2.1.5    主驱动小泵动力源高响应的交流伺服电动机驱动的多泵动力组合驱动节能系统

        高响应的交流伺服电动机驱动定量泵系统是近年发展的一种先进的高性能节能系统。解决了变频调节技术通过调节液压泵的转速，响应速度慢的性能，同时由于其本身的运转特性提高了电能的利用效率。高性能的伺服变速动力控制系统，在立式注塑机成型过程中对不同的压力流量，做出相应的频率输出，并对压力流量进行精确的闭环控制，实现伺服电动机对立式注塑机能量需求的最佳匹配和自动调整。交流伺服电动机的特有性能特别吻合立式注塑机的成形特点，促进了立式注塑机节能的深入发展，同时达到了现有其他驱动形式无法达到的节能性能及注射成形性能。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%，功率密度同比同容量的异步电动机高5%，力能指标提高18%。比使用负载敏感泵节能不能20%～30%。交流伺服电动机驱动液压泵的高效节能，带来了低噪声的优良性能，泵源噪声一般不高于65dB(A)，这是其他任何动力驱动系统达不到的。

        高响应的交流伺服电动机驱动定量泵系统体现在立式注塑机方面的主要性能特点是：①起动转矩大：由于转子电阻大，可使临界转差率Sk＞1，这样不仅使转矩特性（机械特性）更接近于线性，而且具有较大的起动转矩，当定子一有控制电压，转子立即转动，即具有起动快、灵敏度高的特点。比异步电动机的调速范围更宽。惯量小，易于提高系统的快速性。适应高速大力矩工作状态。电动机加减速的动态相应时间短，一般在几十ms之内。提高了成形速度及压力变化的灵敏度。②无自转现象：当信号电压为零时，无自转现象。失去控制电压，在负载力矩和制动力矩的作用下使转子迅速停止。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，减少冷却水的用量30%以上，某些场合甚至完全不需水冷。③噪声小：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。④调速范围宽：正弦波控制的新型永磁交流伺服电动机，尤其是低速性能优越。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。⑤使用寿命长：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。⑥高速性能好：一般额定转速能达到2000～3000转。⑦抗过载能力强：能承受3倍于额定转矩的负载，对有瞬间负载波动和要求快速起动的场合特别适用。⑧控制性能先进：实现了位置、速度和力矩的闭环控制。相同功率下，体积和重量较小。⑨精确定位：伺服电动机是一个典型闭环反馈系统，减速齿轮组由电动机驱动，其终端（输出端）带动一个线性的比例电位器作位置检测，该电位器把转角坐标转换为一比例电压反馈给控制系统，控制系统将其与输入的控制脉冲信号比较，产生纠正脉冲，并驱动电动机正向或反向地转动，使齿轮组的输出位置与期望值相符，令纠正脉冲趋于为0，从而使伺服电动机达到精确定位。速度、力矩控制灵活切换、平滑，减轻开、锁模冲击，延长液压油泵、机械和模具使用寿。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%；响应迅捷，0～100%速度，升、降速时间≤0.1s；0～100%压力，变化时间约为20ms，提高生产效率。同样，与图1所示系统一样，其余匹配的液压泵不工作时，在低压额定转速下卸荷，产生溢流能耗。

        (1)伺服系统的惯量匹配

        在伺服系统选型中，惯量匹配是充分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。根据牛顿第二定律：液压泵转动所需力矩T=系统传动惯量J×角加速度θ，角加速度θ影响系统的动态特性，θ越小，则由控制器发出指令到系统执行完毕的时间越长，系统反应越慢。由于伺服电动机选定后，最大输出T值不变，如果希望θ的变化小，则J应该尽量小。系统传动的总惯量，J伺服电动机的旋转惯性动量JM＋电动机轴换算的负载惯性动量JL，负载惯量JL即液压泵转动惯量，JL则随负载改变而变化，JM为伺服电动机转子惯量，伺服电动机选定后，JM就为定值。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，容易产生谐振，因而限制了伺服带宽，影响了伺服精度和响应速度。为提高惯量伺服精度和响应速度，在不影响系统刚度的条件下，应尽量减小惯量。衡量机械系统的动态特性，惯量越小，系统的动态特性反应越好；惯量越大，伺服电动机的负载也就越大，越难控制，但机械系统的惯量需和伺服电动机惯量相匹配才行。不同的机构，对惯量匹配原则有不同的选择，且有不同的作用表现。JL与JM的比值小于10以内，惯量匹配较为合理。根据立式注塑机的成形特性，一般为提高系统的动态特性，选用小惯量伺服电动机，配以小惯量的齿轮泵。

