正确理解工业用缝纫机数控交流伺服系统的铭牌标识

近年来，随着工业缝纫机行业的发展，带有数控交流伺服系统的工业用缝纫机使用越来越广泛，这种自动化设备以其省电、高效、节约劳动力等优点受到服装加工企业的欢迎，但伴随着这种机电一体化高科技设备的推广，各种新的疑问和困惑便随之产生。对于工业缝纫机数控交流伺服系统来说，目前关注比较多的就是这种全自动化设备到底耗电量有多少？省电省在哪里？交流伺服驱动器(控制器)铭牌上的功率标识有什么意义？为什么交流伺服驱动器(控制器)的输入功率比离合马达的功率还要高？

笔者希望通过本文普及一下有关数控交流伺服系统的输入输出功率的基本知识。

一个具有能量转换或传递过程的物体，输入功率就是物体从外部单位时间获得能量的能力，而输出功率就是单位时间物体对外输出能量的能力。以机电一体化设备的电动机为例，其输入的是电功率(输入电压、输入电流和功率因数的乘积)，输出的是机械功率(转速和转矩的乘积)。输入的电能有一部分在能量转换中变成热能消耗了，还有一些机械能要克服自身转动中的摩擦阻力，所以输出功率总会小于输入功率。

1)电动机的输入功率Pi

输入功率一般指的是电源给电动机输入的有功功率：

2)电动机的输出功率Po

输出功率是指电动机在额定工况下其带动的设备主轴的机械输出功率，输入功率和输出功率两者之间有一个效率的系数η，即 Po=Pi×η。电动机标牌上所标明的额定功率，也就是额定工况下电动机轴输出机械功率Po。电动机运行时，内部总有一定的功率损耗，这些损耗包括：绕组上的铜(或铝)损耗，铁芯上的铁损耗以及各种机械损耗等。因此输入功率等于损耗功率与输出功率之和，也就是说，输出功率小于输入功率。

效率系数η越大，电动机转换能量的效率越高，说明电动机损耗越小，电动机节约的电能越多。一般交流伺服电动机在额定电压和负载下其效率在90%左右。

电网电能的计费标准单位是千瓦时(KW.h)，即1度电=1KW.h=1 000×Pi×h，式中h是以Pi功率运行的机电设备的时间数(单位：小时)，故考量电能的消耗，除了考量系统的功率P之外，还需要注意的一个因素就是设备在这个功率下运行的时间。

中华人民共和国工业和信息化部2010年发布的QB/T 4007-2010《工业用缝纫机 高速平缝机伺服系统技术条件》8.1条产品铭牌标记的规定如下：


正规厂家生产的工业用缝纫机数控交流伺服系统都有上述铭牌内容，并且不会随意标注，具体数据各厂家按照产品实际测试结果进行标注。

工业用缝纫机数控交流伺服系统的能量转换关系如图1所示，整个系统的输入取自交流市电的电网，铭牌上标示的额定输入功率就是系统在额定工作状态下，整个系统需要从电源引入的功率。众所周知，工业用缝纫机数控交流伺服系统除了交流伺服驱动器(控制器)之外，还有交流伺服电动机、操作面板、脚踏板传感器和停针位置传感器等器件。伺服驱动器、传感器、操作面板等都是一个个电子电路系统，本身正常工作也需要消耗电能，但是所有这些电子电路系统加起来的电流消耗却很小只有毫安级(mA)，而且其工作电源大多是5伏和15伏，对整个系统的电能消耗来说可以忽略不计。伺服驱动器能量主要消耗在电机和机头各电磁铁的驱动控制上，将电能转换成机械能，驱动缝纫机完成各种自动化缝制任务。


图1 鲍麦克斯数控交流伺服系统电能消耗组成框图
以鲍麦克斯新产品AH58系列产品的铭牌为例，铭牌上标示的内容包括：额定输入电压、额定输入频率、额定输入电流、额定输出转速、额定输入功率、额定输出功率和额定转矩等信息，其中AHD58工业用缝纫机数控交流伺服系统(图2)，额定输入功率为700瓦，电机额定工作转速为每分钟5 000转，额定转矩1牛米，额定输出功率550瓦，加上电磁铁驱动控制的电能损耗(平均消耗功率90瓦左右)，则整个AHD58系统的转换效率为：



