CN102227306A - 生产系统中用于限制峰值功率的方法 - Google Patents
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Abstract
描述了一种生产系统，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机(20)提供功率。所述生产系统还包括第二电动机(22)，所述第二电动机是伺服电动机。向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率被设置成由控制单元依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制。这样，至少所述第一电动机和所述第二电动机的峰值功率可以被限制。还描述了一种用于操作所述生产系统的方法以及计算机程序。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于操作生产系统的方法，该生产系统用于形成部件或半成品并且包括至少一个机械压力机，该机械压力机设置有驱动高惯性装置如飞轮的电动机。具体来说，本发明涉及在这种生产系统中限制峰值功率损耗的方法。还描述了包括机械压力机、混合压力机和/或伺服压力机中的任何压力机的生产系统的有利配置。
背景技术
机械压力机常用于形成工业产品，比如由钢坯或工件冲压或施压而成的汽车部件。当今的大型机械压力机在传统上且通常是由飞轮驱动的。飞轮的功能是存储执行施压、冲压、冲孔等操作所需的能量。电动机驱动飞轮，使得在施压操作开始之前，飞轮以将发生施压的速度旋转。因此，飞轮电动机具有以基本恒定的速度驱动高惯性载荷的功能。
在这样的压力机中，在上下冲模之间对部件施压。上冲模连接到压力机滑块，压力机滑块在滑动导轨中上下移动，而下冲模被固定或安装在床身上。滑块运动由位于压力机上部、称作冠(crown)的压力机构来驱动。该压力机构由减速齿轮和将齿轮的旋转运动转换成滑块的线性运动的机构构成。该转换可以是相对简单的偏心机构，也可以是较复杂的连杆驱动机构。如今齿轮由通过离合器连接到所谓主轴(或高速轴)的飞轮来驱动。制动器也连接到该同一轴。
在常规的机械压力机中，在每个施压阶段完成之后，压力机继续旋转，直到其偏心轮已旋转完整一圈为止。在施压后的该第二阶段期间，驱动飞轮的电动机将缓慢增大旋转速度并再次获得正常的施压速度。在操作的末尾，离合器分离，并且制动器被用来停止压力机的运动。在传统的机械方案中，在完整操作期间，压力机速度是固定的并且与飞轮速度成比例。因此，如果必须以低速度完成施压(由于质量或其它技术原因)，该完整操作将以低的速度发生。这导致长的周期时间，并因此导致低的生产率。为了解决压力机生产周期的非施压阶段中的低速度问题，已开发出具有变速驱动电动机的压力机(称作伺服压力机)或者混合伺服压力机。例如，转让给Komatsu的标题为“Drive unit and drive method for press”的US2004/003729描述了一种具有用主电动机驱动飞轮的第一驱动系统和用副电动机以可变速度驱动驱动轴的第二驱动系统的压力机驱动单元。
为了提供伺服压力机，一个选项是设计全新的压力机械，并将伺服电动机和相关联的传动装置集成到该新的设计中。该选项(新的压力机设计)是可给出最适合于伺服操作的设计的选项，因为该设计可被优化。例如，其可针对压力机在施压阶段期间的最优可控性或者针对最高的可能生产能力加以设计。然而，该选项对于压力机制造商和他们的客户来说都有高的风险：该设计将是新的并因此是未经证明的，且通常制造商和客户迄今仍没有或几乎没有这种设计应如何执行的清晰规范。结果，不同的制造商将很可能提供非常不同的伺服压力机设计，其中一些设计比现有的机械压力机慢，一些设计具有极高的功率需求，并且一般具有在长的服务寿命内可能无法预知的非常不同的性能。诸如在专利申请US 60/765183中公开的压力机的伺服压力机(有时被描述为具有直接驱动链条配置)不具有大的飞轮和离合器。伺服电动机直接驱动压力机。在操作开始时，电动机将压力机加速到比施压速度高的高速度。因此，包括伺服压力机的生产系统中的伺服电动机具有如下功能：驱动以持续时间为若干秒的典型周期时间相对迅速地变化的周期载荷。然后，在冲击之前，电动机将压力机减慢到施压速度。由此，施压以与机械方案大致相同的速度发生。一旦施压完成，电动机就将压力机再次加速到高速度。当压力机已充分打开以使卸载机器人进入压力机时，电动机开始将压力机减慢。伺服压力机可由此以低的施压速度达到大大改进的周期时间，因为伺服压力机能够在周期的剩余部分期间以高速度运转。
然而，伺服压力机需要大的电动机和功率转换器(大约是全机械压力机的五倍大)。因此，对于现有装备，将伺服电动机比如在伺服压力机中安装到生产系统可能需要安装较大的功率源，以在一个或多个其它电动机运转的同时满足组合电功率。在新的装备中，可从一开始就如此设定较大的功率源，然而，在这两种情形中，都预期将增加费用。
发明内容
