注塑機(jī)的變頻節(jié)能調(diào)速

   一、前言：
　　從50年代推出了螺桿式塑料注射成形機(jī)至今已有50多年的歷史。目前在工程塑料加工業(yè)中，80%采用注射成型。塑料顆粒（ABS，聚乙烯，改型聚苯乙烯等）在注塑機(jī)料筒內(nèi)進(jìn)行多段加熱器加熱融蝕后，經(jīng)螺桿攪拌增壓后注射入模具腔內(nèi)，保壓冷卻成形，完成一個(gè)工件的加工過(guò)程。對(duì)于塑料加工，注塑機(jī)完整的工藝流程為，合模--鎖模—注射—保壓—冷卻—脫模—開(kāi)模。其中保壓和冷卻，脫模和開(kāi)模是同時(shí)進(jìn)行的，即保壓過(guò)程中，模具在通水冷卻；在開(kāi)模的過(guò)程中，模具內(nèi)的脫模頂針由隱蔽處逐漸后伸出，使附注在模具上的工件脫落,開(kāi)模到位后一個(gè)加工過(guò)程結(jié)束。不論大，中，小型注塑機(jī)，其工藝流程都是相同的。目前絕大多數(shù)的注塑機(jī)都是液壓傳動(dòng)的注塑機(jī)，以上的工藝動(dòng)作過(guò)程所需要的動(dòng)力，均由液壓系統(tǒng)中的油泵提供，油泵又有變量泵和定量泵之分。在注塑機(jī)工作時(shí),一個(gè)工作周期中各個(gè)工序的負(fù)荷變化很大，液壓系統(tǒng)所要求的流量和壓力是不同的，生產(chǎn)油泵時(shí)已經(jīng)考慮了這種變化，當(dāng)液壓系統(tǒng)需要的流量和壓力變化時(shí)，油泵的供油量自動(dòng)地增大或減小來(lái)與以適應(yīng)，這種油泵就是變量泵，不需要再用變頻器進(jìn)行調(diào)速控制。廣泛使用的另一種油泵是定量泵，它的供油量是恒定的，注塑機(jī)工作過(guò)程中流量和壓力的變化是靠流量比例閥和壓力閥來(lái)調(diào)節(jié)的，多余的油量經(jīng)溢流閥流回油箱。這樣，加劇了閥門和油泵的磨損，造成油溫升高，電機(jī)噪聲過(guò)大。另外，從注塑機(jī)的設(shè)計(jì)看，通常在設(shè)計(jì)時(shí)油泵都要留有余量，一般考慮10%~15%，但油泵的系列是有限的，往往選不到合適的油泵型號(hào)時(shí)就往上靠，存在嚴(yán)重的“大馬拉小車“現(xiàn)象，造成電能的大量浪費(fèi)。因此，對(duì)定量泵的注塑機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，節(jié)約電能，提高經(jīng)濟(jì)效率具有重要的意義。
         二、注塑機(jī)節(jié)能分析
　　根據(jù)注塑機(jī)的工藝過(guò)程，畫出系統(tǒng)油壓P與時(shí)間t的關(guān)系圖如圖一

        由圖可見(jiàn)，合模和脫模，開(kāi)模系統(tǒng)所需油壓較低，且時(shí)間較短；而注射，保壓，冷卻系統(tǒng)所需油壓較高，且時(shí)間較長(zhǎng)，一般為一個(gè)工作周期的40%~60%，時(shí)間的長(zhǎng)短與加工工件有關(guān)；間歇期更短，這也與加工工件的情況有關(guān)，有時(shí)可以不要間歇期。以上的圖只是一種簡(jiǎn)單的近似表示，實(shí)際上，如果注射的螺桿用油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，注射時(shí)的系統(tǒng)油壓會(huì)高一些。注塑機(jī)加工工件的重量，從數(shù)十克到數(shù)萬(wàn)克不等，最大注塑機(jī)已到92000克。因此，注塑機(jī)就有中，小型和大型之分，加工數(shù)十克的小工件和加工數(shù)千克的大工件一個(gè)周期的時(shí)間也是不相同的；就是對(duì)同一臺(tái)注塑機(jī)，加工工件的原料不同，各段工藝流程中所需的壓力和時(shí)間也是變化的。這些工藝參數(shù)的設(shè)定，是由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)的情況制定的。
