CN105856605B - 一种机械压力机的驱动系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械压力机的驱动系统，电气外部供电设备供电单元经过压保护装置后接三相输入电抗器，三相输入电抗器的输出端与有源网侧模块的输入端相连，有源网侧模块将输入的交流电转化为系统所需的直流电，输送给储能装置，储能装置的输出端与电机驱动装置的输入端相连并为其提供能量，电机驱动装置根据上位机提供的脉冲信号实现对直驱电机的精密闭环控制。本发明系统，采用有源网侧模块作为驱动系统的网侧接口，能够限制驱动设备从前端电网补能的功率，避免电机过载带来的网侧尖峰电流，减小驱动设备前端网侧容量。能够可靠地保障母线的最小工作电压幅值，保证电机工作在所需的工作点，进而保证压机设备性能的稳定。

Description

一种机械压力机的驱动系统

技术领域

本发明涉及一种机械压力机的驱动系统。

背景技术

金属板材成形设备广泛应用于汽车、航空航天、电子、通信及家用电器领域板壳零件的生产，品种和数量繁多，其中以机械压力机应用最为普遍。传统的机械压力机具有成本低、可靠性高等优点，但现代制造业对产品的多样化、个性化提出越来越高的要求，不同的产品和工艺对滑块的速度要求有较大的差异。传统机械压力机大多以普通异步电动机作为动力源，以固定传动比机构组成传动系统，以凸轮、连杆等单自由度变传动比机构作为执行机构，执行机构的输入构件一般作为等速转动。因此，滑块速度为刚性输出，不能控制速度曲线，缺乏柔性，难以满足柔性化制造的需求。

近年来，以交流伺服电机驱动成为成形装备发展的一个新方向。在这一背景下，以交流伺服电机取代普通异步电机，通过压力机上位机控制系统给定的位置和速度指令控制伺服电机驱动偏心旋转机构，再通过螺杆、曲柄连杆、肘杆或其它机构将电机的旋转运动转化为滑块直线运动的伺服压力机取得了长足发展。它不但可以保持机械驱动的优点，而且改变了其工作特性不可调的缺点，使机械驱动的成形设备具备了柔性化、智能化的特点，工作性能和工艺适应性大大提高。

伺服压力机滑块在运行过程中经常要改变速度，加速时需要储能装置瞬间输出足够大的能量，减速时采用电磁制动，将动能转化为电能并由储能装置对电能进行回收。尤其在压力机冲压时，电机按照最大过载功率运行，主要由储能装置为后级提供瞬时过载能量。目前主要应用于大功率伺服或变频器储能的装置包括电容储能、电池储能和飞轮储能。电池储能具有储能密度高，体积小等优点，但由于其充放电速度慢、充电次数有限，很少作为中间环节应用于电机驱动器或变频器储能。电容储能具有充放电速度快，转化效率高，控制简单，但是由于其储能密度低，同样的储能，采用电容，需要更高的成本和空间。飞轮储能虽然整体成本上低于电容储能，但其充放电速度和转化效率都低于电容储能方案，而且需要复杂的控制算法和控制系统。

作为压力机的核心控制系统，交流伺服驱动系统也有着不断地发展，目前应用比较多的交流伺服系统的整流部分多采用二极管进行不控整流，其缺点主要包括四个方面：（1）压力机冲压工件瞬间，电机瞬时以最大过载功率运行，势必会造成驱动设备前端网侧电流冲击，可能引起跳闸、熔断器熔断等等事故，甚至可能对厂区电网造成影响，造成其它设备不能正常运转。要避免上述问题，只能将驱动设备前端网侧容量大幅度扩充，这样不仅带来成本的急剧上升，而且配电容量的审批不一定能够通过。（2）电机过载时，母线电压不断下降，当母线电压下降到一定值以后，电机将不能工作在所需的工作点，压机设备性能大幅度降低。（3）系统功率因数低，造成网侧容量增加，同时网侧谐波含量高，对电网造成较大污染，影响其它设备正常运转。（4）由于母线电压不可控，由外部供电单元决定，且与电机的最低工作点所需的电压幅值比较接近，所以对于更大吨位的压力机驱动系统，为了保证电机工作在所需的工作点，需要大幅度增加电容数量，从而很大程度的增加了系统的成本。

