電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在注射機溫度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用

1、塑機與模具文章編號：1005-3360（2009）05-0074-03電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在注射機溫度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用Application of Electromagnetic Induction Heating Technology in Temperature Control System of Injection Molding Machine何雪濤，謝鵬程，楊衛(wèi)民 Chang Shijia, He Xuetao, Xie Pengcheng, Yang Weimin 常士家，北京100029 - 北京化工大學(xué)機電工程學(xué)院，- College of Mechanical and Elect

2、rical Engineering, Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China摘要 :介紹了電磁感應(yīng)加熱原理及其能量轉(zhuǎn)換過程。通過電磁感應(yīng)加熱技術(shù)來實現(xiàn)微處理器對注射機溫度的有效控制，利用電磁感應(yīng)加熱輸出功率控制算法和溫度的模糊控制算法來進行注射機溫度的軟件控制，從而達到節(jié)能、升溫快、高效率和高精度的控制目的；將注射機的傳統(tǒng)加熱方式和電磁感應(yīng)加熱方式進行了比較，用數(shù)據(jù)說明了電磁感應(yīng)加熱方式用于塑料機械上的經(jīng)濟價值。were introduced. Electromagnetic induction heat

3、ing technology can be used to effectively control the temperature of the injection molding machine by the microprocessor. The advanced algorithm of the output power of the electromagnetic induction heating and the algorithm of the temperature fuzzy control can be programmed to control the temperatur

4、e of the injection molding machine, so as to achieve the goal of energy saving, rapid heating, high efficiency and high precision control. The conventional heating and electromagnetic induction heating of the injection molding machines were compared, and the economic value of electromagnetic inducti

5、on heating applied in plastic machinery is proved .Abstract : The principle of electromagnetic induction heating and its process of energy transforming關(guān)鍵詞 : 電磁感應(yīng)加熱；注射機；溫度控制中圖分類號 :TQ320.52文獻標識碼 : AKey words : Electromagnetic induction heating; Injection molding machine; Temperature control注射機是把塑料原料加熱

6、熔融后注射到模具中，經(jīng)冷卻定型成為塑料制品的設(shè)備。注射機的料筒溫度對制品性能和質(zhì)量有著重要影響。如果溫度過高，料筒中的塑料會發(fā)生分解；如果溫度過低，會使塑料塑化不良，流動性變差，制品成型不好，所以塑料熔體溫度過低和過高都會影響產(chǎn)品的最終質(zhì)量。同時不同的原料根據(jù)產(chǎn)品的工藝要求其最佳注射溫度各不相同。因此，需要對加熱料筒的溫度進行分段控制。目前，國際上通常對塑料熔體溫度的控制精度在±1，而我國尚在±5范圍徘徊1。電磁感應(yīng)加熱技術(shù)開始應(yīng)用于工業(yè)20世紀初，生產(chǎn)中，由于其具有加熱速度快、物料內(nèi)部發(fā)熱和加熱效率高、加熱均勻且有選擇性、產(chǎn)品質(zhì)量好、幾乎無環(huán)境污染、可控性好且易于實現(xiàn)機械

7、化和自動化等一系列優(yōu)點，因而得到了迅速的發(fā)展。感應(yīng)加熱技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于表面淬火、透熱淬火、回火和消除應(yīng)力（低溫）、退火和正火（高溫）、焊縫退火、收稿日期：2008-12-11粉末金屬燒結(jié)等，同時還應(yīng)用在熔煉、鑄造、彎管、熱鍛、焊接和表面熱處理以及半導(dǎo)體的區(qū)域提純、單晶生長、外延等熱加工工藝。家用微波爐、電磁爐也都是利用電磁感應(yīng)加熱2。1 電磁感應(yīng)加熱原理電磁感應(yīng)加熱技術(shù)簡稱為IH(Induction是在法拉第感應(yīng)定律的基礎(chǔ)上發(fā)展Heating)技術(shù)，起來的，是法拉第感應(yīng)定律的一種應(yīng)用形式。電磁感應(yīng)加熱是利用高頻交變電流通過線圈產(chǎn)生交變磁場，當交變磁場內(nèi)的磁力線通過被加熱的金屬工件時，就會在被

8、加熱的金屬工件表面產(chǎn)生無數(shù)的小渦流，因為金屬的電阻很小，所以較低的感應(yīng)電動勢便可產(chǎn)生較強的渦電流。從而可以在金屬內(nèi)產(chǎn)生大量的焦耳熱，使被加熱的金屬工件本身自行高速發(fā)熱。電磁感應(yīng)加熱原理如圖1所示3。74基金項目：國家科技支撐項目電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在注射機溫度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用在一段或幾段電阻絲燒斷的情況下，難以及時發(fā)現(xiàn)，造成料筒溫度不均，從而使產(chǎn)品報廢，導(dǎo)致其廢品率提高。2.2 電磁感應(yīng)加熱電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用于注射機的料筒加熱上，其特點在于：圖1 電磁感應(yīng)加熱原理（1）節(jié)能效果好，熱損失小，效率高。由于感應(yīng)Fig.1 Principle of electromagnetic induction

