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淺談注塑機節(jié)能省電的改造方法
一． 塑料行業(yè)在國內(nèi)的發(fā)展形勢
現(xiàn)在人們已公認一個國家或地區(qū)塑料的人均年消耗量及塑料工業(yè)在國民經(jīng)濟中所占的地位是反映工業(yè)發(fā)展與進步的重要標志之一。中國塑料資源豐富，21世紀初主要合成樹脂年產(chǎn)量達1.4萬噸，排世界第4位。并且中國合成樹脂的產(chǎn)量還在以5%~10%的速度增長。中國又是塑料消費大國，據(jù)統(tǒng)計，其年消耗量占世界第二，僅次于美國，而中國的人均消費僅為19kg，在世界排名第32位，是工業(yè)發(fā)達國家的11%~20%，可見中國的塑料工業(yè)還要大發(fā)展，塑料機械前景廣闊。根據(jù)塑料制品的市場分析，目前中國塑料機械行業(yè)產(chǎn)值每年約100億元，而國內(nèi)市場需求約200億元，還有很大空間，注塑機的需求也逐步由南方向北方擴散，同時也帶將帶動塑料工業(yè)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
二． 變頻改造在注塑行業(yè)發(fā)展趨勢
近幾年塑料行業(yè)發(fā)展越來越迅速，其中注塑行業(yè)也正迎來一個飛速發(fā)展的機遇。但同時行業(yè)內(nèi)的競爭也日漸激烈，各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外，也越來越重視生產(chǎn)成本的控制。從注塑機工藝過程知道，在注塑成型產(chǎn)品成本中，電能消耗成本占了很大的比例，因而能否有效減少電能損耗，受到了各注塑機廠家和用戶的關(guān)注。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的推廣，變頻調(diào)速在傳動控制和節(jié)能領(lǐng)域已日漸得到了廣泛應(yīng)用，尤其在泵類負載場合采用變頻控制節(jié)能效果顯著。本文以四方注塑機專用型變頻器為例，介紹了注塑機變頻改造的可行性和改造中常出現(xiàn)的問題及相應(yīng)處理方法。
三． 注塑機變頻改造可行性
3.1 注塑機基本概況及成型工藝過程
普通注塑機通常采用液壓傳動，其結(jié)構(gòu)包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動裝置和電氣控制裝置，后者的作用是保證注塑機預定工序的要求（壓力、速度、溫度、時間、位置）和動作程序準確有效地工作。
在傳統(tǒng)的注塑機中液壓傳動裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動作油缸、油泵電機及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機帶動油泵提供。其中，油泵絕大部分是定量油泵，電動機通常提供額定功率和轉(zhuǎn)速，油泵將電動機所輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?，然后向液壓系統(tǒng)的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動負載所需能量的要求
注塑機成型工藝是一個按照預定的周期性動作過程，即以合模---射嘴前進---射膠---保壓---溶膠、冷卻---開模---取出制品---將被注塑件放入模具中—合模等加工工序達到某件產(chǎn)品成型。
各個過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同，即所需的液壓油流量不同，因而注塑機整個動作過程對油泵電機來說是個變負載過程。在定量泵注塑機液壓系統(tǒng)中，油泵電機始終以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量的液壓油，各個動作中相應(yīng)多余的液壓油則通過溢流閥回流，從而造成電能的浪費。據(jù)統(tǒng)計，由電液閥控模式造成電能損耗高達36～68%；根據(jù)注塑機設(shè)備工藝，油泵電機耗電占整個設(shè)備耗電比例高達65～80%。因此，對閥控電液模式進行節(jié)能改造具有很大的潛力。
