擠壓機伺服控制系統

郭爽爽，韓 泓

(太原重工股份有限公司 技術中心，山西 太原 030024）

擠壓行業屬于典型的高耗能產業，擠壓機是鋁材行業的主要生產設備，同時也是主要的耗電設備。擠壓機的耗電會使企業的生產成本過高，產品缺乏競爭優勢，影響企業的經濟效益，同時也會造成社會電能的浪費。對于裝備制造業來說，設備的節能降耗無疑是重點研究方向。

傳統擠壓機的泵站控制系統是采用“電機+泵”方式的電液系統，在這個系統中電機的使用效率直接影響著擠壓機設備的生產成本和經濟效益。由于工藝要求，大部分電動機在工作狀態下都處于負載較輕而不是滿載運行，且頻繁波動的狀態，電機運行效率低，電能浪費嚴重，因此降低電機能耗的技術將成為企業面臨的一個重要問題。本文提出采用伺服電液控制系統設計對擠壓機進行節能降耗。

1 擠壓機液壓系統分析

傳統的擠壓機是采用油泵驅動，其配置是電機驅動液壓泵的形式，通常一般為定量泵、變量泵或者定變量泵組合，傳統擠壓機液壓泵的驅動一般采用普通電機。

全定量泵的系統中，通常采用高壓節流的方式，即油泵驅動電機的轉速與其提供的流量都是恒定的，多余的液壓油再通過溢流閥回流。這種方式不但造成能量損失，在液壓系統長期的高速循環流動下，與液壓、機械等原件劇烈磨擦，容易使設備噪聲過大、油溫過高、機械壽命縮短。

全變量泵的液壓系統中，液壓系統的流量是通過控制變量泵的輸出控制。對于油泵電機來說，擠壓機中的擠壓狀態下的負載是變化的，一般擠壓機的擠壓速度最大可達到20mm/s，配置的油泵電機至少3臺，在擠壓速度低的情況下，有些油泵電機經常處于空載和輕載狀況。基于擠壓機工藝特點，油泵電機通常不會滿載運行，而是工作在額定電壓、負載較輕且頻繁波動的狀態，導致電機運行效率低，電能浪費嚴重。

泵站液壓系統配置的電氣控制系統的硬件配置簡單、控制要求低、易于維護，但是普通定量泵由于高壓溢流而產生高能耗，同時普通異步電機由于電網電壓、頻率等變化會帶來轉速變化，進而引起液壓系統流量變化，使產品成品率降低；而且變量泵的響應時間通常要在100ms以上，對于特殊場合的應用無法滿足要求。同時，擠壓機的主要能耗為電能，電機作為電能轉換的主要設備，其使用效率直接影響擠壓機設備的生產成本和經濟效益。

2 設計擠壓機伺服電液控制系統

伺服電液控制系統的方式：電機調速+定量泵系統（SVP系統）。

泵的輸出流量通過變頻電機的轉速變化而改變。

電機調速+定量泵電液控制系統的控制方式采用計算機數字控制，控制精度高，液壓泵輸出沒有節流，效率高，整個系統可靠性高，調試范圍寬。泵控液壓伺服技術的使用提高了系統的可靠性，使得液壓控制系統結構更加緊湊，更加智能高效、低噪環保。

電機調速+定量泵伺服電液控制系統的液壓原理圖如圖1所示，電氣原理圖如圖2所示。

圖1 電機調速+定量泵液壓原理圖

3 系統計算過程

電機功率計算公式如下：

式中：P——電動機熱校核功率，kW；

Q——容積流量，L/min；

△p——壓差，bar；

ηt——機構總效率；

ηv——容積效率；

ne——電動機最大轉速，rpm；

n——電動機額定轉速，rpm。

方案一計算示例：

A2FO355容積流量Q=532.5L/min，壓差△p=315bar，容積效率 ηv=0.96，機構總效率 ηt=0.92，電動機額定轉速n=1500rpm,電動機最大轉速ne=1490rpm。

選擇電機為315kW

變頻電機的變頻范圍5～50Hz，對應轉速范圍150～1500rpm，為了不影響泵的性能及壽命，所以轉速一般現場調試為300～1500rpm，所以電機的輸出功率

圖2 電機調速+定量泵電氣原理圖

N=59～290kW

電機調速+定量泵伺服電液控制系統的計算過程控制流程圖如圖3所示。

圖3 過程控制流程圖

4 選型方案

現有的擠壓機與很多使用液壓為動力的設備一樣，往往電機和油路按最大容量設計，除了在鎖模、擠壓和剪切等過程需要較大的壓力外，很多時候電機的工頻運轉時浪費了大量的電能。

