注塑機(jī)的變頻節(jié)能改造

1、節(jié)能方式節(jié)能效果噪音精度反應(yīng)速度價格維護(hù)費(fèi)用品質(zhì)壽命全電動注塑機(jī)30%-70%低高較快高高低變頻注塑30%-60%低一般一般低高變量泵注塑15%-30%高快較高高低表1常見節(jié)能型注塑機(jī)性能比較文章編號:10057277(2006050037052006年第28卷第5期第37頁電氣傳動自動化ELECTRIC DRIVE AUTOMATIONVol.28,No.52006,28(5:37411前言在塑料工業(yè)迅速發(fā)展的今天,由于注射成型工藝對各種塑料的加工有著良好的適應(yīng)性,具有能一次成型外型復(fù)雜、尺寸精確或帶有金屬嵌件的質(zhì)地密致的塑料制品,且生產(chǎn)能力較高,易于實(shí)現(xiàn)自動化,因此注塑機(jī)不論在數(shù)量上或品種

2、上都占有極其重要地位。現(xiàn)在注塑機(jī)被廣泛應(yīng)用于國防、機(jī)電、汽車、交通運(yùn)輸、建材、包裝、農(nóng)業(yè)、文教衛(wèi)生及人們?nèi)粘Ｉ罡鱾€領(lǐng)域,其總數(shù)占了整個塑料成型設(shè)備的20%-30%,是目前塑料機(jī)械中增長最快,生產(chǎn)數(shù)量最多的機(jī)種之一。對于塑料制品行業(yè)來說,電耗是其生產(chǎn)成本中的主要部分,而注塑機(jī)又是塑料制品廠家的主要耗電設(shè)備。而當(dāng)今,全世界都面臨著能源緊缺的問題,我國情況更為嚴(yán)峻,很多地方不得不采用拉閘限電、錯峰用電等方法來控制用電。所以,如何有效降低電耗,節(jié)約能源,成了普遍關(guān)注的問題。近年來,各種各樣的節(jié)能型注塑機(jī)紛紛涌現(xiàn),但能真正得以推廣應(yīng)用的產(chǎn)品并不多。目前在市場上常見的主要有,變頻節(jié)能、變量泵節(jié)能和全電動

3、式節(jié)能3種類型。其性能比較如表1所示。由于變量泵注塑機(jī)、全電動注塑機(jī)等設(shè)備價格昂貴、維護(hù)成本高且使用要求高等種種原因,在我國國內(nèi)市場上銷量不大。變頻節(jié)能技術(shù)是利用變頻器能夠靈活方便地改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的特點(diǎn),借助變頻器將定量泵模擬成變量泵,從而達(dá)到節(jié)能的目的。由于目前我國塑料加工企業(yè)在使用的注塑機(jī)90%以上都是定量泵注塑機(jī),因此采用變頻技術(shù)對定量泵注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造在我國具有很好的推廣價值和廣闊的應(yīng)用前景。2定量泵注塑機(jī)變頻改造的節(jié)能分析注塑機(jī)在加工產(chǎn)品時,是按鎖模-注射-保壓-溶膠、冷卻-開模-頂針-清料再鎖模這樣的循環(huán)過程周期性運(yùn)行的。其各工序階段所需工作壓力和流量均不同,整個注塑過程油泵的負(fù)載

4、變化很大,有時幾乎為零(如冷卻階段。而傳統(tǒng)的注塑機(jī)采用定量泵供油,油泵電機(jī)是直接通市電,一直在工頻下以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行,所以泵的輸出流量無法隨著負(fù)荷的變化而改變,始終保持恒定的流量。當(dāng)傳統(tǒng)的定量泵注塑機(jī)在不同工序下需要不同的流量和壓力時,以前都是通過調(diào)節(jié)流量閥注塑機(jī)的變頻節(jié)能改造周孚宏(艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司,廣東深圳518057摘要:介紹了用變頻器對注塑機(jī)進(jìn)行改造的節(jié)能原理及實(shí)施方法,分析了應(yīng)用中可能遇到的問題和相應(yīng)措施,并列舉了變頻改造后的綜合效益。關(guān)鍵詞:變頻器;注塑機(jī);節(jié)能;改造中圖分類號:TN773文獻(xiàn)標(biāo)識碼:BReforming project of energy-saving in

5、plastics injectionmachine by using the converterZHOU Fu-hong(Emerson Network Power Co.Ltd.,Shenzhen 518057,China Abstract :The energy-saving theory and methods by using inverter in plastics injection machine is introduced.It presents some trouble in application of inverter ,and gives some solutions.