中国发明专利《一种应用于机械曲柄压力机的交流伺服主驱动系统的控制方法》（授权公告号：CN102001189B），它由整流单元、储能单元、逆变单元、制动单元、控制单元和通讯单元等组成，能够克服通用伺服存在的控制精度问题，同时此发明针对于压力机瞬间的能量主要来源于电容，通过母线电压检测及电压补偿算法的应用，可以抵消母线电压波动对控制的扰动，改善控制效果。但也存在以下缺点：此驱动器采用二极管不控整流，母线电压受网侧电压波动影响，正常值为537VDC左右，虽然增加电容容量进行扩容，但压力机冲压工件瞬间，电机瞬时以最大过载功率运行，势必会造成驱动设备前端网侧电流冲击，可能引起跳闸、熔断器熔断等等事故，甚至可能对厂区电网造成影响，造成其它设备不能正常运转，如果增大配电容量还存在审批不一定能够通过的风险。

发明内容

本发明所要解决的技术问题，在于克服现有技术存在的缺陷，提出一种机械压力机的驱动系统。采用有源网侧模块作为驱动系统的网侧接口，能够限制驱动设备从前端电网补能的功率，避免电机过载带来的网侧尖峰电流，减小驱动设备前端网侧容量。能够可靠地保障母线的最小工作电压幅值，保证电机工作在所需的工作点，进而保证压机设备性能的稳定。提高驱动设备的功率因数，减少网侧谐波含量，降低驱动设备对电网的污染。通过充分发挥有源网侧模块的作用，提升系统的正常工作电压，来降低储能部分的电容的数量和整个系统成本。

其具体方案如下：

本发明机械压力机的驱动系统，包括过压保护装置、三相输入电抗器、有源网侧模块、储能装置、电机驱动装置、直驱电机、电源模块和压力机上位机控制系统。电气设备外部供电单元经过电源模块为压力机上位机控制系统、有源网侧模块和电机驱动系统的控制部分的供电，上位机控制系统通过总线的形式给有源网侧模块和电机驱动装置发送上下电信号以及驱动脉冲信号。电气设备外部供电单元依次经过过压保护装置、三相输入电抗器、有源网侧模块、储能装置、电机驱动装置为直驱电机提供动能。电气外部供电设备供电单元经过过压保护装置后接三相输入电抗器，三相输入电抗器的输出端与有源网侧模块的输入端相连，有源网侧模块将输入的交流电转化为系统所需的直流电，输送给储能装置，储能装置的输出端与电机驱动装置的输入端相连并为其提供能量，电机驱动装置根据上位机提供的脉冲信号实现对直驱电机的精密闭环控制。

本发明系统，在正常工作时，电气设备外部供电单元经过过压保护装置和三相输入电抗器，通过有源网侧模块将直流母线电压升高到正常工作电压。当压力机冲压瞬间，电机瞬时过载，主要由储能电容提供能量，母线电压跌落到最低工作电压附近；在压力机滑块空行程区间，有源网侧模块再从网侧缓慢补能，将母线电压提高到正常工作电压，为下一次冲压做好准备，如此循环往复工作。正常工作电压是用户在有源网侧模块内部设置的参数，该电压值高于最低工作电压，低于硬件器件耐压安全区域即可，而最低工作电压是有源网侧模块能够正常工作的最低电压。

