交流伺服压力机及其关键技术（下）

5 交流伺服压力机若干关键技术

　　5.1 大功率交流伺服电机及箕控制技术

　　交流镯服驱动授术的发展基础在于近些年来犬功率交流伺服电机、电力电子器件以及交流伺服控制技术3方面的突破。

　　5.1.1 大功率交流镯服电动枕的开发

　　长期以来，交流伺服电机仅作为控制系统中的执行电机，功率一般只有数百瓦。大功率交流伺服电机的岛现还是近十多年酶事。

　　作为伺服系统中的电动机，它至少要满足3个条件：(1)转动惯量小，具有良好的动态性能；(2)具有良好的控制性能，可以实现电磁制动；(3)转矩大，转矩脉动小。交流伺服传动大致分为异步和同步两种，两者特点对比五表1。

　　永磁同步电机具有体积小、功率密度大、动态性能好、效率高、调速范围宽等一系列优点，得到了迅速发展和广泛的应用。已经成为伺服系统的主流之选。目前，调速同步电机容量达到10 MW，商品化的永磁同步伺服电机单机容量已经超过500 kW，力矩伺服电机输出扭矩超过10000 NM。

　　5.1.2 交流电动机控制驱动技术的发展

　　1971年德国学者Blaschke提出了交流电机的矢量控制理论，通过坐标变换，将交流电动机定子的电流分解为转矩分量和励磁分量，从而可以分别控制转矩和磁通，获得与直流电动机相仿的高动态性能。这一理论对交流伺服传动的发展具有划时代的意义。1985年德国Depeubrock M进一步提出了直接转矩控制理论，直接控制定子磁链和电磁转矩，简化了控制系统，提高了系统快速响应能力，拓宽了矢量控制理论，促进了电机现代控制技术的进一步发展。

　　5.1.3 电子电力器件等硬件技术的发展

　　交流伺服电机驱动控制单元的价格远高于电机本身。大规模集成电路、大功率整流模块以及其它电子电力元器件的发展，性能不断提高，价格不断下降，促进了大功率交流伺服驱动技术的实现和推广，为在锻压装备领域采用交流伺服驱动提供了可能。以90 kw容量变频器为例，目前价格已经降到1990年的1／4左右，如表2所示。

　　5.2 无飞轮压力机传动系统设计

　　5.2.1 传动比的选择

　　传动比小，可以减少中间环节，提高效率，减少噪音，但要求电机扭矩大，电机制造难度大，价格高。极限情况，电动机和曲柄直接相连，传动比为1。

　　适当提高传动比，可以减少所要求的电动机扭矩，有利于降低设备造价。

　　5.2.2电动机容量选择

　　由于成形加工大多是周期间断负荷，传统的传动系统设计的核心是飞轮；设计的主要依据是能量，校核力。设计的大致步骤是：(1)计算工作周期内总的能量消耗(含工作能耗、摩擦能耗、弹性变形能、离合器能耗、空程和飞轮空转能耗等)；(2)设计飞轮，使其在每个周期内在额定速度降落(一般不超过20％)时所释放的能量等于周期的总能耗；(3)根据总能耗选择电机，并校核有关参数[引。伺服压力机没有专门的飞轮，其传动系统设计的特殊性在于：(1)电机转子以及运动部件折合到电机轴的总等效转动惯量较普通压力机小很多，压制力主要靠电机的瞬时扭矩产生；(2)由于电动机速度经常处于较大的变化状态，需要考虑运动部件的惯性负载。伺服压力机的设计主要依据是力，校核能量。具体的设计步骤为：(1)计算压力机工作行程时的最大总负荷(包括工作负荷、摩擦负荷等)；(2)根据最大工作负荷、传动比选择电机的最大负荷；(3)综合考虑电机过载倍数、传动比等因素设计或选择电机。

　　完全不考虑运动系统惯性，所设计的传动系统所需电动机的容量将会很大，从而增加了设备造价。设计时充分考虑运动系统的惯性，允许曲轴在工作过程中转速适当降低，释放部分能量，有利于减少电机容量，从而降低造价。根据实例计算，按照这一思路设计，电机容量可以减少30％以上。

　　5.3 调速能量的回收

　　伺服压力机电机减速采用电磁制动，运动部件减速的动能转变为电能。如果这部分电能不能回收，就只能通过电阻消耗，不但降低了效率，而且要增设电阻箱和冷却系统。能量回收可以采用以下3种方法。

　　5.3.1 反馈电网

　　这种方法虽然可以节省电能，但是需要增加一套逆变系统，从而增加了成本。

　　5.3.2 电容储存

　　在驱动电路中增设一组大容量电容，储存制动时产生的电能；在压制时，再将电能释放出来，供电机使用。这种方法不但省电，更大的好处是减少了工作行程时短时大电流对电网的冲击。根据自行研制的25 t伺服压力机样机的试验结果表明，由于电容的作用，电网的冲击电流下降了80％以上。这种方法的缺点是大容量电容价格不菲，体积也很庞大。

　　5.3.3 多机直流互联

　　若车间有多台伺服压力机同时工作，可以考虑在驱动电路的直流层面联网，同样可以达到节能和降低峰值电流冲击的作用，还可省去逆变装置和电容器，但在实际应用中将会受条件的限制。