3.2 普通注塑工藝中的主要損耗
第一為溢流損耗。隨產(chǎn)品及加工工序不同，各工序所需液壓、流量、壓力不同（見附圖1）。對于油泵馬達而言，注塑機在注塑過程的負載是處于變化狀態(tài)。而泵的流量是按照所需的最大流量來設(shè)計的，其原注塑油泵馬達以恒定的轉(zhuǎn)速提供的液壓流量，當注塑機所需的流量小于最大流量時，多余的液壓將通過溢流閥回流，這一部分能量就損耗掉了。
第二為節(jié)流損耗。當液壓油流經(jīng)閥的節(jié)流口時會有一定的壓降，這就是節(jié)流損耗。由于方向閥的節(jié)流面積比較大，所以大部分的節(jié)流損耗發(fā)生在比例閥上。同時由于液壓長期全速循環(huán)流動與液壓件機械劇烈磨擦，造成油溫過高，噪音過大，機械壽命縮短等不良現(xiàn)象。
第三為設(shè)計余量損耗。通常在設(shè)計中，一般會考慮到共用性，設(shè)計時以最大容量為基礎(chǔ)，因此用戶油泵電機設(shè)計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費。
圖一：注塑機工序圖和能耗對照圖
四． 變頻器在注塑機節(jié)能改造中的優(yōu)點
4.1 調(diào)速節(jié)能
根據(jù)注塑機的工藝要求,把總壓閥、低壓閥、一壓閥、二壓閥的開關(guān)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后加在變頻器的輸入端作為變頻器的頻率給定信號，變頻器通過對其進行實時采樣并通過CPU處理，使輸出頻率隨比例閥的模擬信號成線形變化，在需要壓力和流量較小的工藝過程中使電機轉(zhuǎn)速降低，從而降低電機的輸出功率，在冷卻和半成品置入過程中可以讓電機停轉(zhuǎn)，使電機在整個負載范圍內(nèi)的能量損耗達到最小程度。
4.2 提高功率因數(shù)節(jié)能
無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是因為功率因數(shù)的降低導致電網(wǎng)有功功率的降低。由公式S²=P²+Q²，Q=S*SINφ，P=S*COSφ，其中：S-視在功率。Q-無功功率，P-有功功率，COSφ-功率因數(shù)?？芍擟OSφ越大，有功功率 P越大。普通定量泵注塑機COSφ值在0.6-0.8之間，而使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)濾波電容的補償作用，使得COSφ≈1，從而減小了無功損耗，增大了電網(wǎng)的有功功率。
4.3 軟啟動節(jié)能
由于原電機為直接啟動或Y/△啟動，啟動電流等于(3-7)倍額定電流，這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會增加電網(wǎng)容量要求，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動對設(shè)備的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值被限制在變頻器設(shè)置的加速中電流限幅水平以內(nèi)，一般不超過1.7倍額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對電網(wǎng)容量的要求，延長了設(shè)備和模具的使用壽命。
五． 變頻器節(jié)能改造原理
由泵類負載的工作特性可知，泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵電機軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比,如下述公式所示:
Q2/Q1=N2/N1 ；H2/H1=(N2/N1)2 ；P2/P1=(N2/N1)3
其中Q為流量、N為轉(zhuǎn)速、H為揚程。
圖2：閥門控制與變頻控制節(jié)能比較
圖2給出了閥門控制與變頻控制兩種模式下的節(jié)能效果比較。原有注塑機系統(tǒng)采用閥門控制，當流量由QA減少到QB時，由于管阻特性，工作點由A點轉(zhuǎn)移B點，消耗的功率與0EBF的面積成正比。若采用變頻控制，這時因閥門全開，其管阻特性不變，工作點由A點轉(zhuǎn)移到C點，消耗的功率與0ECH的面積成正比。因此，從圖2中可以看出，采用變頻調(diào)速比閥門控制更加節(jié)能，且隨著轉(zhuǎn)速的降低，電機輸出功率成立方關(guān)系減少。這樣，根據(jù)注塑工藝適時地調(diào)節(jié)油泵電機的轉(zhuǎn)速，即可達到節(jié)能的目的。
目前三相異步電動機大多采用變頻調(diào)速，由電機同步轉(zhuǎn)速公式：
n=60（1-S）f/p
其中，n為電機轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率；f為供電頻率；p為極對數(shù)。
由上式可知，改變電源頻率即可改變電機轉(zhuǎn)速。因此，采用注塑機比例流量閥及比例壓力閥的控制信號同步控制油泵馬達的變頻器，使油泵電機的轉(zhuǎn)速與注塑機工作所需的壓力、流量成正比，從而使溢流閥的回流量減到最小，液壓系統(tǒng)輸出與注塑機生產(chǎn)所需功率相匹配，便可達到節(jié)能目的。據(jù)統(tǒng)計，其單機節(jié)電率可達25～65%。
六． 四方變頻器的應(yīng)用
6.1四方注塑機專用變頻器的特點
四方注塑機專用變頻器（E520系列）是根據(jù)注塑機工作特性專門設(shè)計的變頻調(diào)速器。通過對閥控電流、電壓信號的采集，經(jīng)CPU處理后對油泵電機進行相應(yīng)的調(diào)速，從而滿足注塑機工藝要求。它具有以下特點：
（1） 具有適合注塑機專用的頻率給定信號通道
通用變頻器的頻率給定信號標準為0～10V電壓信號或4～20mA電流信號，但注塑機專用變頻器則需具有0～1A/10V信號接收通道。四方E520系列變頻器可直接入0～1A電流信號，而不需要另外加裝信號轉(zhuǎn)換電路。
（2） 過載能力強、響應(yīng)速度快
一般注塑產(chǎn)品的工藝周期相對較短，從10幾秒到幾分鐘不等。一個成型產(chǎn)品從開模到合模，要求各個過程動作迅速。采用變頻控制時，油泵電機負載頻繁變化，這就要求變頻器有很強的過載能力。四方E520系列變頻器根據(jù)閥控信號進行快速升降速，加減速時間可達0.5～1s。
6.2變頻改造電路
注塑機變頻改造時采用變頻＋工頻控制方式。其控制柜主電路由電度表、四方變頻器和工頻旁路接觸器等構(gòu)成，控制電路由工頻/變頻切換開關(guān)、啟動、復位開關(guān)、指示燈等構(gòu)成。
（1） 變頻控制柜主電路
圖3給出了注塑機變頻節(jié)能改造的主電路圖。圖中，QF為斷路器，KM1、KM2、KM3為接觸器。在改造注塑機時仍保留注塑機原有控制電路中的星-三角轉(zhuǎn)換電路，這樣可方便改造同時保持注塑原來的控制特性。采用工頻旁路目的是為了在變頻器出故障時可直接切換到工頻運行，而不影響生產(chǎn)。
圖3：注塑機變頻節(jié)能改造主電路圖
（2）變頻控制柜控制電路
圖4為注塑機變頻柜的控制電路框圖。圖中，SB為工頻/變頻轉(zhuǎn)換開關(guān)，選用三級開關(guān)；SB1為變頻器停止按鈕，SB2為變頻器啟動按鈕；L1為總電源指示燈；L2為工頻運行指示燈；L3變頻運行指示燈；L4為變頻器故障指示燈，其故障信號由變頻器TA、TC輸出；KM1、KM2變頻運行接觸器；KM3為工頻運行接觸器。
圖4：注塑機變頻柜控制電路框圖
（3）變頻主要參數(shù)設(shè)置
