伺服壓力機能量管理系統的研究

周曉東 郭為忠

(上海交通大學，上海 200030)

0 引言

伺服壓力機作為新型壓力機得到越來越多的應用，與傳統的液壓壓力機或者伺服泵驅動的壓力機相比，具有生產效率高的特點[1][2]，和傳統的機械壓力機相比，又具有沖壓過程可編程，提高沖壓質量的特點[5]，配合伺服液壓墊使用，可以大大提高深拉伸工藝的質量和效率[6]。但帶來的問題是在沖壓過程對能量要求很高[3][4]。對于大型壓力機，特別是噸位大于1000T的伺服壓力機，能量管理是一個不可或缺的部分。本文將對壓力機能量管理系統的需求以及兩種不同的技術方案進行比較分析，確定其適應場合。

1 伺服壓力機沖壓周期能量分析

在偏心式伺服壓力機的一個沖壓周期里，為了達到沖壓時低速保護模具和提高沖壓件質量，回程時高速提高生產節拍，伺服主電機在一個周期里驅動偏心機構部分在不同的區域以不同的速度運行，這種運行方式導致在不同區域里，壓力機內部能量與外部能量發生交互。以最常見的壓力機沖壓一次，偏心輪運行一個周期360°為例：

圖1 沖壓周期能量與速度變化示意圖

? 紅色區域：為工件的成形區域，伺服壓力機需要外部提供能量。在這個區域內沖壓件的變形能和熱能來自于伺服壓力機的滑塊和模具上模的動能，這部分能量由伺服壓機的主驅動電機和伺服驅動器提供，這部分能量屬于外部能量輸入至壓力機系統內部能量，是從電網側的電能轉換而來。這個區域能量的大小由被沖壓的工件的變形能量來決定，變形能量x節拍數/轉換效率=外部輸入壓力機的平均能量，這個平均能量只能由電網側變壓器提供，是伺服壓力機系統中電網側變壓器選型的最小值。

? 綠色區域：為滑塊的加速區域，這個區域伺服壓力機的滑塊需要能量進行加速。在這個區域里為了給伺服壓力機送料系統提供更多的時間，滑塊需要從下死點處加速打開，滑塊加速時所需的能量是由伺服壓力機的伺服主電機和伺服驅動器提供，能量的大小由壓力機的運動部件(轉動慣量+質量)和加速度以及加速時間來決定。

? 灰色區域：為偏心輪運行的勻速區域，在這個區域中，伺服壓力機運動部分需要能量克服各種摩擦和運動中的其他機械損耗。能量的大小由各種損耗來決定。

? 黃色區域；為減速區域，伺服壓力機運動部分制動減速需要釋放能量。在這個區域中，壓力機的運動部件需要減速來降低滑塊速度到沖壓速度來保證沖壓件的質量和保護模具，降速的過程需要將運動機械部件的一部分能量釋放出來，這個釋放是通過伺服壓機的伺服主電機和伺服驅動器處于發電狀態將機械能轉換為電能完成的，釋放能量的大小由運動機械部件(轉動慣量和質量)和減速度以及減速時間決定。

能量管理系統需要根據沖壓過程的能量需求特點，進行合理的分配和控制。

2 伺服壓力機能量管理系統

伺服壓力機能量管理是一個能量分配系統，其主要目的是合理分配電網側的能量(功率)和伺服壓力機能量管理系統中儲能機構的能量(功率)之間的百分比，這個百分比是可以通過配置進行合理的分配，其范圍電網側/(儲能機構側+電網側)可以從100%(無儲能機構)到30%(儲能機構提供所有波動的功率，電網側輸入一個穩定的值)內配置，這個比例可以根據項目的具體情況進行合理調整和分配。

對于伺服壓力機的能量管理系統基于以下原則進行設計：

? 任何時刻所有輸入的能量(功率)和必須等于輸出能量(功率)和，能量只能以不同形式的轉換和存儲于不同的設備內。

? 當一條工藝運行曲線規劃完成后，在一個周期內任何一點的機械功率需求是確定的，不能改變的，與系統里是否存在能量管理系統無關。故工藝曲線是輸入參數，這個工藝曲線決定了伺服壓力機的能量(功率)需要。

