交流伺服电动机应用案例

2024-10-28 交流伺服电机

  实际应用中,由于对交流伺服电动机驱动液压泵系统的特性认识不足,性能开发不够,应用中出现一些问题,影响了交流伺服电动机驱动液压泵系统性能的发挥和推广应用。本文根据作者对注塑机节能的液压动力驱动系统开发研究的一些成果,进行进一步的探讨,并对注塑机节能液压动力驱动系统的科学技术进步,提出一些观点。

  单组交流伺服电动机驱动泵源系统运用于合模力5000kW及其以下合模力的注塑机上,是一种应用最为广泛的节能系统。下面举例说明选用单组交流伺服电动机驱动泵源系统。合模力1600kN,系统要求额定流量110L/min,额定压力16MPa。确定交流伺服电动机驱动泵源系统的规格。合模力1600kN为小型注塑机,单组伺服液压泵驱动,塑化时间少于30s,注射时间不多于3s,塑化液压马达的工作所承受的压力不高于12MPa。根据上述分析及一般注射成形精度的要求,选用交流伺服电动机驱动高压内啮合齿轮泵系统。根据南京埃尔法电液技术有限公司提供的注塑机专用伺服系统12618规格的压力-流量的技术参数(见图2),表1为注塑机专用伺服系统12618的主要技术参数,该系统最大压力21MPa,当工作所承受的压力160MPa时,处于反复工作区域(30s),并且相对应的流量为110L/min,瞬时流量可达到126L/min,符合额定注射速度要求;当工作所承受的压力130MPa时,处于反复工作区域(30s),并且相对应的流量达到额定126L/min,能够很好的满足塑化驱动功率要求;工作所承受的压力为160MPa时,保压压力可达到14MPa,满足保压的要求。根据上述分析,注塑机专用伺服系统12618规格,可达到系统实际额定工作所承受的压力16MPa、额定工作流量110L/min。表2系统应用注塑机专用伺服系统12618的额定技术参数。系统额定工作所承受的压力低于注塑机专用伺服系统12618的最大压力,整个注射过程处于流量工作状态下工作,对压力能进行精确的有效的控制,处于理想工作状态。

  花键副传动,适应速度快速转换,提高传动精度及常规使用的寿命。传动套不受径向力作用,即使受到一点径向力,由于在设计及加工方面的保证,传动套可靠的定位,一端的花键副的传动不会干扰另一端的花键副的传动,达到了高速传动的要求。花键采用日本汽车花键,齿形定心。这种形式的高速联轴节,经过用户近二年的运转,性能表现优良。

  与合模力高压锁模时,系统处于在压力控制状态下,压力传感器所监测到的压力将达到或达到设定值时,伺服马达按压力控制状态工作,驱动系统采用或改为交流伺服电动机驱动泵源系统,必须考虑到以上因素,修正合模液压缸驱动力设计中的瑕疵。

  三相异步电动机驱动液压泵系统中,电动机功率在整个成型周期中功率没有变化,在保压时不会担心电动机的输出扭矩不够。交流伺服电动机驱动液压泵系统,在保压时转速减小,其输出扭矩必然减小,在需要高压保压时,扭矩达不到希望值。

  主驱动小泵采用交流伺服电机驱动,提高了整机的节能和整机性能。大规格的注塑机塑化时间大于30s,交流伺服电动机驱动小泵系统的塑化选用连续工作区域。(图3)是主驱动小泵为交流伺服电动机驱动定量泵的多泵组合节能系统,其余定量泵的排量以小泵排量为基准设计为多泵叠加组合递进式动力驱动节能系统,小泵和大泵的排量之比为1:2的排列,辅助多泵(P2,P3,P4)在工作时基本上无溢流损失,即辅助多泵的各泵工作时为满流量的无节流状态下运转,没有节流能耗损失,是一种性能好价格低的节能系统,图4为该系统的速度-流量图。

  柱塞定量泵利用配流盘的倾斜,使各缸体活塞做往复运动实现吸油和排油。容积效率在95%左右,构造精密,对油污的染敏感度不高。系统的输出流量从0~100%全流量仅需70~10Oms,压力及流量上升时间快至30ms,压力脉动低于±0.05MPa,这些特性应用于注射成形上,更能提高注射性能。柱塞泵作为恒排量应用于伺服电动机驱动系统上,流量由伺服电动机转速决定。单边接触磨损。柱塞泵在高速时候,会出现大的噪声(离心力),噪声较螺杆泵及齿轮泵大,在实际应用中受到限制。

