注塑机伺服电机如何节能（上）

【资料简介】

    除了塑料以外，电费是注塑成品的zui大成本，有必要节约。 

    节能的本质: 注塑机要产生如锁模及注塑等动作，亦要产生热量将料筒内的塑料加热/塑化。动能及热能的节约，只能从减少浪费着手，别无它法。让我们先温习热力学的两大定律。

    热力学*定律: 热力学的*定律就是能量守衡。在能量的转换中，能量只从一种型态变做另一种型态，但转换之前及之后的能量是相等的，既没有增加也没有减少。

    热力学第二定律: 热力学第二定律认为在转换过程中，热熵（entropy）只会增加，不会减少。热熵这个概念很难用几句话讲得清楚。对于这个讨论来说，第二定律可以简化为“无用”输出能量就是热能。

    异步电机: 传统的注塑机是用异步（鼠笼式）电机来驱动油泵的。异步电机的定子在三相电的驱动下产生旋转磁场。以四极定子及50 Hz 的供电为例，磁场以1500 rpm 的速度转动。

    转子上有多条斜放的铜枝，它们都是在末端短接的。鼠笼由此得名。在旋转的磁场下，铜枝上感应出电流。电流与磁场相互作用下产生扭力，转动转子。转子的转速比旋转磁场低20~60 rpm，故称为异步（非同步）电机。

    矽铁片重叠起来支撑着转子的铜枝及定子的线圈。

    异步电机将电能转换为动能。在转换过程中，由于线圈的电阻、涡流在矽铁片中的产生及轴承的摩擦，输出的“有用”动能只是输入电能的9成左右（在满载时），其他便转换为热能。故电机都会自带风扇，将热能带走，以免电机过度升温。

    异步电机都能短暂过载达两倍。过载时，电流增加，故发热也增加。在没有过载保护之下，线圈会烧毁。

    油泵: 油泵将旋转的动能转换为液能（压力及流量）。油泵内的摩擦力会降低输出压力。油泵的内漏会降低输出流量。故输出的（有用）液能是比输入的旋转动能低，而无用的热能便跑到压力油去，使其升温，是注塑机为何要安装压力油冷却器的原因之一。

    油马达、油缸：油马达及油缸分别将液能转回旋转动能及线形动能，来驱动如螺杆的塑化及注射动作。如油泵一样，转换过程中产生了热量，提高了油温。

    油管: 压力油在油管内流动，在管接头处转弯，都会与管壁及自相摩擦而降低了压力，产生了热能。廉价的注塑机都会用小的管径来降低成本，但必然便提高了油在管内的流速，摩擦的损失增加，油温便升得更高，便浪费更多的能量。

    定量泵为何耗能？

    用恒定转速的异步电机来带动定量泵，油泵是输出恒定的流量的，但注塑周期中的各个动作，如开合模、顶出、塑化、注射及保压，甚至待机状态对流量的要求都不同。动作用不着的流量便在当时的设定压力下流回油箱。所需动作越慢，流回油箱的量越多，浪费的能量便越多。同样，设定的压力越大，流回油箱的浪费便越大。浪费了的能量都变为热能，将油温提高。

    在注塑周期中，保压所需的油量很低，因螺杆前行的速度只需要足够*成品冷却时的收缩量，估计不会超过油泵流量的5%，那油泵95%以上的流量便在保压压力下流回油箱。成品壁厚越大，保压时间便越长，浪费的能量便越多。从另一角度看，可以节能的幅度便越大，或节能的额外投资的回本期越短。

    一般来讲，当动作的速度离全速越远、动作的时间越长、压力越大，潜在节能的幅度便越大。

    变量泵如何变量？

    从以上得知，节能的钥匙在于能够改变流量。变量泵能提供从零到zui大的流量，而且是在异步电机恒速转动下能提供的。

    zui常用的变量泵采用斜盘轴向柱塞设计。当斜盘的角度是零（zui大），柱塞的排量便是零（zui大）。按流量的需要将斜盘的角度改变，从而达到流量的调节。

    变频器如何变量？

    变频器改变交流电的频率，将市电的50 Hz变为5 ~ 50 Hz，使异步电机的转速在10% ~ 100%中改变。配上定量泵后，油流量便在10% ~ 100%中改变。

    由于变频器是一台强电流电子设备，它本身亦消耗电能，故节能效果较变量泵逊色。

    异步电机的设计是为了恒速使用的，便没有考虑转子惯性的优化。转子每次加速减速如需要0.1秒，一个周期内不下20次的变速便需要2秒。一般用家都会发觉变频器的使用拖慢了生产率，再降低它的吸引性。

