變頻注塑機(jī)方案(速度+壓力閉環(huán))

1、變頻注塑機(jī)方案（速度+壓力閉環(huán)）說明：該方案直接面向注塑機(jī)生產(chǎn)廠家，目的是將矢量變頻技術(shù)應(yīng)用于注塑機(jī)電機(jī)驅(qū)動上，通過速度閉環(huán)及壓力閉環(huán)功能完成對注塑機(jī)的精確控制。油路上取消了傳統(tǒng)的流量、壓力比例閥，在節(jié)約成本的同時可從源頭上消除油路中的節(jié)流及溢流能量損失，使注塑機(jī)獲得最佳的節(jié)能效果。以下內(nèi)容將針對傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)、變頻注塑機(jī)及變量泵注塑機(jī)的特點做全面分析。、流量及壓力控制方式分析在塑機(jī)的液壓系統(tǒng)中，液流的流量、壓力和方向是最基本的控制量，其中流量和壓力直接決定了系統(tǒng)的輸出功率和成型工藝。按照對工作流量和壓力的不同要求，可將塑機(jī)的運行狀態(tài)分為流量控制狀態(tài)和壓力控制狀態(tài)。流量控制狀態(tài)以穩(wěn)定控制工作

2、回路中的流量并使之達(dá)到塑機(jī)的設(shè)定值為目的，而工作回路中的壓力將小于塑機(jī)設(shè)定壓力，塑機(jī)的快速鎖模、射膠、溶膠等階段都屬于該狀態(tài)。壓力控制狀態(tài)以穩(wěn)定控制工作回路中的壓力為目的。在該狀態(tài)下，工作壓力接近或等于塑機(jī)設(shè)定壓力，而實際工作流量很小，如塑機(jī)的高壓鎖模及保壓階段等，系統(tǒng)過載、油缸推力不足時也屬于該狀態(tài)。1 傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)如圖一，該系統(tǒng)采用定量泵供油，油泵轉(zhuǎn)速n及油泵排量Vb都不可調(diào)，其油路中的各流量及壓力分別為：油泵流量QbVbn為定值；油泵壓力Pb由比例溢流閥設(shè)定；工作流量Q1由比例調(diào)速閥設(shè)定；工作壓力P1F/A1取決于工作負(fù)載F； 圖一 油路系統(tǒng)原理圖 圖二 能量損耗圖A1：油缸無桿腔活

3、塞面積 F：工作負(fù)載 Q1：工作流量 P1：工作壓力p：比例調(diào)速閥兩端的壓力差 Qy：比例溢流閥流量 Pb：油泵壓力 Qb：油泵流量 Vb：油泵排量 n：電動機(jī)轉(zhuǎn)速 l 流量控制狀態(tài)系統(tǒng)在流量控制狀態(tài)時，因油泵流量QbVbn為定值，除一部分流量Q1經(jīng)比例調(diào)速閥進(jìn)入工作回路外，其余流量Qy都經(jīng)比例溢流閥排回油箱。l 壓力控制狀態(tài)系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時，因工作流量Q1極小，油泵流量QbVbn的絕大部分都要經(jīng)比例溢流閥流回油箱，以此維持油泵壓力Pb達(dá)到設(shè)定值，能量浪費巨大?？梢钥吹剑瑐鹘y(tǒng)的定量泵油路系統(tǒng)必會存在節(jié)流及溢流能量損失，用公式表示為：PQ1PbQy （參見圖二）上述能量損失的原因究其本質(zhì)有