以四方E520系列變頻器在注塑機中的應(yīng)用為例，變頻器采用比例流量＋比例壓力兩路信號控制，主要參數(shù)設(shè)定如表1所示。
F0.0=1, F0.1=1,
F0.7=1 F3.19=2
F0.8=0.7, F0.9=1.8,
F3.1=0.12, F3.2=0.76
F3.3=0.12, F3.4=0.70
F3.5=0.5, F3.6=0.5
表1：四方E520系列的主要參數(shù)設(shè)定
（4）E520系列注塑機專用變頻器的特點
1．與注塑機同步運行，調(diào)試完成投用后無需任何調(diào)節(jié)；即使更換模具和改變加工參數(shù)，均無需對變頻節(jié)能控制器進行調(diào)整。
2．改造后注塑機液壓油發(fā)熱明顯降低，一般比改造前平均油溫降低15~20℃以上；液壓油使用壽命可得到延長；注塑機冷卻用水量可節(jié)省30％以上。
3． 對整個系統(tǒng)的保護功能，（1）、變頻器自身的保護；（2）、對電機的保護；如：電流限制、過載、輸出短路或輸出接地等（3）、對因誤操作引起的機械損傷進行保護；如：未到熔融溫度強行溶膠引起火箭頭、炮筒、螺桿或溶膠馬達的損壞等。
4． 注塑機運行噪音明顯降低，開、鎖模振動減輕，延長設(shè)備和模具的使用壽命，改善工作環(huán)境；用電功率因數(shù)提高，油泵主電機平滑啟動，啟動時無大電流沖擊并可減少配電設(shè)備容量。
5． 延長油路密封組件的使用壽命，減少停機維修幾率，節(jié)省大量維護費用。
6． 注塑件加工周期越長，節(jié)能效果越好；
七． 調(diào)試中常出現(xiàn)的問題及處理方法
7.1調(diào)試前注意事項
注塑機變頻節(jié)能電氣改造相對比較簡單。但在改造前應(yīng)詳細了解注塑機工況，熟悉注塑機工藝流程。調(diào)試時應(yīng)注意以下事項：安裝前查清注塑機原有電路接線方式，包括主電路和控制電路；仔細觀察注塑機工頻運行是否正常，油泵馬達是否經(jīng)常處于過載狀態(tài)；根據(jù)注塑機的模具及注塑工藝觀察注塑機節(jié)電改造的潛能；控制信號線路注意正負極性不要接反；信號線與主回路線要分開布線等。
7.2調(diào)試常見問題及處理方法
由于注塑機工藝的特殊性，在改造中會遇到各種故障，以下為在注塑機變頻改造中常遇到的問題及處理方法。
（1） 變頻器頻率無變化
由于變頻器采用注塑機閥控電流信號進行調(diào)速，變頻器運行后可能出現(xiàn)頻率顯示為0.0（有的變頻器顯示為0）現(xiàn)象，其主要原因包括：信號極性接反；信號取錯；信號接線端口與參數(shù)設(shè)定不符；注塑機輔助電源故障等。出現(xiàn)這種故障時，應(yīng)先查明注塑機閥控制的類別是電流信號、電壓信號還是脈沖控制信號（部分機型），及信號正負極性是否與變頻器控制端子對應(yīng)。
（2） 油泵噪音大
變頻器運行后有些注塑機會發(fā)出異常的噪音，這時應(yīng)判斷噪聲源在何處，是來自電機還是油泵。若為油泵的噪音，則可能原因有：注塑機液壓油過少，有空氣吸入；注塑機濾油器或油路阻塞；注塑機油泵葉片磨損較嚴重。遇到該情況應(yīng)先檢查注塑機油泵，排除故障后方可運行。另外，當注塑機處于低速高壓工作狀態(tài)時，也會出現(xiàn)油泵噪音異常情況，這時應(yīng)適當提高速度給定。
（3）溫度控制干擾
另一個注塑機變頻器改造中常遇見的問題，是改造后注塑機因干擾不能正常運行。注塑機加熱單元一般采用熱電偶檢測溫度，這種檢測元件容易受諧波干擾，從而造成注塑機溫度顯示和控制不準確。這時可從以下方面排除干擾：盡量縮短變頻器與注塑機電動機之間的連線，動力線用金屬軟管套裝，動力線與溫度檢測線不要靠近走線；在變頻器近端主回路線纜上加裝電抗器或磁環(huán)；變頻器可靠接地；或給注塑機內(nèi)部溫控電偶供電電源加阻容濾波電路，如圖5所示。
圖5：注塑機溫度干擾濾波電路圖
圖中，A+為熱電偶端，B+接溫度控制板，處理時即在溫度檢測（熱電偶）線路中對稱地加入以上阻、容元器件以消除干擾。