伺服壓力機能量管理系統理想的分配比例是電網側持續輸入平均能量(功率)而儲能機構平滑能量(功率)尖峰。

伺服壓力機能量管理系統設計時需要考慮以下主要因素：

? 儲能容量的計算

? 儲能機構與電網側變壓器之間的能量比例系數選擇

? 儲能方式選擇

儲能容量的計算與伺服壓力機的工藝曲線和工作能以及機械運動部件密切相關，通過對壓機的工作能和轉動慣量以及加減速時間等多個因素綜合計算可以得出儲能容量。

根據儲能方式的不同，伺服壓力機主傳動系統的能量管理常采用兩種不同的解決方案，一種利用電能與電能直接的吸收和釋放，采用電解電容作為能量存儲裝置，稱之為電容儲能(電能儲能)，另一種利用機械能與電能之間的轉換，利用儲能電機帶動的機械飛輪的速度變化，通過逆變器進行發電和電動狀態的轉換完成機械能與電能的轉換，這種以飛輪為介質稱為飛輪儲能(機械能儲能)，根據兩種不同儲能方式的特點進行靈活選擇，可以構成滿足不同噸位，不同需求的伺服壓力機能量管理系統。

3 能量管理系統里儲能容量的計算方法

3.1 機械能儲能計算方法

對于機械能，分為勢能與動能，勢能與質量和位置相關，動能與質量、速度或轉動慣量，轉速有關。在實際應用中，利用旋轉物體的動能進行能量儲存和交換比較常用，其公式：

E=1/2*J*(ω12-ω22)

(1)

式中：E：為能量單位kJ

ω1：為飛輪電機速度1，單位rad/s

ω2：為飛輪電機速度2，單位rad/s

J：為轉動慣量單位 kgm2

3.2 電能儲能的計算方法

電能儲能與物體的電容和電感有關，物體的電能與電容值、端電壓相關，或者與電感值、電流相關。在實際應用中，電容更多用來作為儲能裝置。

對于電容儲能方式

E=1/2*C*(u12-u22)

(2)

式中：

E：為能量單位kJ

u1：為電容電壓1 單位v

u2：為電容電壓2 單位v

C：為電容容量單位 F

在伺服壓力機的能量管理系統選型計算時，根據工藝沖壓曲線計算出系統的平均能量和尖峰能量，合理選擇飛輪的轉動慣量以及電機的速度變化區域和電容的容量以及直流母線電壓的波動范圍。

4 兩種不同的儲能方式

4.1 飛輪儲能

飛輪儲能方式為機械能儲能，即通過一個伺服電機驅動一個轉動慣量大的飛輪，通過飛輪的速度變化使得伺服電機交替處于發電狀態和電動狀態來完成飛輪機械能和電能的轉換，電能通過直流母排和主驅動系統完成能量交換來提供能量尖峰和吸收能量尖峰。飛輪儲能的特點是能量密度大，通過改變飛輪的轉動慣量的大小和選擇電機的速度變化范圍改變儲能的大小，在工程上非常容易實現。但動態響應偏慢。

飛輪儲能原理示意圖

圖2 飛輪電機儲能原理示意圖

在上圖(圖2)中，電網側的變壓器、主驅動電機和飛輪儲能電機分別由將三相交流變為直流的整流裝置和將直流變成電壓和頻率可調的三相交流的伺服逆變器通過直流母線連接在一起，構成伺服壓力機的電氣主傳動系統。

紅色箭頭代表能量流動方向，對于電網側的變壓器，能量管理的目的是希望在一個沖壓周期中，只有從電網側變壓器通過整流裝置經過直流母線輸入能量到壓力機系統，這個能量是單方向的。而在壓力機內部，通過控制伺服逆變器和主驅動電機來完成沖壓，其運動由沖壓曲線決定，飛輪儲能電機和其所連接的伺服逆變器通過直流母線釋放或吸收主電機運動過程中的能量尖峰。儲能飛輪電機系統與伺服壓力機的主電機系統的能量流動方向恰好相反，二者通過直流母線完成能量的交換。即主電機加速時作為電動方式通過逆變器將電能轉換為機械能實現機械部件的加速，這時直流母線的電壓會由于主電機的加速而降低，為了保持母線電壓的不變，飛輪電機需要減速作為發電方式通過逆變器將機械能轉換為電能補償這種母線電壓的跌落；主電機減速時作為發電方式通過伺服逆變器將系統里的機械能轉化為電能使得直流母線電壓升高，此時需要飛輪儲能電機加速作為電動方式將電能轉化為飛輪機械能，從而降低直流母線電壓。

