变频调速技术在注塑机上的应用

【资料简介】

变频调速是基于电力电子、微电子、信息技术发展的产物，是提高电机驱动设备性能及节能的一门优异技术。节能是注塑机的主要发展方向，降低动力驱动的能耗是注塑机节能的主要措施。变频调速技术应用于注塑机上，为注塑机的节能开辟了又一条有效的途径。
1、 变频调速技术应用于注塑机上的节能原理
1. 1液压注塑机能耗分析
注塑机从动力驱动分类，分为液压驱动，液电驱动，全电动驱动，气压驱动。目前，大量生产和使用的主要是液压驱动的液压注塑机，变频调速技术主要应用于液压注塑机上。注塑机的加工工作循环周期，一般分为低压移模、高压锁模、高压开模、变速（压）注射、多级压力保压、多级速度塑化、顶出（退）、制品冷却、抽芯、制品取出等几个阶段，液压注塑机的各个阶段所需的工作压力与工作流量相差很大，处于周期性的不断变化负载的工况，而且，各个工作阶段，各执行机构所需的流量和压力相差很大，例如，塑化阶段，一般需要系统的zui大流量，当制品冷却时间超过塑化时间，在这一段冷却时间阶段内，不需要系统的动力供给。在成形工作循环中，动力机构输出的多余的液压油通过溢流阀回流到油箱，特别是所需高压小流量的工作阶段，大量的高压油通过溢流阀回流，激烈的摩擦能转变为噪音和热能，提高了油温，浪费了大量的能量，此过程造成的能量损耗一般占整机能耗的35%到65%。
注塑机的工作循环周期执行机构能耗N1可用下式表示；
N1=（∑P1.Q1）/ ∏1 （1）
式中：P1：工作循环周期各阶段工作压力 MPa；
Q1：工作循环周期各阶段工作流量1/min
∏1：执行机构效率。
注塑机动力机构能耗N2可用下式表示：
N2=（∑P2.Q2）/∏2 （2）
式中： P2：提供给工作循环周期各阶段工作压力和管路损耗压力MPa；
Q2：输出流量1/min
∏2：动力机构效率，对液压驱动的注塑机而言，包括电机效率和液压效率。注塑机能耗效率∏：
∏=（N1/N2）100% （3）
从（1）、（2）、（3）式可以看出，提高能耗效率，zui主要的途径是使注射成形各个阶段动力机构输出的能量与执行机构所需的能量两者基本相等，其次是提高执行机构、液压元件，动力执行机构等效率。工作压力由工作负载所决定，在设定的每个阶段的压力下工作，动力机构根据执行机构所需工作压力提供压力，减小系统压力损失，是提高压力利用效率的有效措施。提高动力机构输出的流量损失，即使动力机构输出的流量尽量与执行机构所需的流量相匹配，是提高能量利用率的zui有效的措施。
1. 2变频调速技术应用于注塑机节能分析
目前，液压注塑机动力输出机构一般由定量液压泵和双比例（比例压力及比例流量）阀等组成，执行机构所需流量由比例阀设定输出，其能耗与定量液压泵和普通阀组成的系统基本上差不多。由上节分析可知，注塑机节能zui有效的措施是动力机构和执行机构两者之间流量的自适应调节匹配，变频调节技术通过调节液压泵的转速，使动力机构的性能类似于比例泵节能系统，达到动力机构输出的流量与执行机构的流量相匹配，使流量的损失降到zui低，即提高了能量利用率，达到了十分显著的效果。
变频降低能耗的*。由流体力学可知，耗电功率与其转速近似成立方关系，当要求调节流量Q下降时，转速成比例下降，液压泵的轴输出功率近似立方关系下降，转速下降20%，则功率下降到51.2%；转速下降50%，则功率下降到12.5%，例如，55kW的电机，当转速下降到原转速的1/2时，其耗电量仅为6.75kW；当转速下降到原转速的4/5时，其耗电量为28.16kW。
动态功率因素补偿节能。普通液压注塑机的电机的功率因素COS￠在 0.6至0.8之间，应用了变频调速装置后，由于变频器内滤波电容的作用，使得COS￠≈1，从而减少了无功损耗，增大了电网有功功率。
软启动节能。变频器的软启动功能使电机的启动电流从零开始，zui大值为电机的额定电流的1.5倍，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求。
延长密封件使用寿命。应用变频调速系统后，液压油温下降10-18摄适度，延长了密封件使用寿命。