　　從圖一可見(jiàn)，一個(gè)周期工作流程中，負(fù)載的變化導(dǎo)致系統(tǒng)壓力變化比較大，但油泵仍在50Hz運(yùn)行，其供油量是恒定不變的，多余的液壓油經(jīng)溢流閥流回油箱，做無(wú)用功，白白地浪費(fèi)了電能。對(duì)油泵進(jìn)行變頻調(diào)速，將定量泵改變?yōu)轭愃谱兞勘玫奶匦浴Ｏ到y(tǒng)所需壓力較高時(shí)，油泵電機(jī)50Hz運(yùn)行，所需壓力較小時(shí)，變頻器降頻運(yùn)行。電機(jī)輸出的軸功率與油泵的出口壓力和流量的乘積正比，油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，輸出軸功率降低，就可以達(dá)到有效節(jié)能，一般節(jié)電率在20%~50%。
　　三、注塑機(jī)變頻節(jié)能調(diào)速改造方案：
　　使用液壓系統(tǒng)的注塑機(jī)，有立式和臥式之分。數(shù)十克的立式注塑機(jī)，油泵采用一個(gè)齒輪泵，電機(jī)的容量也較小，電器控制電路也較簡(jiǎn)單。改造時(shí)，將變頻器接入電機(jī)的供電回路，再將流量比例閥的信號(hào)(0~1A)，經(jīng)變換為4~20mA或0~10V信號(hào)送到變頻器的相應(yīng)端口上，這樣，隨著加工過(guò)程的變化，液壓油的流量也在變化。一般來(lái)說(shuō)，取相對(duì)值變化較大的流量信號(hào)做控制信號(hào)較好，控制信號(hào)變化對(duì)變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍大一些；而壓力信號(hào)相對(duì)值變化較小，對(duì)變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍小一些。如果變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍不能滿足工藝要求，可用變頻器的功能“頻率增益”來(lái)調(diào)整。如果使用希望森蘭BT40S變頻器，功能碼F27，頻率增益的調(diào)節(jié)范圍50%~200%。注塑機(jī)專用變頻器就是在通用變頻器的基礎(chǔ)增加了0~1A信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使用起來(lái)更方便些。
　　60克以上的都是臥式注塑機(jī)，60克~500克的注塑機(jī)，有的是一個(gè)油泵，也有的是二個(gè)油泵。一個(gè)油泵注塑機(jī)的改造和立式注塑機(jī)的改造是相同的。仍然是從流量比例閥取出0~1A的信號(hào)作為變頻器的速度調(diào)節(jié)信號(hào)，雖然速度調(diào)節(jié)信號(hào)是由液壓回路元件反饋到變頻器，但調(diào)節(jié)回路中沒(méi)有給定信號(hào)，因此控制還是屬于開(kāi)環(huán)控制方式。也是因?yàn)楣?jié)能的原因，大中型注塑機(jī)的油泵可能不止一個(gè)，如三菱850-MM,1300-MM,1800-MM,2000-MM注塑機(jī)均有三個(gè)油泵。對(duì)應(yīng)注塑工藝流程，在合模階段，所需的系統(tǒng)壓力較低，這時(shí)只有1#油泵工作，到鎖模階段所需的系統(tǒng)壓力較高時(shí)，2#油泵再投入工作，在注射階段所需的壓力最高，三臺(tái)油泵同時(shí)投入工作，脫模開(kāi)模所需的壓力較低，再分別停止3#，2#油泵工作。只要開(kāi)機(jī)，1#油泵就一直運(yùn)行。用三臺(tái)小油泵按不同的工藝階段間斷工作，比用一臺(tái)大泵一直在運(yùn)行要節(jié)能。具有二個(gè)以上油泵的注塑機(jī)如何改造？這里以三菱1800-MM注塑機(jī)的改造為例加以說(shuō)明。三菱1800-MM注塑機(jī)有三個(gè)45KW油泵電機(jī)，用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)1#油泵電機(jī)，變頻器的調(diào)節(jié)信號(hào)取自注塑機(jī)流量比例閥，這樣，此變頻器的頻率就隨注塑機(jī)液壓油的流量的改變而變化。另外二個(gè)油泵電機(jī)，可以分別用二臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。不過(guò)這二臺(tái)變頻器對(duì)電機(jī)不進(jìn)行調(diào)速，只作兩位式的控制，即起動(dòng)和停止。