菱科變頻器在注塑機(jī)中的應(yīng)用

1 前言 

    半個世紀(jì)以來，塑料已成為工農(nóng)業(yè)和民用主要的材料之一。注塑機(jī)就是一種專用的塑料成型機(jī)械。它利用塑料的熱塑性，經(jīng)適當(dāng)加熱熔化后，加高壓快速流入模腔，經(jīng)一定時間保壓、冷卻，成為各種型材和塑料制品。在注塑機(jī)上推廣應(yīng)用變頻器可以實現(xiàn)節(jié)約電能、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低油污染和噪聲污染，延長機(jī)器使用壽命等優(yōu)點。因此將逐步推廣使用。 

2 注塑機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案 

注塑機(jī)的工作循環(huán)如下: 

    1) 鎖合模:模板快速接近定模板，且確認(rèn)無異物存在時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為高壓，將模板鎖合。 
    2) 注射臺前移:噴嘴與模具緊貼。 
    3) 注射:注射螺桿以一定的壓力和速度將料筒前端的熔料注入模腔。 
    4) 保壓、冷卻:通過此動作，使模腔內(nèi)的塑料制品冷卻成形。 
    5) 預(yù)塑:傳統(tǒng)上應(yīng)用液壓馬達(dá)驅(qū)動螺桿并后退，料斗中加入的塑料粒子被前推，并進(jìn)行預(yù)塑。螺桿后退到預(yù)定位置，停止轉(zhuǎn)動，準(zhǔn)備下一次注射。 
    6) 注射臺后退，開模 
    7) 頂出制品 

以上這些動作在傳統(tǒng)的注塑機(jī)上都是以液壓系統(tǒng)來完成的。由油泵和不同閥門的配合產(chǎn)生不同的壓力方向和流量，提供油缸和液壓馬達(dá)所要求的推動力和移動速度。 
眾所周知，油泵的輸出功率 
Pt=p×Qt=p×V×n (1) 
而油泵的理論轉(zhuǎn)矩: 
Tt=1/2π×p×V (2) 
式中p為壓力，Qt為流量，V為油泵排量(油泵每轉(zhuǎn)排出的油量)，n為油泵轉(zhuǎn)速 
將(2)式代入(1)式得: 
Pt=2π×Tt×n (3) 

    如果忽略機(jī)械能到液壓能轉(zhuǎn)換過程中的能量損失，則可近似認(rèn)為油泵的輸出功率等于電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的乘積。因此可以看出，當(dāng)系統(tǒng)要求低流量時，系統(tǒng)需要的功率其實是非常低的。但是實際情況卻是，由于電動機(jī)始終運行在工頻50Hz狀態(tài)上，并不能根據(jù)實際的需求來降低其轉(zhuǎn)速，從而減小流量。因此多余的液壓油只能通過比例流量閥流回油箱，造成能源的白白浪費。 

    根據(jù)以上事實，德國科比(KEB)公司以此為基礎(chǔ)，在前幾年的實踐應(yīng)用中積累了許多寶貴經(jīng)驗，提出了在注塑機(jī)械上變頻器應(yīng)用的多種節(jié)能方案，并且取得了成功。 

2.1 油泵變頻調(diào)速 
    此種方案采用了KEB F4-F系列閉環(huán)矢量控制水冷變頻器。將控制比例流量閥的電流信號同時輸入給變頻器的模擬量輸入端，通過控制油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，油泵的實際流量正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，油泵的輸出功率因此也正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速(見公式3)，起到了節(jié)能的目的。根據(jù)塑料制品和工藝要求的不同，其整體節(jié)能效果從35%至70%的范圍內(nèi)不等，表1示出不同流量時節(jié)能對比。 

表1 節(jié)能數(shù)據(jù)對比 

    同時與始終運行在工頻轉(zhuǎn)速上的電機(jī)和油泵相比較，伴隨著電機(jī)轉(zhuǎn)速的降低，系統(tǒng)平均音量降低3-5分貝。減少3分貝的噪音可使實際噪音降低50%，因此工廠的環(huán)境和員工的勞動條件得到改善。由于變頻器采用水冷穿墻形式，變頻器主體與散熱片通過電控箱完全隔離，變頻器實際密閉于電控箱中，其防護(hù)等級可由原先的IP20提高到IP54，減小了由于粉塵、油污侵入電子設(shè)備中導(dǎo)致?lián)p壞的可能性，確保了變頻器的使用安全。同時，采用水冷散熱方式，變頻器的功率單元IGBT始終工作在某一設(shè)定溫度范圍內(nèi)有溫控功能，采用水冷方式可使變頻器的平均壽命延長達(dá)到15年以上。 

