一种大型伺服压力机的储能装置及控制方法与流程

本技术属于工业自动化控制，具体涉及一种大型伺服压力机的储能装置及控制方法。

背景技术：

1、大型伺服压力机逐步取代传统机械压力机，广泛应用于工业领域。其运行中具有特殊功率特征：滑块下行压制时需巨大瞬时峰值功率，而减速、刹车和回程阶段伺服电机会产生大量制动回馈电能。这种高频大功率吞吐工况给供电系统与设备稳定性带来挑战。

2、为应对该问题，传统方案常采用飞轮储能系统，由储能电机驱动飞轮旋转储存动能，需配置专用变频器实现电机调速，并配置复杂的能量转换控制程序。然而，飞轮储能系统在实际运行中存在诸多缺陷：其储能电机为旋转机械，轴承磨损严重，需定期停机维护和注油，故障率高；储能电机在压力机待机或换模期间仍需空转，产生摩擦和空载损耗，并引发噪音和发热，恶化车间环境；关键的是，受限于机械惯性与容量瓶颈，其能量响应存在秒级滞后，无法匹配冲压滑块毫秒级的成形瞬态，导致直流母线电压在冲压瞬间剧烈跌落，引发车间电网闪变，干扰主伺服电机的控制精度，影响产品的冲压一致性。

技术实现思路

1、第一方面，本技术实施例提供一种大型伺服压力机的储能装置，包括：

2、主伺服驱动系统、超级电容储能模组、预充电回路控制模块、冲压工作回路模块、cms监控系统、安全防护模块；

3、外部电网的交流电源输出端分别连接至所述主伺服驱动系统的输入端、以及所述预充电回路控制模块的供电输入端；所述主伺服驱动系统通过直流母线与所述冲压工作回路模块的输入端电连接，所述预充电回路控制模块输出端连接所述超级电容储能模组的输入端；所述超级电容储能模组的输出端连接所述安全防护模块；所述cms监控系统分别与主伺服驱动系统和预充电回路控制模块通信连接。

4、进一步地，所述主伺服驱动系统，包括整流单元、逆变单元及至少一个主电机；所述整流单元的输入端接入外部电网，整流单元的输出端连接直流母线，所述逆变单元的输入端电连接至直流母线，逆变单元的输出端连接所述主电机；

5、所述预充电回路控制模块，包括预充电接触器、开机缓冲限流电阻r1和双向ac-dc整流器；所述预充电接触器、双向ac-dc整流器以及开机缓冲限流电阻r1依次串联连接，所述预充电接触器输入端与外部电网连接，所述开机缓冲限流电阻连接于超级电容储能模组的输入端；

6、所述冲压工作回路模块，包括：旁路接触器；所述旁路接触器连接于直流母线和超级电容储能模组的输入端之间；

7、所述安全防护模块，包括：泄放接触器k3和泄放电阻r2，所述超级电容的输出端连接泄放接触器k3，泄放接触器k3和泄放电阻r2依次串联连接，且所述泄放电阻r2外壳接地；

8、所述超级电容储能模组，包括串并联连接的法拉级大容量超级电容单体和防反二极管；所述超级电容储能模组的输入端通过预充电回路控制模块连接外部电网，输出端通过安全防护模块连接接地端；所述防反二极管设置于所述串并联连接的超级电容单体之间的均衡回路中，其导通方向由均衡电阻指向所述超级电容单体，用于在均衡结束后阻断所述超级电容单体经均衡电阻的反向放电电流；

9、所述cms监控系统，通常运行于工业控制计算机或上位机pc端，通过can总线或rs485通信接口实时采集超级电容储能模组的电压、电流数据，分析当前电路运行状态，对预充电接触器和旁路接触器进行控制。

10、第二方面，本技术实施例还提供一种大型伺服压力机的储能装置控制方法，包括如下步骤：

11、s1.主伺服驱动系统上电时，超级电容端电压为0v，向超级电容储能模组限流预充电，待超级电容端电压达到预设安全基准值后，完成预充电，主伺服驱动系统进入待机；

12、s2.主伺服驱动系统进入冲压工作：

13、主电机滑块减速、刹车或回程时，制动电能反馈至直流母线，当直流母线电压高于超级电容端电压时，对超级电容储能模组进行充电；

14、主电机滑块下行进入成形工况时，直流母线电压下跌，当直流母线电压低于超级电容端电压时，超级电容储能模组向直流母线放电，与整流单元共同为主电机供电；

15、在所述主伺服驱动系统冲压工作中，超级电容储能模组的充放电工作连续循环交替执行，充放电切换完全基于cms监控系统检测到的直流母线电压与超级电容端电压之间的电压比较结果自动实现。