2、 变频调速应用于注塑机的需注意的几个技术问题
2.1 变频器类型的选型
注塑机的负载性质是恒转矩类，机械特性较硬，动态特性要求较高，所以应选用V/F控制、磁通矢量控制高性能变频器或注塑机变频器。无速度传感器的矢量控制方法，实现了在不增加硬件的情况下，可根据电机的数学模型，实时计算、调整电机的即时工作状态，达到较高的控制精度。注塑机变频器是在通用变频器的基础上增加了0~1A信号转换环节，提高了使用性能。变频器的加速和减速时间一般为1秒。
2.2变频器容量的选择
液压泵驱动电机工作状态的zui大负载电流作为选择变频器额定电流的依据，一般塑化的负载电流为zui大，也可根据电机额定电流的1.8至2倍作为选择变频器额定电流的依据。变频器和控制电机两者的电压等级应相符。矢量变频器的容量应比注塑机变频器的容量大一挡，V/F控制的变频器选得更大一些。
2.3变频器信号提取点
取双比例阀的流量信号（0~1A），经变换为4~20mA或0~10V的信号送到变频器的相应端口上。流量信号取相对值较大的作为控制信号，以扩大调节范围。压力信号相对值变化较小，对变频器频率的调节范围小一点。如果变频器的调节范围不能满足成形工艺的需要，可用变频器的"频率增益"功能来调整。
2.4变频器的抗干扰措施
变频器输出电流中含有高次谐波，会对注塑机的电子电路产生干扰，zui易受干扰的是温度控制仪表，所以，安装变频器应做好抗干扰措施。变频器的输入端加装变频器滤波器、电抗器。给微机控制板输入端加装EMI滤波器、共模电感、高频磁环等。引入变频器的控制线要作屏蔽处理。机壳要可靠接地。不要使变频器的输入输出电缆与变频器的控制信号线平行或捆绑在一起。
2.5 电机散热
用变频器驱动后，温升会增加10%。普通电机转速降低后，自带的风扇转速变慢，散热效率降低。为提高散热效率，加装恒速散热风机。
2.6变频调速对液压泵的要求
为适应低转速的要求，应选用高压齿轮泵。叶片泵在转速低于500r/min，压力和流量极不稳定，使用寿命大大降低，甚至于不能工作，达不到系统的性能要求。
3、 变频调速技术需进一步研究的问题
变频调速技术应用于注塑机上是实现节能的有益的尝试，并取得了一些成绩，但离全面的推广应用，还有一段较大的距离。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比例泵节能系统的两者的性能来看，两者的节能相差不多，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，这是变频调速技术不能在注塑机上迅速推广应用的主要原因。针对变频调速技术在注塑机上应用出现的问题，不断探索研究寻找解决方案，提高适应注射成形的性能。
提高应答反映性能。注射成形各阶段频繁的速度变化，使液压泵驱动电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800ms~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*配合，以达到提高应答反映性能。
4、 变频调速技术在注塑机上应用
变频调速在各液压执行机构液压油流量变化大的注塑制品加工上应用，充分显示出了节能的优势。
4.1单泵驱动液压注塑机上应用

从双比例阀取出0~1A的流量信号作为变频器的速度调节信号，由于调节回路中没有给定信号，所以控制还是属于开环控制方式。
下表（1）是某一公司的一台4500kN合模力注塑机安装变频器前后的能耗比较情况。驱动液压泵电机功率45kW，成形制品为音箱外壳，制品重量200g，一模二件，合模为28s，开模为3s，注射为8s，顶出为5s，顶退为4s，冷却为38s，整个成形周期为58s。选用安邦信AMB-G7系列高性能通用变频器。
工频能耗与变频能耗比较表
类型 工频恒速（定量泵） 变频调速（定量泵）
测试次数 耗电 模数/件数 耗电 模数/件数
1 426kwh/12h 810/1620 235kwh/12h 810/1620