根据本发明的一方面，描述了一种生产系统，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率被设置成由控制单元依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种生产系统，所述生产系统包括机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率是依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制的，并且所述生产系统是压力机生产线，并且所述第二电动机即伺服电动机被设置成驱动压力机。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种生产系统，所述生产系统包括机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率是依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制的，并且所述第二电动机即伺服电动机被设置成结合压力机的操作驱动一装置而不驱动所述压力机。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种生产系统，所述生产系统包括机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率是依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制的，并且所述第二电动机即伺服电动机的功率的所述函数是针对功率源或逆变器以及相关联的连至所述第一电动机和/或所述第二电动机的功率线中的功率损耗而调整的函数；该功率损耗可以是由逆变器、整流器、电动机、线缆构成的组中的任一个导致的。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种生产系统，所述生产系统包括机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率是依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制的，并且所述生产系统是混合/机械压力机生产线，并且所述第二电动机即伺服电动机被设置成驱动混合机械压力机，在所述混合机械压力机中，所述第一电动机被设置成向所述飞轮提供功率，所述第二电动机被设置成驱动所述混合压力机，并且其中在所述生产系统的压力机中存在其它第一电动机。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种生产系统，所述生产系统包括机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率是依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制的，并且所述生产系统是混合/机械压力机生产线，并且至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率是使用由电流、电压、扭矩、速度构成的组中的任一个量或几个量测得、估计出或计算出的；所述量是测得的量、估计出的量或设定点。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种生产系统，所述生产系统包括机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率是依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制的，并且所述生产系统包括至少一个控制单元，所述控制单元包括存储器存储装置，所述控制单元用于将所述第一电动机(20)和所述伺服电动机(22)的正的和负的总峰值功率限制为等于或低于伺服电动机独自的峰值功率的值。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种生产系统，所述生产系统包括机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率是依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制的，并且被设置成由多于一个的逆变器连接到单个整流器或单个二极管整流器来供应功率。
根据本发明的另一方面，描述了一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其中所述方法包括依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率。
根据本发明的一个实施例，描述了一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，所述方法包括依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率，并且使用所述第二电动机即伺服电动机的功率的所述函数来控制所述第一电动机，所述函数是针对功率源或逆变器以及相关联的连至所述第一电动机和/或所述第二电动机的功率线中的功率损耗而调整的函数。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，所述方法包括依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率，并且使用所述第二电动机即伺服电动机所消耗的功率的所述函数来控制所述第一电动机，所述函数是针对功率损耗而调整的函数，所述功率损耗是由逆变器、整流器、电动机、线缆构成的组中的任一个导致的功率损耗。