2.2 電動預(yù)塑機(jī)構(gòu)(電液混合式注塑機(jī)) 

    作為電液混合式注塑機(jī)，是采用電動機(jī)構(gòu)來替代一部分液壓系統(tǒng)，這樣既保留了液壓系統(tǒng)的動力強(qiáng)、響應(yīng)快等優(yōu)點，同時又增加了電動系統(tǒng)的高效率、節(jié)省能源的優(yōu)勢，使機(jī)器本身的性能有了很大的提高。圖2示出電動預(yù)塑機(jī)構(gòu)，是電液混合式注塑機(jī)中最常見的一種方式。它使用了包括水冷矢量控制F4-F變頻器和水冷減速箱電機(jī)(或大轉(zhuǎn)矩電機(jī))，以取代傳統(tǒng)的液壓馬達(dá)。其帶來的優(yōu)點:除了節(jié)約(25%以上)和降低噪音以外(3分貝)，還大大縮減了原有的液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的功率可因此平均降低了30%。相關(guān)的液壓設(shè)備安裝及維護(hù)費用大幅降低。由于使用F4-F矢量控制變頻器，對于預(yù)塑螺桿的速度控制較之液壓馬達(dá)更為精確，故能保證每模注塑量的一致性，使產(chǎn)品的質(zhì)量得到提高。并且電動預(yù)塑機(jī)構(gòu)是一個獨立系統(tǒng)，因此預(yù)塑動作可在開合模時同時完成，對于一些冷卻時間較短的制品，其每模的生產(chǎn)周期可以大幅縮短，從而提高了制品的產(chǎn)量。 

2.3 全電動注塑機(jī) 

    全電動注塑機(jī)方案是在方案二的基礎(chǔ)上，將鎖模機(jī)構(gòu)、落料機(jī)構(gòu)、注射機(jī)構(gòu)等都采用伺服系統(tǒng)，從而徹底拋棄了液壓系統(tǒng)。由于KEB在此方案上采用了直流母線方式連接，當(dāng)任意一個電機(jī)處于減速過程即能量反饋狀態(tài)，其反饋的電能可直接用于其它電機(jī)的運行，而不再是消耗在制動電阻上。此方案又可節(jié)省15%以上的電能。由于沒有了液壓系統(tǒng)，油污染的問題徹底解決，整機(jī)的效率也得到了顯著的提高，產(chǎn)品的精度在幾個環(huán)節(jié)上都得到了保證，比較適用于對產(chǎn)品要求十分高的場合。但目前情況下，初期投資比較大。 

3 油泵變頻調(diào)速方案的探討 

    由于現(xiàn)今在中國對注塑機(jī)節(jié)能改造的方案主要集中于油泵變頻調(diào)速，而針對油泵電機(jī)采用的變頻器，也有幾種不同類型的應(yīng)用。例如:采用開環(huán)通用VVVF方式變頻器，KEB F4-C系列；采用編碼器速度反饋的閉環(huán)矢量控制變頻器 KEB F4-F系列；以及采用無速度傳感器矢量控制變頻器 KEB F5-G系列。現(xiàn)對以上三種不同類型的變頻器在油泵調(diào)速性能方面作一比較，并加以探討。 

1) 使用KEB F4-C開環(huán)通用變頻器 
    普通的VVVF調(diào)速方式，即變壓變頻，當(dāng)頻率與電壓的比率保持恒定，則電機(jī)的磁通不變。由于此種方式?jīng)]有速度反饋裝置，即不能準(zhǔn)確反映電機(jī)的實際轉(zhuǎn)速，而電機(jī)亦采用的是三相異步電機(jī)，轉(zhuǎn)子的實際轉(zhuǎn)速同定子旋轉(zhuǎn)磁場間存在轉(zhuǎn)差，當(dāng)外部負(fù)載發(fā)生變化時，轉(zhuǎn)差率也隨之變化，但變頻器并不能對此進(jìn)行補(bǔ)償，致使油泵轉(zhuǎn)速發(fā)生變化，造成了流量的誤差，直接導(dǎo)致制品質(zhì)量的下降。 