9、heating線圈與被加熱金屬并不直接接觸，能量通過電磁感電磁感應(yīng)加熱，正是利用電磁感應(yīng)現(xiàn)象產(chǎn)生的應(yīng)進行傳遞。與電阻絲加熱方式相比減少了熱傳感應(yīng)電流對加熱體做功，電能轉(zhuǎn)化為金屬導(dǎo)體的導(dǎo)和空氣熱對流的損耗，熱效率很高4，達85%以內(nèi)能，使得金屬導(dǎo)體的溫度升高，達到加熱的目的。上，比電阻絲加熱方式提高23倍5。與電阻絲加整個能量轉(zhuǎn)化過程如圖2所示。熱相比，節(jié)電在30%以上，最大可達75%。（2）升溫快。由于料筒金屬殼的電阻很小，所以較小的感應(yīng)電動勢便可產(chǎn)生較強的渦電流。從而可在金屬內(nèi)產(chǎn)生大量的焦耳熱。同時還由于熱圖2 電磁感應(yīng)加熱能量轉(zhuǎn)換量散失少，熱效率高，所以料筒內(nèi)熔體升溫快。Fig.2 Ene

10、rgy transforming of electromagnetic induction heating（3）環(huán)保效果好。電磁感應(yīng)加熱方法可以顯著2 傳統(tǒng)加熱與電磁感應(yīng)加熱方式比較降低環(huán)境溫度，同時節(jié)能本身就是環(huán)保。（4）使用壽命長。電磁加熱裝置采用特制線圈和半導(dǎo)體器件，線圈連續(xù)運行溫度只有100左右，2.1 傳統(tǒng)加熱平均無故障時間可達3年以上，節(jié)約了運行成本。（5）可提高產(chǎn)品產(chǎn)量。由于該加熱方式的發(fā)熱傳統(tǒng)注射機通常采用電阻加熱方式，這種加熱效率高，能顯著減少升溫時間，因此可提高產(chǎn)品產(chǎn)方式存在以下問題：量。（1）熱損失大，效率低。目前采用的電阻加熱器是由電阻絲繞制而成，其內(nèi)外兩面都發(fā)熱，內(nèi)面

11、2.3 經(jīng)濟效益（緊貼料筒部分）的熱傳導(dǎo)到料筒上，而外面的熱量據(jù)不完全統(tǒng)計，我國目前共有包括擠出機、注大部分散失到空氣中；另外由于傳導(dǎo)過程復(fù)雜，從射機在內(nèi)的各種塑料機械55萬臺（套），每臺（套）電阻絲絕緣層料筒外殼料筒內(nèi)的塑料塑化，功率都在100kW以上，總耗電310億kWh6。而熱損失大，熱效率僅為20%30%左右，能源浪費嚴三峽水電站6臺70萬kW機組的發(fā)電量僅304億重。另外電阻熱的發(fā)熱效率本身就較低。kWh。即我國塑料機械全年用電量超過了三峽水（2）注射機工作環(huán)境溫度升高。由于加熱時向電站總的發(fā)電量，可見耗電之大。如果所有塑料機周圍環(huán)境散發(fā)大量的熱，從而使得周圍環(huán)境溫度上械都安裝電磁加

12、熱裝置，按節(jié)電30%計算，可省出升，特別是夏季對生產(chǎn)環(huán)境影響很大，現(xiàn)場工作溫2臺70萬kW機組或節(jié)約標準煤300多萬t，減排度都超過了45，對工人的身體影響很大，有些企煙塵、廢水、二氧化硫450多萬t。對緩解國家電力業(yè)不得不采用空調(diào)來降低工作溫度，這又造成能源緊張，降低企業(yè)生產(chǎn)成本，節(jié)約資源，保護環(huán)境等都的第二次浪費。具有十分重要的意義。（3）使用壽命短、維修量大、廢品率高。由于采用電阻絲發(fā)熱，其加熱溫度高達800左右，電阻絲容易因高溫氧化而被燒斷，常用電熱器使用壽命只3 電磁感應(yīng)加熱的溫度控制有半年左右，因此，維修量和維修費用都相對較大。75電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在注射機溫度控制系統(tǒng)上的應(yīng)用3.1