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，所述方法包括依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率，并且控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机是针对功率源或逆变器以及相关联的连至所述第一电动机和/或所述第二电动机的功率线中的功率损耗而调整的。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，所述方法包括依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率，并且控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机是针对功率源或逆变器以及相关联的连至所述第一电动机和/或所述第二电动机的功率线中的功率损耗而调整的。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，所述方法包括依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率，并且依据所述第二电动机即伺服电动机的功率设定点、或者依据所述伺服电动机的设定点扭矩来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，所述方法包括依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率，并且控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机，使得负的峰值功率能被限制为零。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，所述方法包括依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率，并且控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机并将负的峰值功率限制为零，使得所述生产系统被控制和操作为使用所述伺服电动机的再生制动而不向电网回供应功率。
根据本发明的另一个实施例，描述了一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机提供功率，所述系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，所述方法包括依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率，并且控制所述第一电动机即所述飞轮的电动机，以将所述第一电动机和所述第二电动机的正的和负的总峰值功率限制为等于或低于所述第二电动机即伺服电动机的峰值功率的值。
在本发明的第一方面，生产系统中的驱动装置的两个或更多个电动机的总峰值功率消耗借助于如下方法来限制：该方法控制所述生产系统，使得向飞轮或者具有相对高惯性的其它装置提供功率的第一电动机所消耗或再生的功率被设置成依据同一生产系统中的驱动压力机或其它装置的第二电动机所消耗的功率的函数来控制，其中第二电动机是伺服电动机。
第二即伺服电动机可以是同一生产系统中的任何伺服电动机。它可以是伺服压力机或混合伺服压力机的驱动电动机。作为压力机驱动电动机的伺服电动机可以一直驱动压力机，如在伺服压力机的情形中那样。伺服电动机可以在部分时间驱动压力机，如在混合伺服压力机的情形中那样。
生产系统的第二电动机即伺服电动机也可以是或者代之以可以是结合压力机使用的关联设备的驱动电动机，其不驱动主压力机滑块、诸如压力机垫(伺服垫)的设备、或者用于加载/卸载压力机的转移设备、或者被设置成将材料转移到压力机中/转移出压力机的机器人或doppin。
本发明可以应用于包括单个压力机如混合伺服压力机的压力机生产线形式的生产系统。可替选地，压力机生产线可包括具有第二伺服电动机的一个机械压力机，第二伺服电动机被设置成驱动诸如转移设备、压力机垫、机器人的设备。本发明还可以应用于伺服/机械压力机生产线，其中第二电动机即伺服电动机处于第一伺服压力机中，而第一电动机即高惯性或飞轮电动机处于机械压力机中。这样，通过依据第二即伺服压力机中的第二即伺服电动机所消耗的功率控制向机械压力机中的第一即飞轮电动机提供的峰值功率，可以限制相组合的两个压力机的峰值功率。
本发明可应用于生产系统，该生产系统包括：
-混合压力机：第一电动机和第二电动机处于同一压力机中；
-伺服/机械压力机生产线：第二电动机处于伺服压力机中，第一电动机处于机械压力机中；
-伺服/机械压力机生产线：第二电动机处于伺服压力机中，在机械压力机中存在多个“第一”电动机；
-混合/机械压力机生产线：第二电动机处于混合压力机中，在混合压力机和机械压力机中存在多个“第一”电动机；
-混合压力机生产线：在每个压力机中存在第一电动机和第二电动机，控制是分别对每个压力机施加的。