飛輪儲能能量管理系統中，如何控制飛輪電機與主電機的同步且方向相反是飛輪儲能系統的關鍵點，就是使飛輪電機的速度變化和主電機的速度變化方向恰恰相反來完成尖峰能量的交換。

4.2 飛輪儲能電機的控制

在飛輪儲能電機的控制中，在速度環給定一個固定的速度設定值，這個速度是系統開機時所設定，為基本速度，圍繞這個基本速度進行加速和減速完成能量交換。

為了提高儲能系統的動態響應，將直流母線的變化值經過轉換，作為附加扭矩給定值直接加入電流環。

合理的調整PI控制器的P值和I值，使得飛輪儲能電機的動態響應達到最快。

4.3 電容儲能

將電解電容串聯提高耐壓，并聯擴大容量，加上保護回路和預充電控制回路做成電容模組，由電容模組組成電容作為儲能機構。電容儲能為電能儲能，當主驅動電機加速時，驅動電機的驅動器的直流母線電壓會由于電機加速需要更多的機械能量而造成其直流母線的電壓跌落，當主驅動電機減速時，驅動電機的驅動器的直流母線電壓會由于電機減速處于發電狀態，需要釋放制動時的機械能量轉換為電能，電能的增加而造成其直流母線的電壓升高，由于電容有保持其電容端電壓不變的趨勢，當把電容模組接入驅動器的直流母線上后，電容模組會自動釋放能量或存儲能量來抵抗電壓的變化完成能量的交換。這種儲能方式在一個沖壓周期中無需控制器進行額外的控制，其動態響應高，但能量密度較小。

圖3 飛輪儲能電機速度環

圖4 飛輪儲能電機電流環控制

電容儲能在系統第一次上電時，由于電容的端電壓不能突變，此時電容內阻非常小，必須設計預充電回路限制充電電流來保護系統。

利用電容上的直流電壓值的變化進行能量的存儲與釋放，具有控制簡單方便的優點，其動態響應和機械儲能方式相比具有非常大的優勢，但是由于電容模組成本高，且其能量密度低，通常只實用于小型伺服壓力機上，或者和機械儲能一起做混合能量管理系統。

在下圖(圖 )中，電網側變壓器通過整流單元把三相交流電轉換為直流電，能量是單方向的，即只是從電網側輸送能量到伺服壓力機內部，而伺服壓力機的主電機和伺服逆變器與電容模組通過直流母線自動交換能量，消除或減小內部的功率尖峰。

圖5 電容儲能原理圖

5 實際案例

5.1 2000T伺服壓力機能量管理系統設計

以一臺2000T(公稱力發生點10 mm)伺服壓力機為例，其機械參數為：

滑塊行程：650 mm

連桿長度：2650 mm

滑塊質量(含上模)：100T

減速比：26

轉動慣量(折算到偏心輪)：60000 kgm2機械效率：約92%

在沖壓一個工件變形能為550 kj，深拉伸速度<=0.14 m/s，與其配套的最大化的送料時間為1 s，送料區域為250-100度，工作節拍為30 spm的工件時，

此工況下，偏心輪運行曲線如圖所示；

圖6 2000T伺服壓力機偏心輪角度-速度曲線

按照此運行曲線，通過仿真可以看出在一個沖壓周期里機械功率曲線如下圖所示：

在一個沖壓周期里，所需平均功率299 kW；均方根功率1630 kW，正最大功率3000 kW，負最大功率-3000 kW。

如果伺服壓力機主傳動系統沒有能量管理系統，所有的功率尖峰都需要直接與電網側交互，電網側需要配置峰值容量大于3000 kva的變壓器，而該臺伺服壓力機的平均功率只需要299 kW，這樣的配置會造成電網側的一次性投資和后續的使用費用增加，從經濟效益上來講是不合適的。