6、The advantages of reform are listed.Key words :converter ;plastics injection machine ;energy-saving ;reform和壓力閥來進(jìn)行控制的。這種工作方式下,當(dāng)工作所需流量較小時,油泵的供油量會遠(yuǎn)大于執(zhí)行元件所需的油量,多余的處于高壓狀態(tài)下的液壓油則經(jīng)溢流閥由旁路流回油箱。這樣一方面大量的動能在閥門擋板上浪費(fèi)了;另一方面持續(xù)高壓的油與管道的長期摩擦?xí)a(chǎn)生大量的熱量,導(dǎo)致液壓油的溫升高,從而消耗了大量的熱能。為降低油溫,往往還需增加額外的冷卻水循環(huán),進(jìn)一步浪費(fèi)了能源。因此,傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)液壓系統(tǒng)的效率

7、很低,存在嚴(yán)重的能耗。另外,長期以來注塑機(jī)的設(shè)計(jì)追求精密化和高速化,設(shè)計(jì)時電機(jī)的功率通常又是按照各個動作的最大消耗功率來設(shè)計(jì)的。注塑機(jī)在高速高壓下的注塑和高速回料時的能耗最大,但實(shí)際生產(chǎn)中,由于產(chǎn)品表面精度的要求,往往產(chǎn)品不適合高速高壓型,因此往往導(dǎo)致注塑機(jī)的設(shè)計(jì)功率偏大。實(shí)際使用時電機(jī)的平均負(fù)載通常只有設(shè)計(jì)容量的40%-60%,個別情況甚至更低。這也造成了電機(jī)工頻運(yùn)行時電能的大量浪費(fèi)。由上述分析可以看到,如果能使系統(tǒng)自動跟蹤注塑機(jī)本身的工作狀態(tài)、工作壓力和流量信號,適時適量地調(diào)節(jié)定量泵的輸出流量,使得泵的實(shí)際供油量與注塑機(jī)的工作流量需求在任何工作階段均能保持一致,就可以讓電機(jī)在整個負(fù)荷變化過

8、程中的能量消耗降到最小程度,并基本消除溢流現(xiàn)象。由于變頻器能夠靈活方便地改變電機(jī)轉(zhuǎn)速,利用它控制油泵電機(jī)就可以方便地調(diào)節(jié)油泵的輸出流量,正好滿足以上節(jié)能的需要。根據(jù)對圖1所示油泵的特性曲線分析,可以比較利用閥門調(diào)節(jié)流量和通過控制油泵電機(jī)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量兩種方式下能耗情況的不同。在圖1中,曲線為油泵系統(tǒng)的管阻特性曲線,表示油泵的轉(zhuǎn)速不變的前提下,在某一閥門開度下?lián)P程與流量之間關(guān)系的特性曲線;為泵的揚(yáng)程特性曲線,是以管路中閥門的開度不變?yōu)榍疤?表明在某一轉(zhuǎn)速下,揚(yáng)程與流量之間關(guān)系的曲線。當(dāng)管路在某一特定的閥門開度,油泵以某一特定轉(zhuǎn)速工作時,其工作點(diǎn)即為該閥門開度下的管阻特性曲線和該轉(zhuǎn)速時揚(yáng)程特性曲線

9、的交點(diǎn)。如圖1中的A點(diǎn)為閥門全開、以額定轉(zhuǎn)速n1運(yùn)行時泵的工作點(diǎn);B點(diǎn)為閥門全開、轉(zhuǎn)速下降為n2時泵的工作點(diǎn);C點(diǎn)為閥門關(guān)小、以額定轉(zhuǎn)速n1運(yùn)行時泵的工作點(diǎn)。由于泵的軸功率P與流量Q和揚(yáng)程H的乘積成正比。體現(xiàn)在圖1中,則有在工作點(diǎn)A時,軸功率P A與AQ10H1的面積成正比;在工作點(diǎn)B時,軸功率P B與BQ20H2的面積成正比;在工作點(diǎn)C時,軸功率P C與CQ20H3的面積成正比。因此,從圖1中可以看到,將管路的流量從額定流量Q1降低到流量Q2時,兩種方式下輸出軸功率的區(qū)別。利用調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速的方式會使工作點(diǎn)由A移至B,所需軸功率由P A降到P B;而利用調(diào)節(jié)閥門開度的方式工作點(diǎn)則是從A移到了C,所

10、需軸功率由P A變成P C。很顯然,P A和P C的面積相差無幾,而P B的面積卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于P A。這說明利用變頻器調(diào)速的方式改變流量比用調(diào)節(jié)閥門開度的方式會節(jié)省更多的能量,多節(jié)省的能量在圖1中可以用CBH2H3的面積(陰影部分體現(xiàn)出來。造成以上這種能耗差異的原因是通過調(diào)節(jié)閥門開度的方式雖然將流量Q降低了,但因?yàn)楣茏柙龃?揚(yáng)程H也增大了,因此軸功率下降不會太多。所以用閥門調(diào)節(jié)流量的方式下大量的能量被閥門白白浪費(fèi)了。可見利用變頻器控制定量泵流量,會比傳統(tǒng)的閥門調(diào)節(jié)流量的方式節(jié)約更多的能量。而且,注塑機(jī)的工作流量越低,變頻方式的節(jié)能效果越明顯。另外應(yīng)用變頻器還能提高系統(tǒng)的功率因數(shù),減小油泵電機(jī)的無功