    定量泵多数是叶片泵。叶片泵利用离心力将叶片压紧泵壳做成密封，才能将油泵出来。当转速降下来时，离心力也降下来，故在低流量时，内漏增加，油泵的效率下降。

    其实变频器只是在注塑机翻新改进时加进去，因只涉及接线的改动，比定量泵改为变量泵的工夫少及简单很多。新购买注塑机时是不会用定量泵配变频器的。

    伺服电机

    伺服电机是为加速减速优化的。伺服电机如何能在维持扭矩之下降低惯性？原来是利用了以下的物理关系。（∝是代表“正比于”的数学符号。）

扭矩 ∝ 转子直径 （线性比例）
惯性 ∝（转子直径）2 （平方比例）
扭矩 ∝ 转子长度 （线性比例）

    平方比例较线性比例提升得快。如转子直径增加20%，（转子直径）2便增加44%（1.22 = 1.44）。

    伺服电机的转子设计用小直径来降低惯性，再以长的转子来回复失去的扭矩。伺服电机的外观也明显看见是直径小但长度大的。

    某日本供应商采用钕（neodymium）磁铁（是稀土磁铁的一种）来产生转子的磁场，比一般的铁氧体磁铁（ferrite magnet）强，故扭矩便能提高。此供应商更采用了磁阻扭矩（reluctance torque）来产生额外的扭矩。

    采用永磁来产生磁场亦比用电磁或电感产生磁场的效率更高，因为就避免了线圈的损失及涡流的损失。

    伺服电机从0 rpm速到2000 rpm，只需要0.05 秒。因此，用变速伺服电机来驱动油泵，拖慢生产力的情况只在短于5秒周期时才能察觉。

    伺服电机在制动时变了发电机，驱动制动电阻，而动能则在制动电阻上变为热能，散发在大气中。有瑞士注塑机厂在其全电机中采用储能电池吸收了制动的动能，然后释放出来驱动电机。这充分体现了节能的本色：利用额外的设备来节省（在这里应称为回收再用）能源。

全电机

    全电机的省电效果是*的。全电机的驱动也是用伺服电机的，只不过它zui少用四个伺服电机来直接驱动注射、塑化、开合模及顶出动作。其余的动作如抽芯/旋脱，射台及调模有用伺服电机，亦有用较便宜的电机来驱动。

    直接驱动采用螺丝或曲臂将旋转的动能变为线性的动能，或采用皮带或齿轮将高速的旋转动能变为低速的旋转动能。

    伺服电机驱动油泵，油流过管道到达油缸或油马达，再转换为动能与全电机比较，直接驱动节省了两个转换过程，估计可节约10%的能量。两者之间的比较，表列于后。

待机状态

    启动了注塑机的电机后而注塑机没有动作的状态称为待机状态。

    在以下的情况下，注塑机是处于待机状态的。

    1. 当冷却时间比塑化时间长，多出来的冷却时间中，注塑机是处于待机状态的。产品越厚，待机状态时间便越长。
    2. 机械手取出成品/水口时。
    3. 半自动操作时操作员打开安全门取出成品/水口或插件时。

    异步电机驱动变量泵在待机状态时是恒速转动但没有流量的，但在一台11 kW的注塑机上测出电机的电流是7 A，比11 kW电机的24 A额定电流是一个大的比例（29%）。

    伺服电机驱动变量泵在待机状态时是不转动的。虚耗的只是伺服电机（电子）驱动器的能量。以11 kW伺服电机为例，电流不到1 A。

    油温作指示

    伺服电机驱动油泵的节能效果，从压力油油温可见一班。

    采用一台50吨注塑机注塑单腔的航空杯，在华南的夏季及没有压力油冷却的条件下，油温只有37度摄氏。

    如压力油的升温是节能的指示，这一点是连异步电机驱动变量泵都*的。

    电机效率

    效率是输出功率除以输入功率的比例。

    效率 = 输出功率/输入功率

    电机的输入功率是用电的功率。

    在理想的没有损失的情况下，输出功率等于输入功率，效率便等于100%。损失了的功率变了热的功率。

    异步电机在额定负荷时效率约90%，但在负荷低于50%时，效率大幅下降，也就是前述的待机状态消耗29%额定电流的原因。

    有英国公司提供“节能宝”在异步电机低负荷时降低供应电压，从而减少铜线圈产生过量的磁通，降低损失，达节能之效。留意电机的转速不变，故不影响注塑周期。

    能节能多少？

    据某伺服电机供应商的资料，伺服电机驱动油泵比传统定量泵节能60%，比变量泵节能40%。

    另一供应商则声称节能50%以上。

    其实能节约多少与产品的壁厚，模具是否用冷流道、保压时间、待机时间都有关系，是不能一概而论的。

    大致来讲，壁厚越大，伺服电机的节能便越多。壁厚大时，保压时间便长，待机时间亦长，便能更节约。瓶坯的注塑便属于这类。如冷流道的直径大于壁厚，冷却时间便由流道直径来支配。

    相反，薄壁产品（热流道模具）的保压时间短，甚至是0，而冷却时间也是0，伺服电机的节能便有限。达明推荐周期5秒或以下的薄壁饭盒（壁厚0.5mm）采用异步电机驱动定量泵注塑机来生产，因周期大部分以全速全压进行，能节省的浪费有限。甚至伺服电机的加速减速会延长了注塑周期。

    周期5-8秒的产品，可以用异步电机驱动变量泵注塑机来生产。

    周期8秒以上的产品、冷却时间比塑化时间长、注射时间超过3秒、螺杆转速在70%以下、采用机械手取出、采用半自动操作都推荐使用“节能宝”或伺服电机注塑机来生产。