[发明专利]注射模制系统的能量管理装置和方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种注射模制系统，且更明确地说涉及混合注射模制系统的能量管理， 所述混合注射模制系统包括：(i)液压抽吸组合件的电驱动原动机，和(ii)复数个液压 和/或电驱动致动器(例如，零件装卸机器人、挤压机、注射单元、模行程和夹持单元等)； 且涉及包括复数个电驱动致动器(例如，零件装卸机器人、挤压机、注射单元、模行程 和夹持单元等)的全电动注射模制机系统的能量管理。

背景技术

常规注射模制机的致动器通常使用液压动力源。众所周知，液压系统并非能量有效 的。这首先归因于其固有的容积损耗和转矩损耗。容积损耗包含层状泄漏损耗、湍流泄 漏损耗，和归因于流体可压缩性的损耗。转矩损耗包含归因于流体粘度和机械摩擦的损 耗。

电液压驱动和控制基于两个主要运作原理：(i)通过改变传导部分中的流动阻力的 阀门控制，和(ii)通过改变液压动力系统的生成部分中的容积流量的泵控制。阀门控 制的驱动通过消耗过剩能量来调节能量流。这并非能量有效，但可实现高性能注射模制 机所需的较快响应和较好可控性。

在泵控制的驱动中，根据需求调节能量流。其通过改变可变排量泵的摆动角，或固 定排量泵的速度，或可变排量泵的速度和摆动角来实现控制。速度相关的损耗和噪音散 发都可通过应用速度控制的固定排量泵来显著降低。泵/马达效率视例如排量、压力差和 旋转速度的变量而定。当以小排量运作可变排量泵时，层状泄漏和转矩损耗均相对较大， 因此降低泵/马达效率。在使用可调速原动机驱动可变排量泵的致动系统中，可照常通过 泵的摆动角的调整连同驱动速度的调整来控制液压状态(即，容积、流量和压力)。这 种两个自由度调节有助于改进小排量下的泵/马达效率，同时使对注射模制机的能量供应 最小。

更近来，功率电子设备的成本降低和改进的可靠性已经使得通过伺服电动马达驱动 的致动器对于注射模制机更实用。电压源反相器(VSI)是一种这样的驱动器。VSI驱动 器包含将AC电源转换为DC电源的转换器，通过电容器和任选的电感器使已整流的DC电 压平稳化的电压控制的DC链路，和具有供应调节的功率以控制马达的控制发电机的反相 器。单单使用电动马达作为推进构件的注射模制机通常称作全电动机器。使用液压装置 和伺服电动马达两者作为推进构件的注射模制机通常称作混合注射模制机。

在常规液压注射模制机中，电极的数目及其原动机(经常是感应马达(IM))的电 源频率是固定的。因此，虽然需求在周期期间显著变化，但是液压泵以恒定速度被驱动。 当流量需求减少时，通过安全阀将过剩流量分流到蓄能槽。满足变化的需求的一种方式 是将可调速驱动器(ASD)安装到马达。ASD允许改变AC马达的速度，且因此可使泵输 出与可变的需求匹配。ASD的益处在于：通过使输出与需要匹配而减少了能量成本；通 过以较低速度运行马达和泵而减少了噪音；减少节流和分流损耗；和减少油冷却成本。

一种控制策略是基于匹配每一机器运作阶段的需求，例如美国专利第5,052,909号中 揭示的策略。机器控制器控制泵马达以在过程的每一时间点改变速度。控制器越严密地 控制适当速度以匹配所述过程的每一时间点的实际需求，则节省越多能量。然而，此方 法存在缺点。当驱动器缓慢地加速和减速时，在需要流量之前必须较好地控制产生所要 流量的速度以便在需要所述流量时传递适当流量。因为机器尚未准备好接收在此加速时 间期间产生的过剩流量，所以所述流量不产生有用功。相同情况发生于减速期间。减速 到新的较低流量仅可在不需要较高流量时开始。如果驱动器不能很快减速，那么过剩流 量也浪费了。即使马达可迅速加速和减速，对于具有高惯性的原动机来说，也经常在减 速期间浪费加速期间所存储的大量动能。因此，为了匹配可变需求仅使用ASD来改变泵 马达的速度不是改进能量效率的最有效的方式。

在减速期间，电动马达充当发电机且能量被反馈到驱动器，如果不管理所述驱动器， 那么可将DC链路的电压升高到使驱动器变得无效的不可接受的电平。已知系统使用制动 电阻器和削波电路以消耗再生能量。此能量以热能形式被消耗且不可被重新使用。在其 它已知系统中，使用有源前端(AFE)的形式的再生单元将再生能量转化为AC电源并将 此反馈到供应系统。AFE提供供应源与反相器之间的双向能量交换，且其产生低于二极 管桥接整流器的谐波。然而，需要DC总线电压大于AC输入电压的峰值；否则无法保持 输出电流的正弦波形。