本发明系统，采用有源网侧模块作为驱动系统的网侧接口，能够限制驱动设备从前端电网补能的功率，避免电机过载带来的网侧尖峰电流，减小驱动设备前端网侧容量。能够可靠地保障母线的最小工作电压幅值，保证电机工作在所需的工作点，进而保证压机设备性能的稳定。提高驱动设备的功率因数，减少网侧谐波含量，降低驱动设备对电网的污染。通过充分发挥有源网侧模块的作用，提升系统的正常工作电压，来降低储能部分的电容的数量和整个系统成本。

附图说明

图1是本发明机械压力机的驱动系统电路框图。

图2是本发明机械压力机的驱动系统过压保护装置电路电路图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明机械压力机的驱动系统，包括过压保护装置、三相输入电抗器、有源网侧模块、储能装置、电机驱动装置、直驱电机、电源模块和压力机上位机控制系统。电气设备外部供电单元经过电源模块为压力机上位机控制系统、有源网侧模块和电机驱动系统的控制部分的供电，上位机控制系统通过总线的形式给有源网侧模块和电机驱动装置发送上下电信号以及驱动脉冲信号。电气设备外部供电单元依次经过过压保护装置、三相输入电抗器、有源网侧模块、储能装置、电机驱动装置为直驱电机提供动能。电气外部供电设备供电单元与过压保护的输入端相连，经过过压保护装置之后接三相输入电抗器，三相输入电抗器的输出端与有源网侧模块的输入端相连，有源网侧模块将输入的交流电转化为系统所需的直流电，输送给储能装置，储能装置的输出端与电机驱动装置的输入端相连并为其提供能量，电机驱动装置根据上位机提供的脉冲信号实现对直驱电机的精密闭环控制。

所述过压保护装置是由压敏电阻、气体放电管和滤波电容构成，如图2所示，其中滤波电容C1、C2、C3分别跨接在外部供电单元的任意两相之间，压敏电阻X1、X2和X3的一端与外部供电单元的任意一相相连,另外一端与气体放电管D1的一端相连，气体放电管D1的另外一端大地FG相连。用于滤除和吸收电网的尖峰干扰,保护后级设备正常工作。

所述输入电抗器和有源网侧模块共同构成了一个输出电压可控的高效整流系统，将外部供电电源提供的三相交流电转化为电压可调的直流电，且能够限制驱动设备从前端电网补能的功率，避免电机过载带来的网侧尖峰电流，减小驱动设备前端网侧容量，能够可靠地保障母线的最小工作电压幅值，保证电机工作在所需的工作点，进而保证压机设备性能的稳定；能够提高驱动设备的功率因数，减少网侧谐波含量，降低驱动设备对电网的污染。在有源网侧模块前端增加了三相输入电抗器，既在整流升压时作为储能元件，又可以有效地抑制电网谐波的干扰对后级系统的正常运行造成影响。使用有源网侧模块，提升正常工作电压，从而大大降低储能电容的体积和成本，进而降低整个系统的体积和成本。

所述储能装置是由电容作为储能元件的储能系统，用于给后级驱动系统提供能量。具有响应速度快，转化效率高，控制简单等优点。

电机驱动系统作为直驱电机的控制单元，可以根据外界提供的指令实现对直驱电机位置、转速和电流的精密闭环控制。

直驱电机作为整个系统的动力输出机构，其具备低转速，大扭矩，高精度等特性。电源模块是由开关电源和UPS构成，一方面采用开关电源将系统中的高电压转化为在安全工作电压范围内的低电压，作为上位机控制系统、有源网侧模块和电机驱动系统的控制部分的供电单元，大幅度减小现场操作人员的触电风险。

采用UPS系统可以在电网断电时，作为后备电源，短时间内给整个系统控制部分供电，保证整个系统突然失电时对储能系统的庞大能量进行正常泄放。

压力机上位机控制装置根据用户输入的指令和当前的运行状态通过总线的形式给驱动器和整流器发送上下电信号以及驱动脉冲信号，以确保整个系统按照用户设定的参数运行，完成相应的任务。

