伺服压力机能量管理系统的研究

0 引言

伺服压力机作为新型压力机得到越来越多的应用，与传统的液压压力机或者伺服泵驱动的压力机相比，具有生产效率高的特点[1][2]，和传统的机械压力机相比，又具有冲压过程可编程，提高冲压质量的特点[5]，配合伺服液压垫使用，可以大大提高深拉伸工艺的质量和效率[6]。但带来的问题是在冲压过程对能量要求很高[3][4]。对于大型压力机，特别是吨位大于1000T的伺服压力机，能量管理是一个不可或缺的部分。本文将对压力机能量管理系统的需求以及两种不同的技术方案进行比较分析，确定其适应场合。

1 伺服压力机冲压周期能量分析

在偏心式伺服压力机的一个冲压周期里，为了达到冲压时低速保护模具和提高冲压件质量，回程时高速提高生产节拍，伺服主电机在一个周期里驱动偏心机构部分在不同的区域以不同的速度运行，这种运行方式导致在不同区域里，压力机内部能量与外部能量发生交互。以最常见的压力机冲压一次，偏心轮运行一个周期360°为例：

• 红色区域：为工件的成形区域，伺服压力机需要外部提供能量。在这个区域内冲压件的变形能和热能来自于伺服压力机的滑块和模具上模的动能，这部分能量由伺服压机的主驱动电机和伺服驱动器提供，这部分能量属于外部能量输入至压力机系统内部能量，是从电网侧的电能转换而来。这个区域能量的大小由被冲压的工件的变形能量来决定，变形能量x节拍数/转换效率=外部输入压力机的平均能量，这个平均能量只能由电网侧变压器提供，是伺服压力机系统中电网侧变压器选型的最小值。

（3）随着我国工业化和机械化程度的提高，国内石油消费也在快速提升，且其提升速度高于国内石油开发增长速度。所以，石油资源供不应求的状况将更为严重。

• 绿色区域：为滑块的加速区域，这个区域伺服压力机的滑块需要能量进行加速。在这个区域里为了给伺服压力机送料系统提供更多的时间，滑块需要从下死点处加速打开，滑块加速时所需的能量是由伺服压力机的伺服主电机和伺服驱动器提供，能量的大小由压力机的运动部件(转动惯量+质量)和加速度以及加速时间来决定。

• 任何时刻所有输入的能量(功率)和必须等于输出能量(功率)和，能量只能以不同形式的转换和存储于不同的设备内。

• 黄色区域；为减速区域，伺服压力机运动部分制动减速需要释放能量。在这个区域中，压力机的运动部件需要减速来降低滑块速度到冲压速度来保证冲压件的质量和保护模具，降速的过程需要将运动机械部件的一部分能量释放出来，这个释放是通过伺服压机的伺服主电机和伺服驱动器处于发电状态将机械能转换为电能完成的，释放能量的大小由运动机械部件(转动惯量和质量)和减速度以及减速时间决定。

能量管理系统需要根据冲压过程的能量需求特点，进行合理的分配和控制。

2 伺服压力机能量管理系统

伺服压力机能量管理是一个能量分配系统，其主要目的是合理分配电网侧的能量(功率)和伺服压力机能量管理系统中储能机构的能量(功率)之间的百分比，这个百分比是可以通过配置进行合理的分配，其范围电网侧/(储能机构侧+电网侧)可以从100%(无储能机构)到30%(储能机构提供所有波动的功率，电网侧输入一个稳定的值)内配置，这个比例可以根据项目的具体情况进行合理调整和分配。

任何一个首度欣赏桑迪·斯科格兰德摄影作品的人——任何一个从她的装置细节带来的错视画影响中完全恢复过来，想要搞明白作品中的金鱼、松鼠、猫狗以及婴儿，也就是那些用纸浆、石膏与聚酯材料制成的雕像，实际上是什么的人——都必然会询问，她究竟是如何实现这些作品的。也就是说，一旦意识到这些令人惊叹的照片都拍摄自相应的舞台场景，是某种介于事实与虚构、现实与谎言之间的存在时，观众必然会质询她所采用的技术手段与艺术方法。

