連線方式的組合，並對每種連線方式下液壓變壓器的效率進行了計算機仿真研究，分析結果顯示:如果液壓變壓器和液壓缸的連線方式合理，變壓器的效率可達80 %。而德國Mannesmann Rexroth公司將該類型液壓變壓器成功套用到注塑機和挖掘機上，系統效率和運行性能都得到了改善。
1997年荷蘭Innas和Noax公司聯合研究了一種新型液壓變壓器設計概念，也稱做Innas液壓變壓器。與傳統液壓變壓器相比，該類型變壓器仍然參照恆排量軸向柱塞泵/馬達的結構，但卻使用了一個不同的原理。該變壓器將馬達功能、泵功能集為一身，組成一個單獨的恆排量裝置，減少了許多機械部件，因此該變壓器慣量小，動態回響快，通過改變配流盤的旋轉角度，可以控制油源和負載間的流量比、壓力比。該變壓器在運行時噪聲較大，低速運行狀況不好。
2002年，在德國第三屆國際流體傳動會議上，Achten博士對Innas液壓變壓器又進行了改進。將液壓變壓器由原來的7柱塞改為18柱塞，缸體形狀由集成式結構改為可以自由移動的浮杯形結構，同時將缸體由一個變成兩個。經過這樣的改進，減小了柱塞和缸體間的摩擦損失，同時啟動扭矩也變得很小。柱塞數的增加減少了變壓器內流量和扭矩的波動，降低了的噪聲，提高了效率。值得說明的是該類型變壓器的節能效果、運行特性還有待試驗的進一步驗證。
作為一種能同時控制壓力和流量變化的能量控制元件，液壓變壓器具有如下特徵
(1)作為壓力變壓器，它能將網路壓力無節流損失地調整為壓力變化範圍內的任一值。
(2)變壓器變壓過程可逆，可以向負載輸出能量，也可以從負載向蓄能器回收能量。
(3)液壓變壓器體積小、重量輕，動態回響快。
(1)控制問題
由於液壓變壓器的配流盤和缸體慣量都很小，液壓變壓器本身的動態回響能力快，因而使它的抗干擾能力變得很差，配流盤位置的微小變動，就會立即改變缸體轉矩的平衡和變壓器的旋轉速度，進而液壓變壓器傳遞的流量也跟著快速改變，而流量的變化將直接影響變壓器的輸出壓力 。因此，必須對液壓變壓器採用閉環反饋控制。
液壓變壓器在高速運行時的可控性較好，簡單的PID控制器就能實現對速度和流量的調節、補償。在低速運行時，變壓器的運動逐漸變為以非線性運動為主，前面提到的控制策略不能很好解決液壓變壓器低速運行時的性能，因此需要設計更為複雜的控制器。這也是急需進一步研究液壓變壓器的問題之一:
瑞典的Linkoping大學在變壓器的控制策略方面做了很多研究工作， 了兩種比較典型的控制方法 。一種方法是採用負載流量和變壓器轉速做為反饋信號的流量控制，快速補償轉矩的波動。另一種方法是變壓器低速運行時，在高壓油源和負載之間連線管線，並採用旁路節流的方式抑制轉矩波動;而在高速時仍然採用方法一的控制策略。這兩種控制方法的效果如何還有待試驗進一步驗證。
(2)振動與噪聲
要把液壓變壓器設計為一個實用的流體動力元件，必須重視變壓器的噪聲和壓力、流量波動性。
在新型液壓變壓器中，由於配流盤有三個腰形槽，在缸體旋轉過程中，柱塞腔內的壓力變化過程無處不在。當柱塞缸從一個腰形槽轉到另一個腰形槽時，柱塞腔內的油液暫時被兩個腰形槽間的閥面切斷，在被切斷的這段時間內，柱塞缸容腔將變大或縮小，腔體內的油液將產生壓縮或膨脹，這樣會導致很高的壓力峰值或嚴重的氣穴現象發生，引起噪聲的增加 。由於變壓器輸出壓力是個調節量，簡單地在配流盤腰形槽間開減振槽的方法已不能很
好地解決變壓器的噪聲問題，因此必須尋求其他解決方案。Innas B V公司在減少液壓變壓器噪聲方面做了很多研究工作。一種方法是通過增加液壓變壓器缸體內柱塞的數量來減少噪聲，這已經在其改進型液壓變壓器中可以看到。另一種降低噪聲的方法是在兩個相鄰柱塞腔間引進“梭”來減少壓力峰值。兩種方法在減少噪聲方面都取得了一定的效果。
(3)配流盤與後端蓋的接口
在液壓變壓器中，若配流盤腰形槽與後端蓋接口形狀一致，將使配流盤可旋轉角度過小，導致變壓器的調壓範圍有限。當旋轉配流盤時，隨著旋轉角度的增大，配流盤A, B, T槽與後端蓋的A, B,T接口間的油液通流面積逐漸減小，配流盤與後端蓋之間的油液節流損失增加，變壓器的節能效果降低;當配流盤旋轉角度增大到一定值時，還會使配流盤的A槽與後端蓋的T口、B槽與A口、T槽與B口槽相通，造成變壓器功能的喪失。因此，如何設計配流盤腰形槽與後端蓋油路接口的形狀和位置，使配流盤可旋轉角度儘量大，是液壓變壓器研製過程中要解決的又一關鍵性技術。目前還沒有很好地解決這一難題。
自20世紀90年代以來，荷蘭、瑞典和日本等已開發國家對液壓變壓器投入了大量的人力、物力。如荷蘭Innas BV公司、瑞典Linkoping大學、日本Sophia大學正在對該課題進行研究。目前國內除浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室外還沒有其他科研單位開展液壓變壓器的研究工作.