    而且，變壓變頻的另一缺陷在于，當(dāng)輸出頻率為0Hz時，理論輸出電壓也為0V，電機(jī)定子的磁通Фm近似為0，從而影響了電機(jī)的起動特性，加速響應(yīng)相對比較緩慢。雖然可采取低速力矩提升措施加以補(bǔ)償，但動態(tài)響應(yīng)仍不理想。而對于注塑機(jī)而言，往往在完成某些如注射等動作時，需要瞬時提供高壓力、大流量，如采用開環(huán)通用變頻器，其起壓響應(yīng)難以達(dá)到要求，影響注塑壓力。n(t)曲線如圖3所示。 

2) 使用KEB F4-F閉環(huán)矢量控制變頻器 
    KEB F4-F變頻器采用了轉(zhuǎn)子磁場定向的控制方式，即對異步電機(jī)進(jìn)行坐標(biāo)變換，等效成直流電機(jī)的控制方式。在三相坐標(biāo)系下的定子交流電流iA、iB、iC通過三相/兩相變換，可以等效成兩相靜止坐標(biāo)系下的交流電流iα，iβ，再通過按轉(zhuǎn)子磁場定向的旋轉(zhuǎn)變換，等效成同步旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系下的直流電流it、im。im相當(dāng)于直流電機(jī)的勵磁電流，it相當(dāng)于直流電機(jī)中同轉(zhuǎn)矩成正比的電樞電流。由于無論電機(jī)處在什么狀態(tài)，運行或靜止，維持其勵磁電流im恒定，而轉(zhuǎn)矩的大小只要獨立調(diào)節(jié)電樞電流it，故可以使異步電機(jī)始終處于高動態(tài)的狀態(tài)，其從0rpm加速至1000rpm的時間，在無負(fù)載情況下只需不到30ms，改善了變壓變頻調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)性能，對于注塑機(jī)整個運行循環(huán)的跟隨性就可大大提高，以滿足注塑工藝的要求，圖4為n(t)曲線。 

    通過KEB F4-F變頻器對電機(jī)的自學(xué)習(xí)，精確測量了定子的電阻和電感，從而使勵磁電流im恒定，即恒定磁通Фm。再由于電機(jī)轉(zhuǎn)差頻率: 
ωs=K×it/Фm (4) 
即當(dāng)磁通Фm恒定時，矢量控制系統(tǒng)的轉(zhuǎn)差頻率在動態(tài)中與轉(zhuǎn)矩成正比，則定子磁場頻率ω1: 
ω1=ω+ωs (5) 
(ω為轉(zhuǎn)子頻率，由編碼器測得)可以受控。這就意味著，當(dāng)負(fù)載產(chǎn)生波動，變頻器控制部分可迅速計算出實際轉(zhuǎn)差頻率ωs，從而給出定子精確的旋轉(zhuǎn)頻率，使電機(jī)轉(zhuǎn)速保持不變，提高了電機(jī)面對負(fù)載變化的運行穩(wěn)定性。 

3) 使用KEB F5-G無傳感器矢量控制變頻器 

    KEB F5-G變頻器采用矢量控制原理為基礎(chǔ)，同樣通過計算轉(zhuǎn)差頻率ωs，控制定子旋轉(zhuǎn)磁場。但與閉環(huán)矢量控制的區(qū)別在于，其定子電流相位是由內(nèi)部計算得出，而并非靠對定子頻率ω1測量積分得到的實際相位信號。因此，此種方式相比F4-C通用變頻器，可使電機(jī)在低速運行時有更大的轉(zhuǎn)矩(2.5倍以上的額定轉(zhuǎn)矩)，有較好的加減速性能，轉(zhuǎn)矩突變時響應(yīng)也很快。 

    由于此種方式可省去編碼器的安裝，對于注塑機(jī)節(jié)能改造來說，整個系統(tǒng)的改變相對比較簡單，同時又可獲得較高的動態(tài)性能。 

4 結(jié)束語 

    綜上所述，選擇開環(huán)通用變頻器(如F4-C)，由于其響應(yīng)慢，并不適用于注塑機(jī)主油泵的變頻調(diào)速。相比之下，閉環(huán)矢量控制變頻器(如F4-F)因其高動態(tài)性、穩(wěn)定性好等特性，更合適于此應(yīng)用。而無傳感器矢量控制變頻器(如F5-G)，因其安裝方便、變更較少，則適于塑料制品廠的注塑機(jī)節(jié)能改造。