该功率限制方法可以用来限制多个不同配置的峰值功率，在所述多个不同配置中，存在驱动周期性载荷的第二电动机即伺服电动机以及驱动飞轮或其它高惯性载荷的任何第一电动机，可依据第二电动机所消耗的功率来控制第一电动机，使得总峰值功率被限制。对于具有混合压力机的压力机生产线，这意味着：
a)整个压力机生产线中的任何飞轮电动机可根据压力机生产线中的任何伺服的功率来提供用于限制的功率，
b)任何数目的飞轮电动机可以被一起控制为根据压力机生产线中的任何伺服电动机(包括被当作组合的多个伺服电动机)的功率来提供用于限制的功率，
c)类似地，被放在一起的任何数目的第一电动机即飞轮电动机可以被控制为根据压力机生产线或生产系统中的几个或全部其它电动机的组合而不仅是伺服电动机的功率来提供用于限制的功率。
在任何类型的压力机生产线或生产系统中，可使用任一个或几个飞轮电动机来限制在该生产线中组合的任何数目的电动机的总功率。存在许多种将电动机分组的方式，例如按压力机、按生产线、按部分生产线，包括转移设备、压力机垫、第二滑块等中的电动机。另外，可以将驱动高惯性装置的任何第一电动机与一个或多个伺服电动机构成功率限制组合来使用。除飞轮以外的其它高惯性、基本恒定速度的装置的例子是泵和风扇。
生产系统优选地被设置有公共功率源，其连至向所述飞轮提供功率的至少所述第一电动机并且连至所述伺服电动机。该公共功率源可以被理解为意思是任何供应装置，如线缆、母线、变压器、断路器/断开器、整流器。第一和第二电动机的功率源可以是交流的(AC)或直流的(DC)。电动机可以是AC电动机或DC电动机、任何类型的电动机、旋转型。任选地，伺服可以是线性电动机。对飞轮电动机的功率的控制可以在细节上加以扩展，以将相关联的飞轮电动机功率转换器作为另一个电动机及其相关联的功率转换器(且甚至包括线缆)所消耗的功率的函数而包括进来。
这是因为发明人已证实：功率源、转换器以及甚至线缆中的损耗依赖于装备而可能是显著的。
可以依据第二电动机即伺服电动机所消耗的功率来控制驱动高惯性载荷如飞轮的一个或多个第一电动机。该功率可以是：
a)伺服所消耗的实际功率(例如，在转换器(AC或DC)的输入侧测得的，或者在转换器的输出侧测得的)，或者甚至是伺服电动机的机械输出功率；
b)估计出的伺服电动机所消耗的实际功率(例如，由控制器通过例如将扭矩估计与速度(测得的或估计出的)相乘、可能加上电动机中的损耗和/或转换器中的损耗的估计而估计出的)，
c)估计出的伺服的“功率”设定点(由控制器通过将例如扭矩设定点与速度(测得的或估计出的)相乘、可能加上如上所述损耗的估计而估计出的)。
已使用估计出的功率设定点进行了对原型的测试。由于实际功率与设定点相比有一定延迟，这意味着飞轮电动机的功率可随时间变化。然而，如果使用实际功率(即，不是设定点而是实际值)，则对飞轮电动机的控制必须是瞬时的，以避免总功率中的尖峰。因此，第二电动机即伺服电动机的功率设定点或者功率设定点的函数的使用提供了如下进一步优点：提供对一个或多个第一电动机即飞轮电动机的控制模式，该控制模式限制该系统的多个部分的总峰值功率并且在实践中对使生产系统运转的控制系统的要求更少。
为了实现以上目的中的一些目的，如通过引用整体合并在本说明书中的转让给ABB的标题为“Motor upgrade kit for a mechanical press”的国际专利申请IB2007/001525中所述，伺服电动机和相关联的传动装置(齿轮)被优选地一起构建为一个单元，以将具有飞轮驱动的现有机械压力机修改成混合伺服压力机。所描述的单元被设计为安装在压力机冠的顶上，并且连接到现有的压力机齿轮而不需要对现有的压力机构作任何修改。在说明书中，术语伺服电动机被用来意指任何类型的可控的、可变输出的电动机。
在此描述的压力机电动机升级套件是以一个部分安装在压力机上的单元。它以足够的安装精度和刚度固定到压力机冠的顶部或其它结构部分。一个或多个(伺服)电动机安装在该单元的基板或结构上。该电动机通过耦合连接到机械压力机的齿轮，该齿轮通常将电动机的速度减小到压力机冠中的现有齿轮的较低速度。该连接于是将允许升级电动机在正方向和负方向上以可变速度(并且在不冲压时达到比为机械压力机驱动原始设计的最大冲压速度高的速度(例如高50％))移动压力机齿轮。另一个优点是使得有可能提高生产周期的灵活性。例如，在此描述的混合伺服技术允许在维持周期时间的同时以较低速度施压，或者可替选地，以相同速度但以较短周期时间施压，或者这两者的混合。
将峰值功率减小两倍的能力对于新装备和翻新改型来说都是非常有利的。对于新装备来说，诸如整流器、线缆和保护设备的部件的费用将显著降低。对于翻新改型来说，功率限制允许提高现有装备或生产系统的性能而没有必须升级工厂电功率源的技术挑战和财务费用。在新装备和翻新改型这两种情形中，当电力公司对峰值功率记账时，通过峰值功率限制来提供减少的电功率费用，此情形与电动机以其额定功率的峰值运转的情形相比，正常的预期电功率费用减少。
在本发明的另一个方面，公开了用于执行本发明的方法的计算机程序、记录在计算机可读介质上的该计算机程序以及存储在例如控制单元、控制器或驱动控制器的存储器存储装置中的该计算机程序。
附图说明
现在仅以举例的方式并具体参考附图描述本发明的实施例，其中：
图1是根据本发明的一个实施例的功率限制的模拟的图，其中示出了：伺服功率、飞轮功率、总功率、飞轮速度变化百分比。
图2是功率限制的测量结果的图，其中示出了：伺服电动机功率、飞轮电动机功率、计算出的总功率、测得的整流器输入功率。
图3是根据本发明的一个实施例的功率源系统布局的示意性框图。