对于伺服压力机的能量管理系统基于以下原则进行设计：

• 灰色区域：为偏心轮运行的匀速区域，在这个区域中，伺服压力机运动部分需要能量克服各种摩擦和运动中的其他机械损耗。能量的大小由各种损耗来决定。

• 当一条工艺运行曲线规划完成后，在一个周期内任何一点的机械功率需求是确定的，不能改变的，与系统里是否存在能量管理系统无关。故工艺曲线是输入参数，这个工艺曲线决定了伺服压力机的能量(功率)需要。

伺服压力机能量管理系统理想的分配比例是电网侧持续输入平均能量(功率)而储能机构平滑能量(功率)尖峰。

伺服压力机能量管理系统设计时需要考虑以下主要因素：

• 储能容量的计算

• 储能机构与电网侧变压器之间的能量比例系数选择

• 储能方式选择

储能容量的计算与伺服压力机的工艺曲线和工作能以及机械运动部件密切相关，通过对压机的工作能和转动惯量以及加减速时间等多个因素综合计算可以得出储能容量。

翻转课堂生物学案要体现层次化原则，其学案设置应将难易不一、杂乱无序的内容编写合理有序、整齐划一、具有阶梯型的适合不同阶段、不同阶层的学生。这样才符合科学，适合学生认知规律和身心的发展，以便做到了提高学生综合素质，培养创新性人才的要求。如，设计《果实和种子的形成》的学案时，先请学生猜谜语，“麻屋子，红帐子，里面住着白胖子”，再深入整个花生属于什么器官？由什么发育而来？由哪部分发育而来？红帐子是什么？白胖子呢？花生粒呢？在此基础上，请学生用图表的形式表示果实的各部分与花的各部分之间的联系。

根据储能方式的不同，伺服压力机主传动系统的能量管理常采用两种不同的解决方案，一种利用电能与电能直接的吸收和释放，采用电解电容作为能量存储装置，称之为电容储能(电能储能)，另一种利用机械能与电能之间的转换，利用储能电机带动的机械飞轮的速度变化，通过逆变器进行发电和电动状态的转换完成机械能与电能的转换，这种以飞轮为介质称为飞轮储能(机械能储能)，根据两种不同储能方式的特点进行灵活选择，可以构成满足不同吨位，不同需求的伺服压力机能量管理系统。

3 能量管理系统里储能容量的计算方法

3.1 机械能储能计算方法

对于机械能，分为势能与动能，势能与质量和位置相关，动能与质量、速度或转动惯量，转速有关。在实际应用中，利用旋转物体的动能进行能量储存和交换比较常用，其公式：

E=1/2*J*(ω12-ω22)

(1)

式中：E：为能量单位kJ

在冲压一个工件变形能为550 kj，深拉伸速度<=0.14 m/s，与其配套的最大化的送料时间为1 s，送料区域为250-100度，工作节拍为30 spm的工件时，

在下图(图 )中，电网侧变压器通过整流单元把三相交流电转换为直流电，能量是单方向的，即只是从电网侧输送能量到伺服压力机内部，而伺服压力机的主电机和伺服逆变器与电容模组通过直流母线自动交换能量，消除或减小内部的功率尖峰。

J：为转动惯量单位 kgm2

3.2 电能储能的计算方法

u2：为电容电压2 单位v

对于电容储能方式

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

(2)

式中：

E：为能量单位kJ

其次，对于计算机数据的保护，我国刑法仅对获取这一行为进行处罚。而《公约》对于数据的保护规定了两个罪名：非法干扰计算机数据罪和非法拦截计算机数据罪。“获取”与“干扰”“拦截”相比，显然后者规定的范围广，因此更有利于对计算机数据的保护。

u1：为电容电压1 单位v

电能储能与物体的电容和电感有关，物体的电能与电容值、端电压相关，或者与电感值、电流相关。在实际应用中，电容更多用来作为储能装置。

“重新准备吧，每个人心里都在打着算盘儿呢，想法一多，统一不下来啊，费了好长时间最后还是散了。”说完他苦笑了几声，“现在一个人，按自己的法子走，累了就停下，停够了又继续走，方便多喽。”我们认真听着，爸爸点了点头。随后，他端起茶杯喝完茶，穿上外套向门口走去，准备上山。我们也随之一起背起了装备好的包，朝着上山的路走去。