儘管液壓變壓器的性能還有待改善，但是由於其在恆壓網路系統中展現的獨特魅力，已使人們將它套用到了液壓系統中。這種叉車將液壓變壓器與“具有21世紀動力希望之星 ”的自由活塞發動機相結合，使該系統真正達到了柔性與效率的高度結合。在這裡，使用了靜液傳動的四象限液壓變壓器和起重油缸的兩象限液壓變壓器。通過這種結合，發動機的裝機功率從傳統布置的28 kW降到恆壓網路布置的17 kW，而且系統效率顯著提高.
此外，荷蘭NOBAS公司將液壓變壓器成功套用於挖掘機中，不僅使液壓系統結構得到簡化、成本大幅降低，同時也使系統效率得到很大提高。
液壓變壓器作為一種新的流量控制元件，通過與液壓恆壓網路系統的結合，可以高效地驅動直線和旋轉載荷。真正地體現了液壓系統的柔性與高效的結合，經過不斷完善其關鍵技術，液壓變壓器會越來越得到更廣泛的套用。
發展歷程
液壓變壓器並不是一個新概念，早在1965年，就有美國專利 對其進行了論述，這種類型的液壓變壓器實際上是作為液壓放大器來使用的。液壓變壓器為一個泵通過管路與液壓馬達簡單相連，通過改變液壓泵的供給流量來改變壓力比。該類型液壓變壓器為單向變壓，而且泄漏和能量損失都很大。
1971年，H. K. Herbertts 發展了一種雙向液壓變壓器，在兩個分離的液壓控制迴路間互相傳遞能量。這種變壓器由兩個軸向柱塞泵和馬達構成，泵和馬達的轉子形成機械連線，以便二者能夠一起旋轉。根據系統的運行情況，泵和馬達分別變換自己的角色來做泵或馬達使用，進行雙向變壓。
20世紀80年代以後，液壓變壓器在結構形式上並沒有大的改進，基本形式在原理上仍然為軸向柱塞泵與馬達通過一個軸機械地連線在一起，習慣上將其稱為傳統液壓變壓器 2 。在此期間，研究者更注重這種液壓變壓器的套用研究。日本的Sophia大學研究該類型液壓變壓器在恆壓網路下的工作效率時，將液壓變壓器與活塞缸進行了多種連線方式的組合，並對每種連線方式下液壓變壓器的效率進行了計算機仿真研究，分析結果顯示:如果液壓變壓器和液壓缸的連線方式合理，變壓器的效率可達80 %。而德國Mannesmann Rexroth公司將該類型液壓變壓器成功套用到注塑機和挖掘機上，系統效率和運行性能都得到了改善。
1997年荷蘭Innas和Noax公司聯合研究了一種新型液壓變壓器設計概念，也稱做Innas液壓變壓器。與傳統液壓變壓器相比，該類型變壓器仍然參照恆排量軸向柱塞泵/馬達的結構，但卻使用了一個不同的原理。該變壓器將馬達功能、泵功能集為一身，組成一個單獨的恆排量裝置，減少了許多機械部件，因此該變壓器慣量小，動態回響快，通過改變配流盤的旋轉角度，可以控制油源和負載間的流量比、壓力比。該變壓器在運行時噪聲較大，低速運行狀況不好。
2002年，在德國第三屆國際流體傳動會議上，Achten博士對Innas液壓變壓器又進行了改進。將液壓變壓器由原來的7柱塞改為18柱塞，缸體形狀由集成式結構改為可以自由移動的浮杯形結構，同時將缸體由一個變成兩個。經過這樣的改進，減小了柱塞和缸體間的摩擦損失，同時啟動扭矩也變得很小。柱塞數的增加減少了變壓器內流量和扭矩的波動，降低了的噪聲，提高了效率。值得說明的是該類型變壓器的節能效果、運行特性還有待試驗的進一步驗證。
特徵
作為一種能同時控制壓力和流量變化的能量控制元件，液壓變壓器具有如下特徵
(1)作為壓力變壓器，它能將網路壓力無節流損失地調整為壓力變化範圍內的任一值。
(2)變壓器變壓過程可逆，可以向負載輸出能量，也可以從負載向蓄能器回收能量。
(3)液壓變壓器體積小、重量輕，動態回響快。
問題及現狀
關鍵問題
(1)控制問題
由於液壓變壓器的配流盤和缸體慣量都很小，液壓變壓器本身的動態回響能力快，因而使它的抗干擾能力變得很差，配流盤位置的微小變動，就會立即改變缸體轉矩的平衡和變壓器的旋轉速度，進而液壓變壓器傳遞的流量也跟著快速改變，而流量的變化將直接影響變壓器的輸出壓力 。因此，必須對液壓變壓器採用閉環反饋控制。