图4是根据本发明的一个实施例的图3的功率源系统布局的示意性框图，其示出了限制期间的功率流的例子。
图5是根据本发明的一个实施例的用于机械压力机的电动机升级套件的示意性框图。
图6a是示出了根据本发明的一个实施例的用于机械压力机的电动机升级套件的透视图的示意图，图6b是根据本发明的一个实施例的包括作为正面图的机械压力机冠部的视图以及电动机升级套件的相对位置的示意图。
图7是根据本发明的一个实施例的方法的流程图。
具体实施方式
图1是示出了通过依据伺服电动机的功率控制飞轮电动机而实现的峰值功率限制的模拟的测量值随时间(秒)变化的图。这些曲线示出了伺服电动机功率、飞轮电动机功率、飞轮速度变化百分比、以及总功率即两个电动机的组合总功率消耗的值。
在该模拟中，假定扭矩控制是理想的且瞬时的。图1中示出了一个模拟例子。这里，总功率限制已被设定为100kW。一旦伺服功率增大到该值以上，飞轮电动机功率就变成负的，从而将总功率保持在100kW。当伺服功率的符号改变时，飞轮速度控制器首先使飞轮速度回到其期望值附近。然后，继续功率限制以确保负的总功率被限制为-100kW。在该模拟中，飞轮速度仅下降1％。
图2是示出了测试装备的测量值随时间变化的图。这些曲线示出了伺服电动机功率、飞轮电动机功率、测得的整流器输入功率以及计算出的总功率的值。图2示出了在测试装备中实施的功率限制的实验结果。在该测试中，功率限制被设定为60kW，而伺服驱动的峰值功率达到100kW。该曲线表明该限制的效果良好，并且该限制与该模拟相似。然而，整流器输入功率大于所期望的60kW，因为在该测试中实施的功率限制算法没有考虑到电动机、逆变器和整流器损耗。因此，整流器功率与期望极限相比总是正的。这可以通过向功率限制算法添加损耗估计来补偿。
图3是根据一个实施例的生产系统中的功率源系统布局的图形。该图示出了飞轮驱动电动机20和伺服电动机22，分别设置有逆变器21a、21c。这两个逆变器连接到一个转换器/逆变器21b，转换器/逆变器21b连接到电网。
系统规格设定。在测试装备中研究的生产系统使用图3中所示的基本配置。飞轮驱动配备有160kW的感应电动机20，伺服驱动配备有189kW的永磁同步电动机22。这两个驱动在此情形中被无过载地操作，即，每个驱动所消耗或再生的峰值功率等于它们的标称功率。针对该功率设定两个逆变器21a、21c的规格。在没有任何功率限制的情况下，必须针对160+189＝349kW的功率(如果考虑全部三个转换器中的损耗，则要更高一些)设定整流器和功率连接的规格。
对于新装备和翻新改型二者来说，将峰值功率减小两倍的能力是非常有利的。对于新装备来说，整流器、线缆和保护设备的费用将显著降低。对于翻新改型来说，功率限制允许提高现有装备或生产系统的性能而不必升级工厂电装备。在这两种情形中，如果电力公司对峰值功率记账，则限制是更有利的，此情形与电动机以其额定功率的峰值运转的情形相比，正常的预期电功率费用减少。在示例情形中，总峰值功率从160(飞轮电动机)+189(伺服电动机)＝349kW降低到仅160kW。
在本说明书中描述的功率限制的目标是：通过将飞轮驱动所消耗或再生的功率作为伺服驱动所消耗的功率的函数来控制，来尽可能多地限制总峰值功率。上面描述的示例工作点在图2中以图形方式示出。总峰值功率的绝对最低极限等于飞轮驱动的功率，因为例如在飞轮启动时或者当通过机械压力机的操作恢复从飞轮取得的动能时，更多地限制功率将影响该驱动的性能。
实际挑战是足够快地控制(限制)飞轮驱动功率，使得它能跟随伺服驱动的动态特性。对飞轮驱动的快速扭矩控制是先决条件，但不是充分条件。由于在伺服控制器中伺服驱动的功率是已知的并且飞轮驱动通常由不同的控制器控制，所以通常将发生通信延迟。此外，飞轮驱动的动态响应将具有某种不可避免的延迟，每当伺服功率中的迅速瞬态发生时，该延迟会造成总功率中的尖峰。发明人已发现：通过不使用实际伺服功率作为扭矩限制计算的输入，而是使用比如由伺服扭矩设定点和伺服速度表示的功率设定点，可以几乎完全消除该影响。如果飞轮驱动对其设定点的响应与伺服驱动对其设定点的响应类似，并且通信延迟足够低，则可避免总功率尖峰。因此，如先前参考图1、3所述的那样，可以使用伺服电动机22的功率设定点的值来代替测得的或实际的伺服功率，以避免由通信延迟造成的困难。
图5示出了具有如下两个驱动的机械压力机的拓扑：机械驱动2，包括离合器30和飞轮35，关联有电动机20；以及伺服电动机22，关联有传动装置5。该图还示出了压力机压头23，压力机压头23由主轴34通过压力机传动齿轮27和偏心轮29以往复运动V驱动，从而打开和关闭压力机。
两个驱动即现有电动机20和升级电动机22一起工作，这是混合伺服压力机的拓扑。只有机械驱动就绪或工作，这是传统的机械压力机。只有电动机升级套件1工作，(并且可能紧急制动器工作)，这是“全”伺服压力机。
图6a示出了具有单个电动机的升级套件1的原理图，图6b示出了该套件如何与压力机的齿轮互作用的示意图。图6a示出了安装在结构基板4上的升级电动机22，用于从电动机22传送功率的一组齿轮9也附着到结构基板4。图6b示出了机械压力机的冠或顶T的图。该图示出了在基板4上设置有升级电动机22和一组齿轮9的套件1。这里示出了该套件被设置在压力机的冠的顶上，使得套件1的该组齿轮9中的齿轮5(图5)被设置成与机械压力机的现有传动系的齿轮7(图5)协作，从而升级电动机22可通过压力机的现有传动系来驱动压力机。