图2 AHD58-55铭牌
需要特别指出的是，数控交流伺服系统的输入和输出功率都不是一成不变的，也就是说，交流伺服驱动器(控制器)铭牌上标明的额定输入功率700瓦，不是伺服系统一上电就必须输出的功率，系统输出给电动机的功率550瓦也不是系统一上电就输出的机械能，伺服系统输入功率跟随系统的输出功率变化而变化，而输出功率跟随机头负载的变化情况而自适应变化，负载变大，电机输出功率变大，整个系统输入功率就会增大一些；负载变小，电动机输出功率变小，整个系统的输入功率就会变小一些。因此，看到交流伺服驱动器(控制器)铭牌上的输入功率请一定要记清楚这个功率是在额定工况下连续运行测试来的数据，设备实际运行起来之后，负载需要多少电能，系统等效率输出多少电能，这是数控交流伺服系统省电节能的关键所在。

鲍麦克斯AH58系列产品的电动机输出扭矩能力较AH55系列产品的输出扭矩提高了大概30%，将伺服系统输入功率提高是为了加强整个产品的适用性，虽然电动机转矩有提高，但是整个系统的耗电是不会增加的，只有机头负载达到电动机需要输出的这个扭力限值时，才会消耗等量多的电流和功率。

因此，工业用缝纫机数控交流伺服系统AHD50的铭牌标注的“额定输入功率700W”是指该伺服系统在额定输出每分钟5 000转、1牛米的工况下测得的输入功率，而在平常缝纫机的使用过程中，机头转速最高为每分钟4 000～4 500转，伺服系统所控制的电动机输出扭矩的大小根据缝制的面料负载情况自适应调节的。缝料比较厚时，电动机输出电流就大，缝料比较薄时，电动机输出电流就比较小，没有负载(机头不动)的时候，电动机几乎不输出电流，这是伺服系统较离合马达驱动省电的关键因素所在。

普通缝纫机使用离合马达驱动时，这种异步电动机是直接从市电电网取得交流电进入电动机定子线圈的，电动机一上电即开始运转，空载时这种离合马达的转化效率很低，只有踩动脚踏板使离合片咬合才带动机头负载运转输出机械能，其效率随转速和转矩的增加而逐步上升，并且驱动电动机的交流电压有效值和频率是固定不变的，只有电动机内部消耗的电流随着机头负载的增加而增加。

数控交流伺服系统控制的工业缝纫机针对永磁交流伺服电动机的电压和电流都是可控制的，它是将市电交流220伏转换成直流310伏电源后，通过电压逆变器再将直流变换成三相交流电源输出给永磁伺服电动机。观察永磁交流伺服电动机的相电压和相电流波形会发现，其相电压的平均值是随着转速的升高而升高，相电流是随着负载大小的改变而改变，带有交流伺服驱动器的缝制设备除了电动机驱动控制，还有电磁铁等多个电磁转换设备需要驱动，当这些设备动作频繁时，同样要消耗电流，但是与电动机的电能消耗比较还不是关键耗能因素。

综上，带有数控交流伺服系统的工业缝纫机电能耗电情况是与缝制负载有关系的，不是一成不变的。由于交流伺服驱动器(控制器)使用电压和电流都可控制的方式来控制电动机，输出的功率跟随机头负载的情况变化而变化，铭牌标识的额定输入功率是在额定工作状态下才消耗的电能量。系统不在这种额定工况下运行的时候，伺服系统的输入功率就不会超过额定输入功率，会比额定输入功率低很多。比如鲍麦克斯AHD58系统在工业平缝机上以每分钟4 000转的速度，正常的中厚料缝纫过程中，保守估计整个系统消耗的功率最多不会超过450瓦，况且缝制过程是一个时断时续不连续的运行状态，实际反映到电表的电能损耗绝对比离合马达驱动的设备省电很多，厂家可以放心使用。

(来源：中外缝制设备)