  交流伺服电动机驱动液压泵系统应用于注塑机是近年发展的一种先进的高性能及高效节能系统,越来越普遍的使用于注塑机。尽管异步电动机的控制技术也日渐完善,但其自身的功率因数、效率以及发热问题始终没有办法克服。交流伺服电动机技术越来越成熟,制造成本上也与异步电动机越来越接近,正在慢慢的变多的场合取代异步电动机。三相异步电动机驱动液压泵的液压动力驱动改型为交流永磁同步伺服电动机驱动液压泵的动力驱动,是一个必然的技术发展趋势。

  交流伺服电动机驱动液压泵系统是一种高性能的伺服变速动力控制系统,体现在注塑机方面的主要性能特点是:①比异步电动机的调速范围更宽。惯量小,电动机加减速的动态相应时间短,提高了成形速度及压力变化的灵敏度。②交流伺服电动机正弦波控制,转矩脉动小,运行平稳,噪声小,与低噪声液压泵组成一个低噪声泵源系统。③在极低频率下也能旋转运行,提高了注射成形的低塑性能及低速稳定性。④交流伺服电动机与直流伺服电动机相比,它没有机械换向器,特别是它没有了碳刷,完全排除了换向时产生火花对机械造成的磨损,工作可靠,对维护和保养要求低。

  摘要:交流伺服电动机驱动液压泵系统具备节能高效的特性,越来越普遍的使用于注塑机。研究了交流伺服电动机与六种不一样的泵组合的动力驱动源的性能特点及应用场景范围;研究了交流伺服电动机驱动液压泵系统与整机性能设计之间的特点;研究了交流伺服电动机驱动液压泵系统与三相交流异步电动机驱动液压泵系统之间的注射性能的不同点。根据交流伺服电动机是一个多变量、强耦合、非线性、变参数的特点,开发现代非线性操控方法应用于注塑机上的研究,是提高注射成型控制性能的迫切需要解决的课题。根据注射成形特点,开发交流伺服控制器的控制性能。举例说明了交流伺服电动机驱动液压泵系统模块设计应用及需注意的问题。

  螺杆泵利用螺杆之间转动啮合,形成连续的吸油、排油,无流量的脉动,压力脉动量小于1%,油压控制最精确,低噪声。可以低速,对油质的黏稠度要求也不高。高速运转可达3000r/min,噪声很低。寿命长。螺杆泵容积效率较齿轮泵低,节约能源的效果高于齿轮泵系统,低于变量柱塞泵系统。低速运转时泄漏量同比于其它泵较大,降低了能量利用率。螺杆泵伺服系统的控制精度及响应速度与各种定量泵或开环变量泵系统相同。意大利SETTIMA TIPO SAEB-T系列螺杆泵应用于伺服电动机驱动系统上,取得很好的低噪声运转效果。

  一般的三相交流异步电动机驱动定量泵,为降低噪声,采用六极960r/min的电动机。伺服电动机驱动液压泵,为充分的发挥伺服电动机的性能,最高转速达到2000r/min以上,因高速联轴节设计的性能不佳,导致伺服电动机驱动液压泵的系统失败的例子有之,影响了伺服电动机驱动液压泵系统的推广应用。电动机须立即产生扭矩,液压泵一定要达到与电动机同时旋转。联轴节为达到高速运转的动态响应性能,图1是作者创新设计的伺服电动机驱动液压泵的高速刚性联轴节的系统,伺服电动机通过花键带动传动套,传动套通过花键驱动液压泵。泵架内孔设计成从小到大的阶梯孔结构,以利各孔一次装夹加工完成,从工艺有效保证各孔的同轴度;传动套设计成等外园等内花键,从工艺上保证各加工形位公差的一致性。

  交流伺服电动机驱动泵源系统应用于注塑机,节约能源的效果是明显的,特别对大型注塑机,更能体现出节能的优越性。欧洲趋向于使用电液混合驱动,以达到提高性能和节能的双向共赢的效果,说明全交流伺服电动机驱动泵源系统还存在性能方面的不足。提高全交流伺服电动机驱动泵源系统的注塑性能是进一步研发的课题,主攻点是研发交流伺服控制技术,扩展自身的应用性能。

  采用伺服电动机动力驱动泵源节能系统,体现出伺服节能的优越性。伺服电动机动力驱动泵源节能系统,由于注塑机的大、小规格不同,要求的工作区域不同,根据成形周期各工部的实际选用交流伺服电动机驱动泵源系统的规格。大型注塑机注塑成型周期一般都在30s以上,甚至达到数分钟,冷却时间比塑化时间长,注射时间超过5s,甚至达到10s以上,保压时间长,节约能源的效果更为明显。