已升级的压力机可以设置有一个或多个控制单元来控制该新电动机。还可以设置控制单元来控制两个电动机。将伺服电动机添加到现有机械压力机的益处是：伺服电动机的速度在压力机周期内以自适应的方式变化，并且伺服电动机还可以被控制为将混合伺服压力机的移动与压力机生产线中的或者包括压力机生产线的生产系统中的至少一个其它装置的移动或位置同步。控制单元或控制系统还可以被设置成控制飞轮的现有的或新的电动机及其现有的或新的逆变器，以使用飞轮作为能量缓冲器来将这两个电动机(20、22)的总峰值功率(正的和负的)限制为等于或低于伺服电动机的峰值功率的值，如上面关于图1至图4所述的那样。
电动机速度控制装置可以包括频率转换器、如所示出的逆变器/整流器或者其它电动机速度控制装置。还可以与压力机生产线或生产系统中的其它压力机或机器共享电动机速度控制装置。该驱动可以是多驱动，即，两个或更多个逆变器共享单个整流器的系统。这对于因上述功率限制而使整流器的峰值功率低于或等于伺服电动机的逆变器的峰值功率的情形是有利的。还应当指出，在飞轮不用于施压的升级压力机设置中(即，当运转的不是混合伺服而是直接/全伺服时)，飞轮仍可以用于上述功率限制。
整流器可以设置成双向的，使得可向电网反馈能量。由于在该情形中整流器是有源整流器，所以它可向工厂电网供应无功功率。因此，它可以用来补偿其它压力机中所使用的整流器所消耗的无功功率的一部分。可能的配置包括：
-保持现有的飞轮电动机、逆变器、整流器
-更换现有的飞轮电动机、逆变器、整流器，与伺服驱动共享整流器(这允许最大峰值功率限制)
-保持现有的电动机，但是更换逆变器和整流器(如果电动机是AC电动机，则与前面几乎相同)
伺服电动机可以被控制为针对不同类型的压力机周期按照不同的策略运转。例如，在施压之前和之后高于施压速度，以便减少周期时间和/或保持周期时间但减小施压速度。
图7示出了根据本发明的一个实施例的方法的流程图。该流程图示出了步骤40，在步骤40中，针对第一电动机即飞轮电动机的速度控制器计算两个极限，这两个极限例如是如下形式的上、下限：
P飞轮，最大＝P最大-P伺服
P飞轮，最小＝P最小-P伺服
在另一个步骤41中，飞轮电动机速度控制器比较飞轮速度与飞轮速度设定点
P速度控制器＝f(ω飞轮，ω* 飞轮)
在步骤42中，在速度控制器的输出与上限之间进行比较，
P速度控制器＞P飞轮，最大
如果速度控制器功率更大，则在步骤43将飞轮电动机的功率设定点设定为上限：
P飞轮 *＝P飞轮，最大
否则，在步骤44，如果速度控制器功率不大于飞轮功率的上限，则在速度控制器的功率与下限之间进行比较，如果
P速度控制器＜P飞轮，最小
则在步骤45将飞轮设定点与飞轮电动机的下限进行比较；
P飞轮 *＝P飞轮，最小
如果相等，则功率限制得以施加：
如果在接下来的步骤44速度控制器的功率不小于飞轮下限，则作出的飞轮功率设定点等于速度控制器功率，在步骤46
P飞轮 *＝P速度控制器
则峰值功率限制得以施加。
注意，最大飞轮功率可以是负的，且最小飞轮功率可以是正的！由于大多数驱动只接受正的最大极限和负的最小极限，所以这带来了第一个实施挑战。此外，对于实际的实施，功率极限必须被转换成扭矩极限。
另外，部分地由于直接伺服或混合伺服压力机的改进的可控性，通过使用被设置成执行根据本发明的一个实施例的方法的单个控制器来控制生产线，可以改进整个处理区的生产线协调。这可以由机器人控制器单元和/或由其它控制单元执行。协调或优化可以部分地通过如下方式实现：即，在打开/关闭压力机期间调整速度(同时例如在周期的施压/冲压部分保持所需的速度和能量输出)，从而导致可以依据例如以下参数减少周期时间：下游处理的状态；或者上游处理的状态或其它考虑如总功率消耗；减小的能量消耗；使压力机生产线中的功率消耗峰平滑。
在另一个实施例中，第一电动机即飞轮电动机的功率限制依赖于所述第二电动机所消耗的功率的函数，该函数是针对第二电动机即伺服电动机的实际的或估计出的净输出功率、功率源或逆变器及相关联的功率线中的功率损耗而调整的。
在另一个实施例中，生产系统可以包括功率限制控制，其中负峰值功率可被限制为零。依赖于两个电动机的规格设定和工作模式，这并非在所有装备中都是有可能的，但是在有可能的情形中，这是特别有利的，因为这意味着可使用二极管整流器来代替双向整流器。
将负的峰值功率限制为零的优点是：如所建议的那样使用功率限制，生产系统可以被控制和操作为使用伺服电动机的再生制动而不向电网回供应功率(通过使用飞轮作为缓冲器)。这简化了对这样的现有装备的适应：在所述现有装备中，不经大范围的改变，向电网回供应功率是不允许的或不可行的。
可以通过包括计算机程序单元或软件代码的计算机应用来执行本说明书中如上所述的功率限制方法，该计算机应用当被加载到处理器或计算机中时，使得计算机或处理器执行方法步骤。可以通过处理数字功能、算法和/或计算机程序并且/或者通过模拟部件或模拟电路或者通过数字功能和模拟功能二者的组合来执行关于图7所述的方法的功能。
如上所述，本发明的方法可以借助于在计算机或处理器上运行的包括计算机程序代码或软件部分的一个或多个计算机程序来执行。微处理器(或处理器)包括用于执行根据本发明的一个或多个方面的方法的步骤的中央处理单元CPU。这是在比如存储在计算机可读存储器中或存储器存储装置中的一个或多个所述计算机程序的帮助下进行的。该程序的一部分可以存储在处理器中并且/或者还存储在ROM、RAM、PROM、FPGA、EPROM或EEPROM芯片或类似的存储器装置中。该处理器或每个处理器或其它存储器存储装置可以在控制单元中或者在电动机控制器中或者在电动机驱动控制器中。用于执行所述方法的程序也可以在本地或中央控制系统中在本地或分布式计算机化控制系统中运行。