2 428kwh/12h 811/1620 233kwh/12h 811/1620
3 425kwh/12h 809/1620 231kwh/12h 809/1620
均值 35.5kwh/h 810/1620 19.4 810/1620
结论 变频调速比工频调速平均节电率为45.3%
4.2多泵驱动液压注塑机上应用
中、大型注塑机多为多泵驱动，以达到节能。一个电机驱动二个泵共用一个双比例阀的系统，其变频调速控制同单泵驱动的注塑机。多电机驱动的多泵组合叠加系统，一般一个小泵为比例流量控制，其余泵根据各工作阶段流量需要与比例小泵组合工作，这种系统，用一台变频器驱动比例小泵，变频器的调节信号取自小泵的流量比例阀，其余驱动液压泵的电机，分别用另外的变频器控制，不过这些变频器对电机不作调速控制，仅起到起动及停止的控制。
4.3提高特种注塑机性能上的应用
宁波海航塑料机械制造有限公司自主开发了KH-50000节能托盘注塑机。该特种注塑机的注射塑化机构不同于常规的同规格的注塑机的注射塑化机构，塑化为一独立机构，在整个成形周期过程中不间断工作，要求塑化量与制品成形周期相匹配。为达到这一性能，有两种方案，一种是通用的低速大扭矩液压马达直接驱动螺杆塑化，另一种是电机带动减速机驱动螺杆塑化，前一种机构塑化转速控制，但需增加液压系统装载功率，能耗效率不高，后一种机构能耗效率高，采用变频调速后能达到更地控制塑化转速，并能根据加工不同的塑料更方便快速地调节塑化转速，并大幅度降低了整机装载功率及液压油的供给量。采用了变频调速技术后，达到了塑化量与注射量相匹配的性能要求。
4.4提高电网利用率上应用
注塑机根据其工况特点，驱动液压泵的电动机按超载近2倍进行配制，并且由于普通的Y/Δ启动电流约等于3倍的额定电流，所以电网的容量也作相应的配制，以满足工作要求。电网的能力得不到充分利用。变频器的软起动功能使启动电流从零开始，zui大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电容量的要求，提高了电网的电能的利用率。变频器内滤波电容的作用，功率因素COS≈1，减少了无功损耗，增大了电网的利用率。由于变频器的应用，提高了电网的利用率，使电网可容纳更多的设备。深圳某塑胶企业原有注塑机10台，后又增加5台，电网容量不够。解决这种状况，常规采用的方法是增加变压器的容量，但这需要较大的投资，而且增加了无功能耗。该公司对其中的7台台模力为1800kN的注塑机改造为矢量控制变频器调速控制系统，改造后的总线电流由改造前的760A下降为670A，达到了在不增加电网容量情况下保证了生产的正常运行。
5、 变频调速技术在注塑机上适用范围
注塑机是否采用变频调速，主要看加工制品的要求。变频调速节能的本质就是在电机转速低于设置的zui高转速情况下起到节能效果，低速的运转时间越长，节能的效果越明显。厚壁制品的保压时间及冷却时间长，是应用变频调速设备的。相反，高速注射成形，不用保压，冷却的同时进行塑化，低速运转的时间很少，应用变频调速的节能有限，从经济上考虑不合算，采用工频控制定量泵进行生产。
变频调速很适用于旧机改造，由数控提供所需频率，安装变频调速装置比定量泵改为变量泵要简单很多，改装成本也不高，而且能迅速取得显著的节能效果与经济效益。
现在的普通注塑机基本上采用叶片泵，叶片泵的zui低转速为500r/min，如低于这转速，会大大降低使用寿命。采用变频调速系统，液压泵应采用齿轮泵。
根据变频调速的特点及投入的改造资金等方面综合考虑，变频调速系统适宜在单泵或双联泵驱动的中小型注塑机上应用。
6、 变频调速节能与比例泵节能
变频调速节能与比例泵节能，两者各有特点，共同推动注塑机节能技术的发展。变频调速节能是近年来开发的一门新技术，还处于推广应用阶段，比例泵节能是一门上得到广泛应用的技术。变频调速主要用于注塑制品企业注塑机节能改造上，比例泵节能主要应用于注塑机制造企业的注塑机产品上。
7、 结语
变频调速运行可靠，操作简便，成本低，经济效益和社会效益显著，值得在注塑机上推广使用，当然，还有一些问题需要我们去进一步研究解决。