  5.2交流伺服电动机驱动泵源和三相异步电动机驱动泵源的混合动力驱动的多泵系统

  一般大型注塑机的液压动力驱动泵源为多个定量驱动泵源系统组成,不管多大的注塑机,为达到节约能源的效果,不间断工作的必定是小泵作为主驱动。主驱动小泵的节能分析研究是大型注塑机多泵液压动力驱动泵源节能系统的主要研究对象,必然的联系到系统的能耗性能和系统的低速性能。提高驱动性能,主要在主驱动小泵源系统上科学技术进步。对多泵液压动力驱动泵源节能系统的分析研究,首先从主驱动小泵源系统的节能上切入分析研究,然后再考虑整个多泵液压动力驱动泵源系统的节能。

  内啮合齿轮泵利用啮合内齿轮转动所形成的负压腔和挤压腔实现吸油和排油,由于一对齿面的脱开和下一对齿面的啮合具有一定周期,所以排油有一定的脉动,流量脉动在1%~3%,随之压力有一定波动。齿轮泵是两个点固定支撑的,内部结构简单整洁,对滑动面进行强制润滑,零件之间没有非间接接触,在运转初期约200h抱合后,以后几乎不会发生磨损,能够长期保持96%的容积效率。

  小型注塑机的塑化时间一般小于30s,可在反复工作区内工作。中、大型注塑机的塑化时间大于30s,在连续工作区内工作。选用的工作区的压力作为设计塑化工作所承受的压力的依据。

  注塑机的的噪声大多数来源于驱动源,驱动源噪声来自泵的运转噪声。目前大范围的应用齿轮泵或螺杆泵与交流伺服电动机组合为驱动泵源的系统,其根本原因是噪声低,经济性又好。柱塞泵压力波动大,产生噪声大,应采用噪声消除的操控方法减小泵的输出压力波动,例如采用选用较小蓄能器,吸收压力脉动降低噪声。采用低噪声的柱塞泵。

  在伺服系统选型中,惯量匹配是充分的发挥伺服电动机驱动液压泵系统最佳效能的前提,此点在高速高精度的系统上表现尤为突出。传动惯量对伺服系统的精度,稳定性,动态响应都有影响,惯量大,系统的机械常数大,响应慢,会使系统的固有频率下降,易产生谐振,因而限制了伺服带宽,影响了伺服精度和响应速度。根据注塑机的成形特性,一般为提高系统的动态特性,选用小惯量伺服电动机,配以小惯量的液压泵,才可以做到高的动态响应。

  节能的本质在于减少浪费。交流伺服电动机在很宽的负载范围内保持接近于1的功率因数,效率同比同容量的异步电动机高8%,实现了伺服电动机在注射成形冷却阶段的零转速、零能耗,降低液压油温,减少冷却水的使用场合甚至完全不需水冷。在待机状态时也具有非常明显的节能,异步电动机驱动变量泵在待机状态时是恒速转动但没有流量的,但在一台11kWБайду номын сангаас注塑机上测出电动机的电流是7A,对11kW电动机的24A额定电流是一个大的比例29%。伺服电动机驱动变量泵在待机状态时是不转动的,虚耗的只是伺服电动机(电子)驱动器的能量,以11kW伺服电动机为例,电流不到1A。交流伺服电动机驱动液压泵系统,比异步电动机定量泵节电30%~80%,比异步电动机变量泵节电30%~50%。

  注塑机主动力源、液压泵与伺服系统的良好匹配对其整机性能及节约能源的效果至关重要。注塑机伺服电动机驱动的液压泵的高性能要求主要是:①液压泵的动态性能好,同样在最短时间之内从最高转速降到很低的转速,并且过程越短越好。②液压泵在高低速转换的过程中脉动越少越好,低速内泄量小。③低噪声、高效、高寿命。④液压泵运转噪声不影响环境噪声。注塑液压动力源的最严重的问题是噪声,噪声随着液压泵的转速提高而增强,特别是伺服电动机驱动的液压泵系统,为充分的发挥其伺服电动机的高速运转的性能,提高性价比,液压泵的额定转速需达到2500r/min,甚至于达到4000r/min,在这种工况下,液压泵的高速噪声问题显的特别突出。目前适用于伺服系统的液压泵主要有齿轮泵、柱塞泵和螺杆泵,特性各有不同,根据注射成型的要求,伺服系统适配液压泵,并优化参数设置。

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