C：为电容容量单位 F

将电解电容串联提高耐压，并联扩大容量，加上保护回路和预充电控制回路做成电容模组，由电容模组组成电容作为储能机构。电容储能为电能储能，当主驱动电机加速时，驱动电机的驱动器的直流母线电压会由于电机加速需要更多的机械能量而造成其直流母线的电压跌落，当主驱动电机减速时，驱动电机的驱动器的直流母线电压会由于电机减速处于发电状态，需要释放制动时的机械能量转换为电能，电能的增加而造成其直流母线的电压升高，由于电容有保持其电容端电压不变的趋势，当把电容模组接入驱动器的直流母线上后，电容模组会自动释放能量或存储能量来抵抗电压的变化完成能量的交换。这种储能方式在一个冲压周期中无需控制器进行额外的控制，其动态响应高，但能量密度较小。

在伺服压力机的能量管理系统选型计算时，根据工艺冲压曲线计算出系统的平均能量和尖峰能量，合理选择飞轮的转动惯量以及电机的速度变化区域和电容的容量以及直流母线电压的波动范围。

4 两种不同的储能方式

4.1 飞轮储能

飞轮储能方式为机械能储能，即通过一个伺服电机驱动一个转动惯量大的飞轮，通过飞轮的速度变化使得伺服电机交替处于发电状态和电动状态来完成飞轮机械能和电能的转换，电能通过直流母排和主驱动系统完成能量交换来提供能量尖峰和吸收能量尖峰。飞轮储能的特点是能量密度大，通过改变飞轮的转动惯量的大小和选择电机的速度变化范围改变储能的大小，在工程上非常容易实现。但动态响应偏慢。

飞轮储能原理示意图

在上图(图2)中，电网侧的变压器、主驱动电机和飞轮储能电机分别由将三相交流变为直流的整流装置和将直流变成电压和频率可调的三相交流的伺服逆变器通过直流母线连接在一起，构成伺服压力机的电气主传动系统。

星雨向李离扑过来，作势要撕他的嘴：“你这个死妮妮，宇晴姐姐刚才要打，也应该来打你，在你头上敲出三个熟板栗分给我们三个吃！”

红色箭头代表能量流动方向，对于电网侧的变压器，能量管理的目的是希望在一个冲压周期中，只有从电网侧变压器通过整流装置经过直流母线输入能量到压力机系统，这个能量是单方向的。而在压力机内部，通过控制伺服逆变器和主驱动电机来完成冲压，其运动由冲压曲线决定，飞轮储能电机和其所连接的伺服逆变器通过直流母线释放或吸收主电机运动过程中的能量尖峰。储能飞轮电机系统与伺服压力机的主电机系统的能量流动方向恰好相反，二者通过直流母线完成能量的交换。即主电机加速时作为电动方式通过逆变器将电能转换为机械能实现机械部件的加速，这时直流母线的电压会由于主电机的加速而降低，为了保持母线电压的不变，飞轮电机需要减速作为发电方式通过逆变器将机械能转换为电能补偿这种母线电压的跌落；主电机减速时作为发电方式通过伺服逆变器将系统里的机械能转化为电能使得直流母线电压升高，此时需要飞轮储能电机加速作为电动方式将电能转化为飞轮机械能，从而降低直流母线电压。

飞轮储能能量管理系统中，如何控制飞轮电机与主电机的同步且方向相反是飞轮储能系统的关键点，就是使飞轮电机的速度变化和主电机的速度变化方向恰恰相反来完成尖峰能量的交换。