擠壓機電機調速+定量泵伺服電液系統控制的核心是PLC。電機調速+定量泵伺服電液控制系統主要由高性能液壓定量泵、交流伺服電動機等幾部分組成，如圖4所示。

交流伺服電動機選用功率因素和過載能力高的交流伺服電動機，按負載實現功率在線控制。伺服電動機調試范圍寬（開環矢量的調速范圍就可達1:200），完全能夠滿足液壓系統的要求，與液壓執行機構進行合理的功率匹配。

在系統處于非工作狀態時液壓系統卸荷，避免了節流和溢流的功率損失，這時的電機在空載工況下幾乎不消耗能量。減少了功率損失，降低了發熱量[2]。

圖4 伺服電液控制組成

液壓泵選用可靠性高的定量泵，降低了使用變量泵的成本。液壓系統對油液清潔度的敏感性降低，從而降低了對液壓油及過濾精度的要求，提高了系統可靠性[3]。由于交流伺服電動機在額定轉速以下工作，定量泵的磨損減少，提高了使用壽命。

目前主流的伺服電液控制器均采用數字信號處理器（DSP）控制，可以進行比較復雜的控制運算，實現數字化、網絡化和智能化。

伺服電液控制系統能夠通過采集傳感器的信號對伺服系統實現壓力及流量控制，也能通過總線方式實現壓力、流量控制。其系統集成一體化，簡化了液壓控制系統，減少了液壓管路數量，降低了系統高壓引起的管路振動的問題，系統的噪聲小，低噪環保。

5 項目關鍵技術及創新點

伺服電液控制系統采用矢量控制+弱磁控制+專用PID控制算法，能夠精確控制在整個工作流程中所需要的壓力和流量，消除定量泵高壓節流帶來的能源損耗，達到節能省電的效果，同時降低系統油溫，最高節能率達65%，平均節能率30%以上。此外它還具備以下優點：

（1）工況階段節能。擠壓機在各個階段的所需油壓、流量都不同，工頻運行時，電機以50Hz全速運行，在上料、合模、擠壓、開模、切料、排氣，尤其是擠壓、切料、上料、排氣過程，動力驅動電機以電壓380V、50Hz頻率驅動油泵以額定流量輸出，此時多余流量由油路的壓力通過回流閥回流到油箱，浪費了較大部分能源，伺服節能改造通過采集所需壓力模擬信號，降低各個階段伺服驅動器的運行頻率，從而降低了擠壓機的無用功能耗。

（2）容量節能。擠壓設備設計以設備動作缸最大需求流量為標準，當擠壓機在運行中各動作比例輸出時、油泵以最大流量輸出，由擠壓機油壓比例控制組件進行多泵流量組合比例使用并調節系統壓力，在運行中不可避免地造成了能量的浪費，當不需要匹配容量的油壓時，適當降低電機運行頻率，可大大節約能量。

（3）設備保養?，F有的擠壓設備雖然使用降壓啟動，但啟動時電流沖擊仍然為電機額定電流的1.5～3倍，導致電網波動較大，引起電網的畸變，導致電機、電氣配件的使用壽命大大減少，通過伺服的軟啟動功能，使電機在啟動時電流不超過其額定電流的0.8倍，大大提高了設備的使用年限。

（4）電機保護功能。由于電網的波動，瞬變、諧波的影響，導致油泵電機瞬間過流過壓。通過伺服驅動器迅速加減速調節運行電流的保護，可以減少或避免電網波動、瞬變、諧波此類故障發生的可能性。

電液伺服控制器的結構與變頻器相似，但在功能上比傳統的變頻強大，電液伺服控制器的控制算法運算比一般變頻技術的更加精確，它是通過驅動器內部的電流環，速度環和位置環（變頻器沒有該環）進行。

本項目的研究將使我中心的擠壓機節能系統設計水平達到國際同行水平，項目的研究成果將成為節能型鋁擠壓機的設計方案。擠壓機伺服控制系統開發可以滿足市場對節能型擠壓機的需求，以節能降耗為目標、提升擠壓設備現代化水平。

參考文獻：

[1]張永寧，沈霽華.中國節能減排政策的演進--基于1978-2016年政策文本的研究[J].中國石油大學學報，2016.

[2] 冼燦標.直驅泵控伺服液壓機動態特性與節能機理研究[D].廣州：廣東工業大學碩士論文，2012.