■ Power fluctuation(ΔP) 6.000 kW

圖7 2000T伺服壓力機時間-功率曲線

Fig.7 Time-power curve of 2000T servo press

在2000T伺服壓力機能量管理系統設計中，采用3臺額定功率為500 kW的飛輪儲能電機，電機可以過載到1000 kW滿足瞬間3000 kW功率尖峰的需求。同時系統里還有264 mf的電容組提高動態響應補償儲能電機速度突變時的死區時間。

5.2 2500T伺服壓力機能量管理系統的設計與測試

傳統的2500T噸用于汽車生產線的第一序機械壓力機的主驅動電機功率為500 kW，需要配備630kva的變壓器，同樣的2500T機械伺服壓力機的主傳動則需要3臺額定功率為817 kW伺服電機，總功率達到2400 kW，其過載功率尖峰可以達到4000 kW，如果沒有伺服壓力機能量管理系統，則至少需要配備容量為2500kva的變壓器以及相配套的輸配電保護器件。但是伺服壓力機工作時的平均功率只要500～600 kW左右，配備2500KVA的變壓器只是為了滿足在一個沖壓周期里非常短時間內的功率尖峰，會造成很大的浪費。通過伺服壓力機的能量管理系統利用能量存儲單元控制能量儲存和釋放來消減沖壓過程的所需的功率尖峰，能降低對供電側的要求，保持電網的穩定運行。降低變壓器以及配套的配電保護器件來供電側的采購成本和使用費用。其能量管理系統采用西門子1ph8異步伺服儲能電機3*550 kW來平滑沖壓過程中的功率尖峰，同時在直流母線上增加2*132 mf電容模組，利用電容模組提高系統的動態響應，整流單元功率為630 kW。

能量管理系統測試

測試條件：壓力機空載，運行特殊的沖壓曲線，監測伺服壓力機主電機和儲能電機的速度曲線以及整流單元ALM的功率輸入。

測試曲線如圖所示(圖8)。

圖8 2500T 伺服壓力機能量管理系統測試曲線

從曲線上可以看出藍色曲線為飛輪儲能電機的速度曲線，紅色曲線為伺服壓力機主電機的速度曲線，其大小相等，方向相反。綠色曲線為電網側變壓器輸入的功率，在空載的情況下，其主要是提供運動過程中的各種損耗，而不參與運動部件加減速過程中的能量交互。

伺服壓力機主傳動系統的能量管理可以合理的分配電網側與儲能機構的能量比例，從而找到一個平衡點使得伺服壓力機主傳動系統方案具有高的性價比。

6 結論

對于不同噸位的伺服壓力機，根據實際工況采用不同的儲能方式滿足系統的要求。

對兩種儲能方式的比較可以發現，飛輪儲能的能量密度大，對于噸位較大的伺服壓力機更適合，但其控制復雜，動態響應慢，電機由于效率問題其損耗較大。而電容儲能方式恰恰相反，其能量密度較低，但動態響應快，在沖壓周期無需額外的控制。對小噸位的伺服壓力機是首先的方案。

對于大噸位的伺服壓力機，通常采用混合方式使能量管理系統達到更好的效果。利用飛輪儲能與電容儲能各自優點，以飛輪儲能為能量交換和存儲的主要部分，同時增加小部分電容儲能來提高動態響應，降低母線電壓的瞬間波動。

能量管理系統作為伺服壓力機電氣控制的一部分，可以根據生產過程中的工況進行選擇，其主要的目的是降低伺服壓力機對供電電網側功率尖峰的影響，由于在一個沖壓周期中伺服壓力機即需要電網側提供功率尖峰，又向電網反饋功率尖峰，故可以在壓力機內部設置儲能部分。利用儲能部分平滑一個沖壓周期的功率尖峰，降低壓力機的使用成本。通過對兩種不同方式的儲能分析，根據壓力機的特點和使用場景靈活選擇配置，降低對電網側的影響。