控制變頻器的起動(dòng)和停止信號(hào)，取自于原來(lái)該油泵電機(jī)的起動(dòng)和停止信號(hào)。變頻器的上限頻率設(shè)定在50Hz以下，具體設(shè)定值與加工的工件尺寸，材料，料筒的溫度等因素有關(guān)。如果變頻器運(yùn)行頻率低于50Hz，就可以節(jié)能。實(shí)際上，注塑機(jī)設(shè)計(jì)時(shí)都留有余量，加工工件尺寸，材料的變化所需的油壓也要隨之變化。如果注射的壓力過(guò)大而鎖模力不足，會(huì)使工件出現(xiàn)飛邊；若注射力不足，模具腔內(nèi)塑料會(huì)注不滿，工件報(bào)廢；保壓力不足時(shí)，工件中塑料比較厚的地方會(huì)出現(xiàn)收縮。本例二臺(tái)變頻器的運(yùn)行頻率為37Hz，注塑機(jī)的節(jié)能率達(dá)23%。
　　四、注意事項(xiàng)：
　　1.變頻器的選型
　　注塑機(jī)的油泵普遍使用的是葉片泵和柱塞泵，機(jī)械特性為恒轉(zhuǎn)矩，選用具有恒轉(zhuǎn)矩特性的變頻器，V/F控制或矢量控制變頻器均可，也可選用注塑機(jī)專用型。考慮到注塑工藝各階段的時(shí)間有一定要求，變頻器的加速和減速時(shí)間要短，一般為1秒，變頻器的容量就要適當(dāng)加大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，矢量控制變頻器選大一檔，V/F控制的變頻器選得更大一些。為防止過(guò)載燒電機(jī)，調(diào)試變頻器時(shí)，注意設(shè)定好電子熱繼電器功能。
　　2.備用系統(tǒng)
　　注塑機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造時(shí)，保留原有的工頻起動(dòng)回路作備用，這樣一旦變頻器有故障，還能用工頻起動(dòng)油泵電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。
　　3.變頻器對(duì)注塑機(jī)數(shù)字儀表的干擾
　　現(xiàn)在注塑機(jī)上廣泛使用是交-直-交變頻器，其輸出電流中含有諧波成分，可能會(huì)對(duì)注塑機(jī)產(chǎn)生干擾，最易受干擾的是溫度控制儀表，因此，在安裝變頻器時(shí)需要注意的是：
　　（1）變頻器需加裝輸入和輸出電抗器
　　（2）也為了避免相互造成干擾，引入變頻的控制線要作屏蔽處理。信號(hào)最好采用4~20ma電流信號(hào)。
　　（3）變頻器機(jī)殼要可靠接地。
　　（4）變頻器安裝在注塑機(jī)內(nèi)部時(shí)，特別要關(guān)注通風(fēng)散熱。
　　4.電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后的溫升
　　電機(jī)用變頻器驅(qū)動(dòng)后，溫升會(huì)增加10%，電機(jī)速度又降低后，自帶的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，散熱效率減低，溫升還會(huì)增加；但是，考慮到油泵是間歇工作的，溫升也不會(huì)增加多少。在我們做過(guò)的注塑機(jī)改造中，有的在電機(jī)上加了恒速風(fēng)機(jī)，有的也沒(méi)加，加與不加恒速風(fēng)機(jī)，根據(jù)電機(jī)工作時(shí)的溫度來(lái)決定。
　　五、結(jié)語(yǔ)
　　對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速，主要的目的在于節(jié)能。從小型，中型到大型注塑機(jī)都可以加裝變頻器進(jìn)行節(jié)能改造。改造之初，涉及到節(jié)能效率的估算。注塑機(jī)節(jié)能主要與注塑工藝過(guò)程相關(guān)，做出一個(gè)準(zhǔn)確的計(jì)算的困難的，一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)改造，一個(gè)油泵電機(jī)的注塑機(jī)節(jié)能在30%~50%之間，多個(gè)油泵電機(jī)的注塑機(jī)節(jié)能在15%~30%之間。另外，油泵速度的降低減少了機(jī)械的磨損，間接的經(jīng)濟(jì)效益也不可小視。