该程序也可以部分或整体地存储在其它合适的计算机可读介质比如磁盘、CD-ROM或DVD盘、硬盘、磁光存储器存储装置、易失性存储器、闪速存储器中，作为固件存储在数据服务器上或一个或多个数据服务器阵列上。也可以使用其它已知的合适介质，包括可拆卸存储介质，比如索尼存储棒(TM)和其它可拆卸闪速存储器、硬驱动等。
上述计算机程序还可以被部分地设置为能够差不多同时在几个不同计算机或计算机系统上运行的分布式应用。可提供程序以及数据如开始位置或与标记相关的信息以供取回、递送或者在程序的情形中在因特网上执行。可以借助于OPC、OPC服务器、对象请求代理(Object Request Broker)中的任一种访问数据。
应当指出，尽管上面描述了本发明的示范性实施例，但是在不偏离所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下，可以对所公开的方案进行多种变化和修改。
Claims (31)
1.一种生产系统，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机(20)提供功率，所述生产系统还包括第二电动机(22)，所述第二电动机是伺服电动机，其特征在于，向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率被设置成由控制单元依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率的函数来控制。
2.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述生产系统是压力机生产线，并且所述第二电动机即伺服电动机被设置成驱动压力机。
3.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述生产系统是压力机生产线，并且所述第二电动机即伺服电动机被设置成结合压力机的操作驱动一装置而不驱动所述压力机。
4.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述第二电动机即伺服电动机的功率的所述函数是针对功率源或逆变器以及相关联的连至所述第一电动机和/或所述第二电动机的功率线中的功率损耗而调整的函数。
5.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述第二电动机即伺服电动机所消耗的功率的所述函数是针对功率损耗而调整的函数，所述功率损耗是由逆变器、整流器、电动机、线缆构成的组中的任一个导致的功率损耗。
6.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率被设置成针对功率源或逆变器以及相关联的连至所述第一电动机和/或所述第二电动机的功率线中的功率损耗来控制和调整。
7.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述第二电动机即伺服电动机所消耗的功率的所述函数是未针对由逆变器、整流器、电动机、线缆构成的组中的一些中的功率损耗而调整的函数。
8.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述生产系统是压力机生产线，并且所述第二电动机即伺服电动机被设置成驱动混合机械压力机，在所述混合机械压力机中，所述第一电动机被设置成向所述飞轮提供功率。
9.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述生产系统是混合/机械压力机生产线，并且所述第二电动机即伺服电动机被设置成驱动混合机械压力机，在所述混合机械压力机中，所述第一电动机被设置成向所述飞轮提供功率，所述第二电动机被设置成驱动所述混合压力机，并且其中在所述生产系统的压力机中存在其它第一电动机。
10.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述生产系统是包括至少两个压力机的伺服/机械压力机生产线，并且其中所述第二电动机即伺服电动机被设置成驱动伺服压力机，并且所述第一电动机被设置在机械压力机或混合机械压力机中向所述压力机的所述飞轮提供功率。
11.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述生产系统是包括多于两个的压力机的伺服/机械压力机生产线，并且所述第二电动机即伺服电动机被设置成驱动伺服压力机，并且多个所述第一电动机各自被设置在机械或混合机械压力机中向所述多个机械或混合压力机的所述飞轮提供功率。
12.根据权利要求1至11中的任一项所述的生产系统，其特征在于，所述生产系统被设置成具有连至向所述飞轮提供功率的至少所述第一电动机并且连至所述伺服电动机的公共功率源，其中所述功率是通过由线缆、母线、变压器、断路器/断开器、整流器构成的组中的任一个来供应的。
13.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，所述飞轮电动机被设置成依据所述伺服电动机的功率设定点来控制。