4、兩個，即流量不適應(yīng)過多的流量流入了油路系統(tǒng)；壓力不適應(yīng)供油壓力大于工作壓力，以補償比例調(diào)速閥的節(jié)流壓降。2 變頻注塑機(jī)如圖三，該系統(tǒng)采用矢量變頻器驅(qū)動電機(jī)及定量泵，取消了傳統(tǒng)油路中的比例調(diào)速閥及比例溢流閥。油路中的調(diào)速功能由矢量變頻器直接控制電機(jī)及油泵轉(zhuǎn)速來完成，而壓力控制由壓力傳感器和變頻器的構(gòu)成閉環(huán)PID功能來完成。因此，變頻器的頻率給定信號以塑機(jī)流量及壓力信號為準(zhǔn)。另外，根據(jù)產(chǎn)品工藝及成本控制的需要，電機(jī)可選用加裝速度編碼器的普通電機(jī)或變頻專用電機(jī)。圖三 油路系統(tǒng)原理圖A1：油缸無桿腔活塞面積Pb：油泵壓力n：電動機(jī)轉(zhuǎn)速F：工作負(fù)載Qb：油泵流量l 流量控制狀態(tài)當(dāng)油泵流量Qb接近或達(dá)到塑

5、機(jī)的設(shè)定值時，油路系統(tǒng)進(jìn)入流量控制狀態(tài)，變頻器的輸出頻率與塑機(jī)的流量設(shè)定值成正比。在此過程中，油泵流量QbVbn始終與工作回路的需要相適應(yīng)，無需比例閥調(diào)速，也沒有多余流量溢出，可從根本上消除節(jié)流及溢流能量損失。需指出的是，在傳統(tǒng)定量泵油路中（參見圖一），系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時，油泵壓力Pb必定大于工作壓力P1，它們之間需要產(chǎn)生足夠壓力差P來驅(qū)動比例調(diào)速閥工作，這是調(diào)速閥的工作特性。而變頻注塑機(jī)是通過調(diào)節(jié)油泵轉(zhuǎn)速直接控制油泵流量，而油泵壓力Pb取決于工作負(fù)載，即Pb F/A1。由此，負(fù)載需要多少流量、壓力，油泵就相應(yīng)輸出多少，實現(xiàn)了負(fù)載自適應(yīng)控制，無能量損失。l 壓力控制狀態(tài)如下圖四，變頻器控制

6、系統(tǒng)配備一塊智能轉(zhuǎn)換卡，可根據(jù)注塑機(jī)壓力反饋值的大小，自動轉(zhuǎn)換塑機(jī)的流量控制及壓力控制狀態(tài)。當(dāng)油泵壓力Pb接近或達(dá)到塑機(jī)設(shè)定值時，油路油路進(jìn)入壓力控制狀態(tài)，這時仍用流量設(shè)定值來控制變頻器頻率顯然是不合適的。變頻器將通過壓力傳感器實時監(jiān)控到這一壓力變化，并與塑機(jī)的壓力設(shè)定值做比較。當(dāng)它們差值很小時，變頻器的智能轉(zhuǎn)換卡會及時將變頻器切換到壓力控制狀態(tài)。此時，變頻器的輸出頻率將與該壓力差值成正比。因差值很小，變頻器的輸出頻率及電機(jī)轉(zhuǎn)速將迅速降低，油泵僅維持很小的流量輸出，以彌補油路中的各種泄漏損失，并通過PID功能保持系統(tǒng)壓力恒定。圖四 變頻器智能轉(zhuǎn)換卡原理圖3 變量泵注塑機(jī)目前，變量泵注塑機(jī)多采用

7、比例變量泵作驅(qū)動元件，屬于典型的容積式調(diào)速系統(tǒng)，相比傳動定量泵注塑機(jī)有較明顯的節(jié)能效果。如圖五，該系統(tǒng)由負(fù)載敏感型比例變量柱塞泵、比例溢流閥、比例調(diào)速閥、壓力反饋閥、流量反饋閥等部分組成。圖五 油路系統(tǒng)原理圖A1：油缸無桿腔活塞面積 F：工作負(fù)載 P1：工作壓力 Q1：工作流量P：比例調(diào)速閥兩端的壓力差 Pb：油泵壓力 Qb：油泵流量 n：電動機(jī)轉(zhuǎn)速l 流量控制狀態(tài)系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時，油泵壓力Pb大于工作壓力P1且小于塑機(jī)設(shè)定壓力，比例溢流閥將可靠關(guān)閉。當(dāng)負(fù)載變化時，Pb與P1之間的壓力差P會有相應(yīng)波動，并使工作流量Q1發(fā)生變化。以上變化通過流量、壓力反饋閥傳遞給變量泵的調(diào)整活塞?；钊S之