4.2 飞轮储能电机的控制

在飞轮储能电机的控制中，在速度环给定一个固定的速度设定值，这个速度是系统开机时所设定，为基本速度，围绕这个基本速度进行加速和减速完成能量交换。

为了提高储能系统的动态响应，将直流母线的变化值经过转换，作为附加扭矩给定值直接加入电流环。

合理的调整PI控制器的P值和I值，使得飞轮储能电机的动态响应达到最快。

除了以上专家之外，会议还邀请了清华大学土木工程系教授博士生导师王元清、核工业工程研究设计有限公司副所长潘国伟、中建钢构有限公司技术管理部总经理陈振明、水利部水工金属结构质量检验测试教授级高工靳红泽分别做了“基于断裂力学的含裂纹或类裂纹缺陷的钢构件安全性评定技术研究”、“核电站核岛安装施工管理软件焊接模块介绍”、“建筑钢结构中欧美标准焊接技术及应用”、“涉外水电工程采标情况”的演讲，演讲内容紧紧围绕主题，对各自行业的相关焊接技术、标准都非常翔实的报告，深受代表好评。

4.3 电容储能

采空区垂直投影的平面范围界线根据调查资料、物探解译资料与验证资料综合分析适当外推，圈定采空区垂直投影总面积约4341m2，采空区容积约19793m3，见图2。

电容储能在系统第一次上电时，由于电容的端电压不能突变，此时电容内阻非常小，必须设计预充电回路限制充电电流来保护系统。

利用电容上的直流电压值的变化进行能量的存储与释放，具有控制简单方便的优点，其动态响应和机械储能方式相比具有非常大的优势，但是由于电容模组成本高，且其能量密度低，通常只实用于小型伺服压力机上，或者和机械储能一起做混合能量管理系统。

ω2：为飞轮电机速度2，单位rad/s

5 实际案例

5.1 2000T伺服压力机能量管理系统设计

以一台2000T(公称力发生点10 mm)伺服压力机为例，其机械参数为：

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滑块行程：650 mm

连杆长度：2650 mm

滑块质量(含上模)：100T

减速比：26

原料配方：白条鸭10只，盐1～1.5kg，一级酱油3.5kg，糖酱色20g、丁香10粒，黄酒0.5kg。

转动惯量(折算到偏心轮)：60000 kgm2 机械效率：约92%

ω1：为飞轮电机速度1，单位rad/s

此工况下，偏心轮运行曲线如图所示；

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按照此运行曲线，通过仿真可以看出在一个冲压周期里机械功率曲线如下图所示：

在一个冲压周期里，所需平均功率299 kW；均方根功率1630 kW，正最大功率3000 kW，负最大功率-3000 kW。

如果伺服压力机主传动系统没有能量管理系统，所有的功率尖峰都需要直接与电网侧交互，电网侧需要配置峰值容量大于3000 kva的变压器，而该台伺服压力机的平均功率只需要299 kW，这样的配置会造成电网侧的一次性投资和后续的使用费用增加，从经济效益上来讲是不合适的。

■ Average 299 kW

■1.630 kW

■3.000 kW

■-3.000 kW

■ Power fluctuation(ΔP) 6.000 kW

图7 2000T伺服压力机时间-功率曲线

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

在2000T伺服压力机能量管理系统设计中，采用3台额定功率为500 kW的飞轮储能电机，电机可以过载到1000 kW满足瞬间3000 kW功率尖峰的需求。同时系统里还有264 mf的电容组提高动态响应补偿储能电机速度突变时的死区时间。