13、 輸出功率控制電磁感應(yīng)加熱的輸出功率控制目前有很多種方法，感應(yīng)加熱電源可分為負載串聯(lián)諧振型和負載并聯(lián)諧振型。相對于并聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源，串聯(lián)諧振感應(yīng)加熱電源有起動容易、可采用不控整流、不使用體積和損耗大的電感等優(yōu)點。由于加熱工藝的要求，感應(yīng)加熱電源應(yīng)當對輸出功率進行控制，使功率大范圍可調(diào)。目前串聯(lián)諧振電源的調(diào)功方式有直流側(cè)調(diào)壓調(diào)功和逆變側(cè)調(diào)功兩類。前者大致有兩種，一是采用晶閘管全控整流，另一種是不控整流后用斬波器進行調(diào)壓；后者有多種方法，如調(diào)壓調(diào)功法、脈沖寬度調(diào)功法（PWM）、脈沖頻率調(diào)功法（PFM）、脈沖密度調(diào)功法（PDM）、移相調(diào)功法（PSM）、改變功率因數(shù)調(diào)功法、PWM-PFM復(fù)合調(diào)功法

14、和PDM-PWM復(fù)合調(diào)功法等7。這些調(diào)功方法可以很好地控制注射機的溫度。注射機的料筒一般分為三段或四段，每一段的溫度不同。在注射機開始工作之前，料筒各段溫度必須都到達設(shè)定溫度，因此為了減少等待時間和因有加熱段未達到設(shè)定溫度而開機造成的廢品，要求料筒各段同時到達設(shè)定溫度。而由于注射機料筒溫度是一個非線性、大慣性、有滯后、相鄰段有較強偶合的參數(shù)，很難建立溫度和時間的關(guān)系，也就很難實現(xiàn)同時到達設(shè)定溫度。一般是通過實驗和經(jīng)驗結(jié)合，來設(shè)定同時到達設(shè)定溫度，控制效果并不是很理想。而用電磁感應(yīng)加熱技術(shù)加熱，可以采用脈沖密度調(diào)制它可實現(xiàn)對感應(yīng)加熱電源輸出(PDM)控制方式，電流幅值的直接控制，并且根據(jù)溫度模型

15、方程和預(yù)期溫度，建立在某一恒定電流幅值條件下，加熱溫實現(xiàn)感應(yīng)加熱電流幅度T與時間t的關(guān)系T=f(t)，值受控下的溫度間接控制8。而能夠解決許多復(fù)雜并且無法建立精確數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的控制問題。它是處理推理系統(tǒng)和控制系統(tǒng)中不精確和不確定性的一種有效方法10。溫度控制就屬于無法建立精確的數(shù)學(xué)模型系統(tǒng)的控制問題。用電磁感應(yīng)加熱輸出功率控制算法和溫度的模糊控制算法結(jié)合的方法可以實現(xiàn)注射機料筒溫度高精度控制，控制精度在±1左右。4 結(jié)論通過對注射機傳統(tǒng)加熱方式與電磁感應(yīng)加熱方式的比較，突出顯示了電磁感應(yīng)加熱方式在節(jié)能、加熱效率和升溫速度等方面的優(yōu)點，再結(jié)合電磁感應(yīng)加熱輸出功率控制算法和溫度的模糊控制

16、算法，實現(xiàn)對注射機溫度的高精度控制，體現(xiàn)了將電磁感應(yīng)加熱技術(shù)應(yīng)用于注射機等塑料成型加工設(shè)備上的巨大經(jīng)濟價值。預(yù)計在不久的將來，電磁感應(yīng)加熱方式將在注射機等塑料成型設(shè)備上替代傳統(tǒng)的電阻絲加熱方式。參考文獻:1 鐘漢如. 注塑機控制系統(tǒng)M. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社,2003.2 耿雪峰,徐宏,張莉. 電磁技術(shù)在材料加工過程中的應(yīng)用與發(fā)展J. 大型鑄鍛件,2005(3): 4-8.3 彭魏臻. 基于電磁感應(yīng)技術(shù)的造紙定型機PLC控制系統(tǒng)開發(fā)D. 杭州: 浙江大學(xué),2007.4 王光才. 電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在塑料加工工業(yè)的應(yīng)用J. 電力需求側(cè)管理,2007,9(6): 44-45.5 陳榮才. 螺桿式擠出設(shè)備電磁加熱方法及裝置: 中國,1326849AP. 2001-12-19.6 楊衛(wèi)民. 節(jié)能型注塑機關(guān)鍵技術(shù)進展R. 天津: 2008.7 馬紅斌,沈錦飛. 感應(yīng)加熱電源PDM-PSM復(fù)合功率控制策略3.2 溫度控制算法目前新興一種具有非線性、大慣性、有滯后、相鄰段有較強偶合的溫度控制算法模糊控制算法。模糊控制主要是模擬人的思維、推理和判斷的一種控制方法，它將人的經(jīng)驗、常識等用自然語言的形式表達出來，建