8、推動柱塞泵斜盤并改變油泵排量，最終穩(wěn)定泵的輸出流量Qb。由此看出，該系統(tǒng)實現(xiàn)了壓力自適應(yīng)控制，基本上沒有溢流損失，但為了控制工作流量Q1，調(diào)速閥上仍存在一定節(jié)流損失。l 壓力控制狀態(tài)系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時，變量柱塞泵的斜盤傾角很小，僅有少量的液壓油流過比例溢流閥，保證形成一定的系統(tǒng)壓力。通過改變比例溢流閥的輸入信號，就可以得到相應(yīng)的油泵輸出壓力。比起傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)，該控制方式在一定程度上減小了溢流損失。通過以上三種控制方式的分析可以看出：（1）傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)存在著相當(dāng)嚴(yán)重的能源浪費情況。據(jù)以往統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，其最高工作效率不會超過40，對這種注塑機(jī)的節(jié)能改造勢在必行；（2）變量泵注塑機(jī)是從液

9、壓元件的角度出發(fā)，挖掘油路上的節(jié)能改造空間，從而提高了油路系統(tǒng)的工作效率。但受其控制方式限制，該系統(tǒng)不能完全消除節(jié)流、溢流損失。（3）變頻注塑機(jī)從電氣控制的角度出發(fā)，從調(diào)速方式上改造傳統(tǒng)油路，利用現(xiàn)代電控系統(tǒng)精確、快速、可靠的特點，可從源頭上消除節(jié)流損失并減少溢流算損失。二、系統(tǒng)響應(yīng)及加速過程分析以上三種系統(tǒng)的控制方式差異較大，也決定了它們對指令的響應(yīng)速度有快有慢。下文將對此方面作出具體分析。 圖六 比例調(diào)速閥PQ特性圖七 比例溢流閥PQ特性如圖六，比例調(diào)速閥的流量Q是由閥兩端的壓力差P建立起來的。顯然，壓力差P越大，其油路加速就越快。又由圖七，比例溢流閥的壓力P是隨著溢流Q的增大而提高的。由

10、此得出結(jié)論：在同樣設(shè)定下，溢流量越多，調(diào)速閥兩端的壓力差就越大，加速也就越快。很明顯，定量泵的溢流量總會大于變量泵，其調(diào)速閥兩端的壓力差P也要大些。所以，同樣設(shè)定下，定量泵系統(tǒng)要比變量泵系統(tǒng)加速快，承受負(fù)載的能力更強。對變頻注塑機(jī)來說，因為比例調(diào)速閥取消，工作負(fù)載通過液壓油直接傳遞到泵體上，其系統(tǒng)加速過程主要由變頻器和電機(jī)的加速性能決定。英威騰電氣有限公司生產(chǎn)的CHV系列矢量變頻器具有輸出轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)快等特點。變頻器在PG矢量控制狀態(tài)下0轉(zhuǎn)速仍有180%的額定轉(zhuǎn)矩輸出，而變頻器完全建立額定轉(zhuǎn)矩的時間只需0.1秒。另外，矢量變頻技術(shù)的一個突出優(yōu)點就是可使電機(jī)獲得較硬的機(jī)械特性，這使電機(jī)在負(fù)載突變