5.2 2500T伺服压力机能量管理系统的设计与测试

传统的2500T吨用于汽车生产线的第一序机械压力机的主驱动电机功率为500 kW，需要配备630kva的变压器，同样的2500T机械伺服压力机的主传动则需要3台额定功率为817 kW伺服电机，总功率达到2400 kW，其过载功率尖峰可以达到4000 kW，如果没有伺服压力机能量管理系统，则至少需要配备容量为2500kva的变压器以及相配套的输配电保护器件。但是伺服压力机工作时的平均功率只要500～600 kW左右，配备2500KVA的变压器只是为了满足在一个冲压周期里非常短时间内的功率尖峰，会造成很大的浪费。通过伺服压力机的能量管理系统利用能量存储单元控制能量储存和释放来消减冲压过程的所需的功率尖峰，能降低对供电侧的要求，保持电网的稳定运行。降低变压器以及配套的配电保护器件来供电侧的采购成本和使用费用。其能量管理系统采用西门子1ph8异步伺服储能电机3*550 kW来平滑冲压过程中的功率尖峰，同时在直流母线上增加2*132 mf电容模组，利用电容模组提高系统的动态响应，整流单元功率为630 kW。

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能量管理系统测试

测试条件：压力机空载，运行特殊的冲压曲线，监测伺服压力机主电机和储能电机的速度曲线以及整流单元ALM的功率输入。

测试曲线如图所示(图8)。

从曲线上可以看出蓝色曲线为飞轮储能电机的速度曲线，红色曲线为伺服压力机主电机的速度曲线，其大小相等，方向相反。绿色曲线为电网侧变压器输入的功率，在空载的情况下，其主要是提供运动过程中的各种损耗，而不参与运动部件加减速过程中的能量交互。

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伺服压力机主传动系统的能量管理可以合理的分配电网侧与储能机构的能量比例，从而找到一个平衡点使得伺服压力机主传动系统方案具有高的性价比。

6 结论

对于不同吨位的伺服压力机，根据实际工况采用不同的储能方式满足系统的要求。

对两种储能方式的比较可以发现，飞轮储能的能量密度大，对于吨位较大的伺服压力机更适合，但其控制复杂，动态响应慢，电机由于效率问题其损耗较大。而电容储能方式恰恰相反，其能量密度较低，但动态响应快，在冲压周期无需额外的控制。对小吨位的伺服压力机是首先的方案。

对于大吨位的伺服压力机，通常采用混合方式使能量管理系统达到更好的效果。利用飞轮储能与电容储能各自优点，以飞轮储能为能量交换和存储的主要部分，同时增加小部分电容储能来提高动态响应，降低母线电压的瞬间波动。

能量管理系统作为伺服压力机电气控制的一部分，可以根据生产过程中的工况进行选择，其主要的目的是降低伺服压力机对供电电网侧功率尖峰的影响，由于在一个冲压周期中伺服压力机即需要电网侧提供功率尖峰，又向电网反馈功率尖峰，故可以在压力机内部设置储能部分。利用储能部分平滑一个冲压周期的功率尖峰，降低压力机的使用成本。通过对两种不同方式的储能分析，根据压力机的特点和使用场景灵活选择配置，降低对电网侧的影响。

参考文献

[1] Hong Bo Zheng,You Song Sun. Research on Pump-Controlled Servo Hydraulic Press and its Energy Consumption Experiments[J]. Advanced Materials Research,2014,3330(988).

[2] Recep Halicioglu,L Canan Dulger,A Tolga Bozdana. Mechanisms, classifications, and applications of servo presses: A review with comparisons[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers,2016,230(7).

[3] Thomas Nitschke,Richard Krimm,Bernd Arno Behrens. Power-Split Press Drive for Economic Production[J]. Applied Mechanics and Materials,2015,4194(794).

[4] Suiran Yu,Yu Liu,Lu Li. Comparative Life Cycle Assessment of Servo Press and Flywheel Press[M].Springer Singapore:2013-06-15.

[5] Bernd Arno Behrens,Anas Bouguecha,Richard Krimm,Sergej Teichrib,Thomas Nitschke. Energy-efficient Drive Concepts in Metal-forming Production[J]. Procedia CIRP,2016,50.

[6] Kiichiro Kawamoto,Takeshi Yoneyama,Masato Okada,Satoshi Kitayama,Junpei Chikahisa. Optimum Back-pressure Forging Using Servo Die Cushion[J]. Procedia Engineering,2014,81.