16、进一步地，步骤s1具体步骤如下：

17、s11.主伺服驱动系统上电，cms监控系统控制预充电接触器闭合、旁路接触器断开；

18、s12.外部电网经预充电回路中的开机缓冲限流电阻向超级电容储能模组限流预充电；

19、s13.cms监控系统实时检测超级电容端电压，判断是否达到预设安全基准值，若是，则控制预充电接触器断开、旁路接触器闭合，主伺服驱动系统进入待机。

20、进一步地，步骤s2中，当主伺服驱动系统进入冲压工作时，cms监控系统控制旁路接触器保持闭合。

21、进一步地，步骤s2中，所述主电机滑块减速、刹车或回程时，制动电能反馈至直流母线，当直流母线电压高于超级电容端电压时，对超级电容储能模组进行充电，具体包括：

22、s21.cms监控系统实时采集直流母线电压vbus和超级电容端电压vsc，其中vbus为直流母线电压瞬时值，vsc为超级电容储能模组的电压瞬时值；cms监控系统判断vbus是否大于vsc；

23、s22.当vbus>vsc时，制动电能反馈至直流母线，再通过旁路接触器闭合时接通的电路，流入超级电容储能模组进行充电。

24、进一步地，所述步骤s22中，cms监控系统还实时监控vbus，当vbus升高至预设安全上限时，伺服驱动器自动报警停机。

25、进一步地，步骤s2中，所述主电机滑块下行进入成形工况时，直流母线电压下跌，当直流母线电压低于超级电容端电压时，超级电容储能模组向直流母线放电，与整流单元共同为主电机供电，具体包括：

26、s23.cms监控系统实时采集直流母线电压vbus和超级电容端电压vsc，其中vbus为直流母线电压瞬时值，vsc为超级电容储能模组的电压瞬时值；cms监控系统判断vbus是否小于vsc；

27、s24.当vsc＞vbus时，超级电容储能模组通过旁路接触器闭合时接通的电路向直流母线放电。

28、进一步地，所述步骤s23中，cms监控系统实时监控vbus和vsc，当vbus回升至大于或等于vsc时，超级电容储能模组停止向直流母线放电；当vbus再次低于vsc时，超级电容储能模组重新向直流母线放电；所述停止放电和重新放电基于vbus与vsc的实时电压比较自动实现。

29、进一步地，所述步骤s1之前还包括初始化步骤：

30、cms监控系统上电自检，检测与超级电容储能模组、直流母线的通信链路是否正常；

31、cms监控系统读取超级电容储能模组的初始电压、电流数据，判断是否存在过压、过流、欠压异常；

32、若存在异常，cms监控系统发出报警信号并禁止主伺服驱动系统上电；若正常，cms监控系统允许主伺服驱动系统执行步骤s1。

33、从以上技术方案可以看出，本技术具有以下优点：

34、本技术提供的大型伺服压力机的储能装置及控制方法中,通过采用法拉级大容量超级电容单体串并联组成的超级电容储能模组作为储能元件，通过预充电回路与冲压工作回路实现与直流母线的可控连接，同时利用cms监控系统实时采集超级电容的电压、电流数据并进行被动均衡与保护控制，取消了传统方案中的高速旋转储能电机及其专用调速驱动器，使系统由“机械运动”转为“电气静止”，实现了零磨损、零噪音、零空载损耗，降低了维护成本和现场综合维护工时；

35、通过cms监控系统实时采集母线电压vbus与超级电容电压vsc，并基于vbus与vsc的实时电压比较结果控制接触器的通断；由于本方案利用vbus与vsc的物理电位差作为能量流动的内在驱动力，充放电电流的方向无需复杂的电流内环pi计算，简化了控制软件的算法结构，降低了伺服驱动器的软件研发难度和调试门槛；同时，通过接触器直接投切，避免了高压大功率下高频pwm整流带来的开关损耗和emi干扰问题，提升了系统在低频重载工况下的运行可靠性；

36、预充电回路控制模块、冲压工作回路模块、安全防护模块与cms监控系统协同配合，实现了上电限流预充电、制动能量回收、成形功率补偿和余能泄放保护；预充电接触器、双向ac-dc整流器和开机缓冲限流电阻在cms监控系统控制下对超级电容储能模组限流预充电，避免上电浪涌冲击；预充电完成后，根据直流母线电压vbus与超级电容端电压vsc的实时比较结果自动实现充放电切换，实现制动电能回收和成形工况下的瞬时功率补偿；安全防护模块通过泄放接触器和泄放电阻释放超级电容剩余电能；均衡回路中的防反二极管在均衡结束后阻断超级电容单体经均衡电阻的反向放电电流，避免单体间异常互充；

37、通过超级电容储能模组在滑块减速时吸收制动电能、在成形时释放电能，与整流单元共同供电，抑制了直流母线电压的剧烈波动；通过在高速连续冲压中，负载功率高频切换，若无快速响应缓冲，母线电压将大幅跌落或冲高，触发驱动器报警停机，并通过电压扰动耦合至电机转矩环，引发转矩脉动与转速波动，导致冲压件表面振纹或尺寸超差；通过利用超级电容法拉级容量与低内阻特性，在母线电压跌落时毫秒级释放大电流，填补功率缺口，将母线电压稳定在允许波动范围内，母线电压平稳保障了电机电流环与速度环控制精度，使输出转矩与滑块位移严格跟随指令值，提升冲压件的尺寸一致性、轮廓精度与表面质量，为企业提高良品率、降低废品率提供了可靠支撑。