11、時仍能保持相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)我公司以往的無PG矢量變頻器在注塑機(jī)節(jié)能工程上的應(yīng)用表明，改造后的系統(tǒng)加速性能和改造前的定量泵系統(tǒng)不差上下。由上得出，三種控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)、變頻注塑機(jī)的系統(tǒng)加速性能及承受負(fù)載能力要優(yōu)于變量泵系統(tǒng)，其產(chǎn)品成形周期也要短些。三、節(jié)電率分析無論是變量泵注塑機(jī)還是變頻注塑機(jī)，都是為了改變傳統(tǒng)定量泵塑機(jī)能耗大、效率低的缺點而發(fā)展起來的，因此節(jié)電率是比較兩個系統(tǒng)優(yōu)劣的至關(guān)重要的參數(shù)。若油泵的輸出流量、輸出壓力、排量、轉(zhuǎn)速分別表示為Q、P、Vb、n，則油泵的輸出功率N用公式表示為：N = Q*P = Vb*n*P由前面的分析可知，變量泵塑機(jī)是通過改變油泵排量Vb節(jié)省能耗

12、，變頻注塑機(jī)則是通過改變油泵轉(zhuǎn)速n達(dá)到節(jié)能目的。通過變頻器的閉環(huán)矢量調(diào)速功能，變頻注塑機(jī)的油泵轉(zhuǎn)速n可實現(xiàn)0到額定轉(zhuǎn)速之間線性調(diào)節(jié)范圍，尤其是在塑機(jī)待機(jī)及無動作情況下（如冷卻階段），電機(jī)及油泵轉(zhuǎn)速可降至0，基本無能耗損失。值得注意的是，油泵在低轉(zhuǎn)速時的容積效率會下降，這在一定程度上會影響了節(jié)電效果。對此，我們將通過提高變頻器低頻增益的方法來改善這種情況。而且，實際生產(chǎn)中流量低于20的情況是極少的，所以油泵轉(zhuǎn)速也不可能出現(xiàn)過低的情況。變量泵注塑機(jī)是通過機(jī)械裝置調(diào)整油泵排量Vb的，顯然其可調(diào)節(jié)的線性范圍有限，不能實現(xiàn)零排量輸出。且任何情況下，電機(jī)都是全速運轉(zhuǎn)，有很多無謂的能量損失。從我公司的一些塑

13、機(jī)節(jié)能改造實例來看，對變量泵塑機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造仍會有5%20%的節(jié)電率。由此可見，變頻注塑機(jī)的節(jié)電率要高于變量泵注塑機(jī)。四、成本及維護(hù)保養(yǎng)分析以下比較均以鎖模力120噸的臥式注塑機(jī)為基礎(chǔ)。1成本比較控制方式比較項目定量泵注塑機(jī)變量泵注塑機(jī)變頻注塑機(jī)油泵葉片定量泵50cc/r,16MPa￥柱塞變量泵50cc/r,16MPa￥葉片定量泵50cc/r,16MPa￥壓力比例閥通用比例溢流閥ebg-03-c￥1330配套比例溢流閥￥流量比例閥通用比例調(diào)速閥efg-03-c￥2330配套比例調(diào)速閥￥Y/接觸器三相交流接觸器（*3）￥三相交流接觸器（*3）￥變頻器矢量變頻器英威騰15KW，PG反饋￥壓力傳感器液壓壓力傳感器01Mpa￥電機(jī)普通異步電機(jī)15kw￥普通異步電機(jī)15kw￥普通異步電機(jī)（配編碼器）￥變頻專用電機(jī)（配編碼器）￥2維護(hù)保養(yǎng)分析控制方式比較項目定量泵注塑機(jī)變量泵注塑機(jī)變頻注塑機(jī)啟動方式Y(jié)/啟動，啟動電流大電機(jī)功率因數(shù)低對電網(wǎng)及油路沖擊大Y/啟動，啟動電流大電機(jī)功率因數(shù)低對電網(wǎng)及機(jī)械沖擊大變頻軟啟動，啟動電流小改善電機(jī)功率因數(shù)對電網(wǎng)及機(jī)械沖擊小維修保養(yǎng)定量泵及通用比例閥故障率低維修成本低變量泵及配套比例閥故障率中泵體維修費用高定量泵、變頻器及比例閥故障率中維修費用中機(jī)械元件損耗電機(jī)、油泵始終全速運行流量及壓力供應(yīng)