本发明机械压力机的驱动系统，在正常工作时，电气设备外部供电单元经过过压保护装置和三相输入电抗器，通过有源网侧模块将直流母线电压升高到正常工作电压。当压力机冲压瞬间，电机瞬时过载，主要由储能电容提供能量，母线电压跌落到最低工作电压附近；在压力机滑块空行程区间，有源网侧模块再从网侧缓慢补能，将母线电压提高到正常工作电压，为下一次冲压做好准备，如此循环往复工作。正常工作电压是用户在有源网侧模块内部设置的参数，该电压值高于最低工作电压，低于硬件器件耐压安全区域即可，而最低工作电压是有源网侧模块能够正常工作的最低电压。

本发明提出的一种机械压力机的驱动系统。采用有源网侧模块作为整个驱动系统的网侧接口：（1）能够限制驱动设备从前端电网补能的功率，避免电机过载带来的网侧尖峰电流，减小驱动设备前端网侧容量，很大程度降低了对客户端前级输入变压器和电网容量的要求。（2）能够可靠地保障母线的最小工作电压幅值，保证电机工作在所需的工作点，进而保证压机设备性能的稳定；在压力机驱动系统正常工作时，通过有源网侧模块将母线电压升高到正常工作电压；当压力机冲压瞬间，电机瞬时过载，电机驱动系统主要由储能电容提供能量，母线电压随着能量的消耗，会跌落到最低工作电压附近；在压力机滑块空行程区间，有源网侧模块再从网侧缓慢补能，将母线电压提高到正常工作电压，为下一次冲压做好准备，如此循环往复工作。正常工作电压是用户在有源网侧模块内部设置的参数，该电压值高于最低工作电压，低于硬件器件耐压安全区域即可，而最低工作电压是有源网侧模块能够正常工作的最低电压。（3）提高驱动设备的功率因数，减少网侧谐波含量，降低驱动设备对电网的污染，保证了同电网其他电子设备的正常可靠运行。（4）通过充分发挥有源网侧模块的作用，提升系统的正常工作电压，来降低储能部分的电容成本。对于一个大功率压力机驱动系统，储能装置的成本和体积占到整个系统的50%。根据电容储能公式，电容储能单元提供的最大能量为：，通过提升正常工作电压很大程度的降低电容容值和数量，虽然后级逆变和电机的电压等级提高，成本略有上升，但该部分成本上升相比于储能环节的成本降低而言，微不足道。某实际工程应用案例如下：一套200Ton伺服压力机系统，正常工作电压为700VDC，最低工作电压为600VDC，储能环节瞬时需要提供的总能量为50kJ,储能电容需要308个450V 10000uF的电容。如果正常工作电压为1000V，母线电容仅仅需要141个450V 10000uF的电容，储能电容数目降低了55%，而驱动和电机由于电压等级提高带来的成本上升仅仅为6%，可见该方案优势明显。本发明的驱动系统能够实现母线电压的闭环控制，在空行程将母线电压升高至正常工作电压，电机过载时，储能电容释放能量，母线电压下降至最低工作电压，仍然能够保证电机工作在(Tem，w)曲线上的任意一点，从而保证了工件成型的工艺和质量。

Claims (1)

1.一种机械压力机的驱动系统，包括过压保护装置、三相输入电抗器、有源网侧模块、储能装置、电机驱动装置、直驱电机、电源模块和压力机上位机控制系统；其特征是：电气设备外部供电单元经过电源模块为压力机上位机控制系统、有源网侧模块和电机驱动系统的控制部分的供电，上位机控制系统通过总线的形式给有源网侧模块和电机驱动装置发送上下电信号以及驱动脉冲信号；电气外部供电设备供电单元经过压保护装置后接三相输入电抗器，三相输入电抗器的输出端与有源网侧模块的输入端相连，有源网侧模块将输入的交流电转化为系统所需的直流电，输送给储能装置，储能装置的输出端与电机驱动装置的输入端相连并为其提供能量，电机驱动装置根据上位机提供的脉冲信号实现对直驱电机的精密闭环控制。