液壓變壓器在高速運行時的可控性較好，簡單的PID控制器就能實現對速度和流量的調節、補償。在低速運行時，變壓器的運動逐漸變為以非線性運動為主，前面提到的控制策略不能很好解決液壓變壓器低速運行時的性能，因此需要設計更為複雜的控制器。這也是急需進一步研究液壓變壓器的問題之一:
瑞典的Linkoping大學在變壓器的控制策略方面做了很多研究工作， 了兩種比較典型的控制方法 。一種方法是採用負載流量和變壓器轉速做為反饋信號的流量控制，快速補償轉矩的波動。另一種方法是變壓器低速運行時，在高壓油源和負載之間連線管線，並採用旁路節流的方式抑制轉矩波動;而在高速時仍然採用方法一的控制策略。這兩種控制方法的效果如何還有待試驗進一步驗證。
(2)振動與噪聲
要把液壓變壓器設計為一個實用的流體動力元件，必須重視變壓器的噪聲和壓力、流量波動性。
在新型液壓變壓器中，由於配流盤有三個腰形槽，在缸體旋轉過程中，柱塞腔內的壓力變化過程無處不在。當柱塞缸從一個腰形槽轉到另一個腰形槽時，柱塞腔內的油液暫時被兩個腰形槽間的閥面切斷，在被切斷的這段時間內，柱塞缸容腔將變大或縮小，腔體內的油液將產生壓縮或膨脹，這樣會導致很高的壓力峰值或嚴重的氣穴現象發生，引起噪聲的增加 。由於變壓器輸出壓力是個調節量，簡單地在配流盤腰形槽間開減振槽的方法已不能很
好地解決變壓器的噪聲問題，因此必須尋求其他解決方案。Innas B V公司在減少液壓變壓器噪聲方面做了很多研究工作。一種方法是通過增加液壓變壓器缸體內柱塞的數量來減少噪聲，這已經在其改進型液壓變壓器中可以看到。另一種降低噪聲的方法是在兩個相鄰柱塞腔間引進“梭”來減少壓力峰值。兩種方法在減少噪聲方面都取得了一定的效果。
(3)配流盤與後端蓋的接口
在液壓變壓器中，若配流盤腰形槽與後端蓋接口形狀一致，將使配流盤可旋轉角度過小，導致變壓器的調壓範圍有限。當旋轉配流盤時，隨著旋轉角度的增大，配流盤A, B, T槽與後端蓋的A, B,T接口間的油液通流面積逐漸減小，配流盤與後端蓋之間的油液節流損失增加，變壓器的節能效果降低;當配流盤旋轉角度增大到一定值時，還會使配流盤的A槽與後端蓋的T口、B槽與A口、T槽與B口槽相通，造成變壓器功能的喪失。因此，如何設計配流盤腰形槽與後端蓋油路接口的形狀和位置，使配流盤可旋轉角度儘量大，是液壓變壓器研製過程中要解決的又一關鍵性技術。目前還沒有很好地解決這一難題。
研究現狀
自20世紀90年代以來，荷蘭、瑞典和日本等已開發國家對液壓變壓器投入了大量的人力、物力。如荷蘭Innas BV公司、瑞典Linkoping大學、日本Sophia大學正在對該課題進行研究。目前國內除浙江大學流體傳動及控制國家重點實驗室外還沒有其他科研單位開展液壓變壓器的研究工作.
套用
儘管液壓變壓器的性能還有待改善，但是由於其在恆壓網路系統中展現的獨特魅力，已使人們將它套用到了液壓系統中。這種叉車將液壓變壓器與“具有21世紀動力希望之星 ”的自由活塞發動機相結合，使該系統真正達到了柔性與效率的高度結合。在這裡，使用了靜液傳動的四象限液壓變壓器和起重油缸的兩象限液壓變壓器。通過這種結合，發動機的裝機功率從傳統布置的28 kW降到恆壓網路布置的17 kW，而且系統效率顯著提高.
此外，荷蘭NOBAS公司將液壓變壓器成功套用於挖掘機中，不僅使液壓系統結構得到簡化、成本大幅降低，同時也使系統效率得到很大提高。
總結
液壓變壓器作為一種新的流量控制元件，通過與液壓恆壓網路系統的結合，可以高效地驅動直線和旋轉載荷。真正地體現了液壓系統的柔性與高效的結合，經過不斷完善其關鍵技術，液壓變壓器會越來越得到更廣泛的套用。