14.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，至少一个所述第二电动机即伺服电动机的功率是使用由电流、电压、扭矩、速度构成的组中的任一个量或几个量测得、估计出或计算出的；所述量是测得的量、估计出的量或设定点。
15.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，包括用于限制所述第一电动机(20)和所述伺服电动机(22)的正的和负的总峰值功率的控制单元。
16.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，包括至少一个控制单元，所述控制单元用于将所述第一电动机(20)和所述伺服电动机(22)的正的和负的总峰值功率限制为等于或低于所述伺服电动机独自的峰值功率的值。
17.根据权利要求1所述的生产系统，其特征在于，被设置成由多于一个的逆变器连接到单个整流器或单个二极管整流器来供应功率。
18.一种用于操作生产系统的方法，所述生产系统包括至少一个机械压力机，所述机械压力机至少部分地由飞轮驱动，所述飞轮由第一电动机(20)提供功率，所述生产系统还包括第二电动机，所述第二电动机是伺服电动机，其特征在于，依据至少一个所述第二电动机即伺服电动机的函数来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机的功率。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，借助于所述第二电动机即伺服电动机向所述生产系统中的压力机生产线中的机械压力机提供功率。
20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，借助于所述第二电动机即伺服电动机向所述生产系统中被设置为混合机械压力机的机械压力机提供功率，并且所述第一电动机向所述飞轮提供功率。
21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述生产系统是还包括至少一个第二机械压力机的压力机生产线。
22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，使用所述第二电动机即伺服电动机的功率的所述函数来控制所述第一电动机，所述函数是针对功率源或逆变器以及相关联的连至所述第一电动机和/或所述第二电动机的功率线中的功率损耗而调整的函数。
23.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，使用所述第二电动机即伺服电动机所消耗的功率的所述函数来控制所述第一电动机，所述函数是针对功率损耗而调整的函数，所述功率损耗是由逆变器、整流器、电动机、线缆构成的组中的任一个导致的。
24.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机，其中向所述飞轮提供功率的所述第一电动机是针对功率源或逆变器以及相关联的连至所述第一电动机和/或所述第二电动机的功率线中的功率损耗而调整的。
25.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，使用所述第二电动机即伺服电动机所消耗的功率的所述函数来控制所述第一电动机，其中所述函数是未针对由逆变器、整流器、电动机、线缆构成的组中的一些中的功率损耗而调整的函数。
26.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，依据所述第二电动机即伺服电动机的功率设定点来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机。
27.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，依据所述伺服电动机的设定点扭矩来控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机。
28.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机，使得负的峰值功率能被限制为零。
29.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，控制向所述飞轮提供功率的所述第一电动机并将负的峰值功率限制为零，使得所述生产系统被控制和操作为使用所述伺服电动机的再生制动而不向电网回供应功率。
30.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，将所述生产系统设置成由连接到单个整流器的一个逆变器或至少两个逆变器供应功率，以及控制单元或控制系统，所述控制单元或控制系统被设置成控制所述第一电动机即所述飞轮的电动机以将所述第一电动机和所述第二电动机的正的和负的总峰值功率限制为等于或低于所述第二电动机即伺服电动机的峰值功率的值。
31.一种用于控制生产系统的计算机程序，所述计算机程序包括计算机代码装置和/或软件代码部分，用于使计算机或处理器执行根据权利要求18所述的方法。
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