        (2)主驱动液压泵的选择

        伺服电动机驱动液压泵的动力源系统是高附加值的液压动力源，与伺服电动机相匹配的液压泵也应具有高性能，才能体现出伺服电动机驱动液压泵的动力源系统的高附加值特点。交流伺服电动机的最高转速可达4000r/min，与之相配的液压泵的排量可根据最高转速选择，选用比一般系统中应用的更小排量的液压泵，降低系统中应用液压泵的成本。伺服电动机驱动的液压泵的高性能要求主要是：高速低噪声、高效、高寿命。立式注塑机液压动力源的最大问题是噪声，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。低高速之间、高低压之间、停开之间的频繁转换，直接关系液压泵的使用寿命，所以需选用高寿命的液压泵。高的容积效率的液压泵进一步体现出节能的特性。根据以上要求，一般选用齿轮泵，也有选用螺杆泵，齿轮泵更能适应2000r/min以上高速运转。齿轮泵的结构也有好机种，总的说，性能随结构不同而有所差别，根据作者设计实际，推荐使用日本住友精密工业株式会社的QT系列齿轮泵。QT系列齿轮泵是内啮合齿轮泵，采用了特殊的三角型使啮合的容积变的非常小，压力脉动仅0.2MPa，噪声基本上与运转速度及负荷无关，在60dB左右，由于压力脉动小，让人感觉不到泵的运转声；内部结构简洁，对滑动面进行强制润滑，零件之间没有直接接触，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。

        (3)伺服系统高速联轴节的结构设计

        伺服系统是高速旋转结构。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。伺服电动机驱动定量泵，为充分发挥伺服电动机的性能，最高转速达到2000r/min以上，所以出现了一个问题，即直接关系到伺服系统运转寿命及性能的伺服电动机与液压泵联接的高速联轴节的设计。

        高速联轴节是伺服电动机驱动液压泵的联接件，既具备高速运转的性能，又要具备快速启动和停止的性能，直接关系到动力源系统的性能与使用寿命，性能方面主要是噪声。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。低劣性能的高速联轴节不但噪声大，而且破坏了伺服电动机及液压泵的性能，大大降低了系统使用寿命。联轴节为达到高速运转性能，作者认为，高速联轴节的设计思路是尽可能把各个运行部件在微观上成为互不干扰的运行，创新设计的伺服电动机驱动液压泵的高速联轴节的系统，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；传动套设计成等外圆等内花键，从工艺上保证各加工处的形位公差的一致性。

        花键副传动，适应速度快速转换，提高传动精度及使用寿命。微观上，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3个月的运转，性能优良。

        (4)各种主驱动小流量泵调速的多泵动力驱动系统节能性能比较

        各种主驱动小流量泵调速的多泵调速的动力驱动系统的节能性能主要是主动力驱动小泵的节能性能，由上面对几种节能系统的分析，可以得出以下结论：主驱动小泵动力源高响应的交流伺服电动机驱动的多泵调速的动力驱动系统的节能性能为最佳，其次为主驱动小泵动力源变频调速的动力驱动系统，再次为主驱动小泵动力源负载敏感控制的多泵调速的动力驱动系统，最后为主驱动小流量泵比例调速的多泵调速的动力驱动系统。目前较多采用主驱动小流量泵比例调速的多泵调速的动力驱动节能系统。

        变频调速装置是用相对较优的性能价格比取代比例泵的节能系统，但从变频调速装置与负载敏感比例泵节能系统的两者的性能来看，两者的节能效果相差不多，但两者对注射成形性能的影响，差别比较大，前者的性能明显低于后者。注射成形各阶段频繁的速度变化，使液压泵驱动电动机频繁处于加减速工况下，由于磁滞效应及转动惯量的影响，响应速度慢（比例泵响应时间在100ms之内，变频调速响应时间需800～1000ms），导致了注射循环周期时期的增加，降低了生产效率，对高要求的制品难以成形。电动机转子质量比比例泵变量的斜板的质量大许多，所以前者流量改变的响应时间大于后者的响应时间，不能适应多级速度变化的快速注射。通过实现变频器的输出频率和输出转矩解耦调节，达到变频器与注射过程各动作的最佳配合，以达到提高应答反映性能。