11、損耗,從而提高工廠的供電效率和電網(wǎng)質(zhì)量。再有,如果在注塑機(jī)非動作狀態(tài)時讓電機(jī)停止下來,還能進(jìn)一步擴(kuò)大節(jié)能空間。綜上所述,對定量泵注塑機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造能夠帶來巨大的節(jié)能效果。3定量泵注塑機(jī)的變頻改造方案對定量泵注塑機(jī)進(jìn)行變頻改造時,為了確保改造不會對生產(chǎn)造成任何影響,盡量不對注塑機(jī)原有38電氣傳動自動化2006年第5 期2006年第5期39周孚宏注塑機(jī)的變頻節(jié)能改造液壓系統(tǒng)及電氣控制系統(tǒng)作變動。變頻器的控制是利用注塑機(jī)控制系統(tǒng)的同步控制信號,將注塑機(jī)控制器給出的調(diào)節(jié)流量、壓力比例閥的模擬量信號(如0-1ADC,經(jīng)處理變換,轉(zhuǎn)變?yōu)?-10VDC或420mA的信號,送給變頻器,用來調(diào)節(jié)油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)

12、速。這樣就能讓液壓系統(tǒng)的輸出與注塑機(jī)各個工序段中所需的油壓大小和流量速度精確匹配,從而使溢流閥的回流量降到最小,達(dá)到節(jié)能目的。注塑機(jī)變頻節(jié)能系統(tǒng)的原理如圖2所示。目前,變頻控制部分對來自注塑機(jī)控制器的壓力比例和流量比例控制信號的處理方法多種多樣。大部分是通過電路轉(zhuǎn)換板直接將其中的一個信號轉(zhuǎn)換為變頻器可用的模擬量;有的則是將流量與壓力信號的乘積通過運(yùn)算、放大后轉(zhuǎn)換成變頻器可用的信號;還有些為了達(dá)到更好的控制效果,根據(jù)注塑機(jī)的工藝和產(chǎn)品特性專門建立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型,然后用注塑機(jī)控制器送出壓力、流量信號計(jì)算出對應(yīng)的控制量,用來控制變頻器的輸出頻率。另外,為了加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性,保留定量泵電機(jī)原有的工頻

13、運(yùn)行回路,并增加控制電路保證用戶可以方便地進(jìn)行工頻和變頻運(yùn)行的切換。當(dāng)變頻器故障時,將相對應(yīng)的油泵電機(jī)手動切換到原運(yùn)行方式(工頻運(yùn)行,其它部分仍為變頻器帶動,不受影響。其電氣控制原理如圖3所示。從圖3可以看出,系統(tǒng)采用一臺變頻器驅(qū)動一臺電機(jī)的工作方式,變頻器故障可以輸出報(bào)警信號指示。變頻器故障時,可通過控制按鈕切換到原來的工頻工作模式。變頻器與工頻工作模式間有電氣聯(lián)鎖,確保工頻運(yùn)行和變頻運(yùn)行不會同時啟動。4注塑機(jī)變頻節(jié)能改造實(shí)例TD3400注塑機(jī)專用變頻器采用了矢量控制,具有高速的動態(tài)響應(yīng)和優(yōu)異的自動限流能力,且瞬間過載能力可達(dá)到額定負(fù)荷的200%,另外在零頻無速度傳感器的方式下也能輸出150

14、%的額定轉(zhuǎn)矩。這些特性非常符合注塑機(jī)的應(yīng)用需求,加之TD3400變頻器注塑機(jī)還專門根據(jù)注塑機(jī)的應(yīng)用特征增加了相應(yīng)的功能,因此在注塑行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用。目前,TD3400變頻器已成功應(yīng)用在很多種品牌的注塑機(jī)上,并成功地對幾家企業(yè)的注塑機(jī)進(jìn)行了大批量的改造,節(jié)能效果都非常好。本文就以一 家塑膠制品生產(chǎn)企業(yè)做的注塑機(jī)節(jié)能改造結(jié)果為 例,通過測試數(shù)據(jù)來說明定量泵注塑機(jī)變頻改造的節(jié)能效果。對一臺型號EA80的注塑機(jī)的改造效果做了測試。該設(shè)備油泵電機(jī)的功率為11kW,生產(chǎn)產(chǎn)品測試數(shù)據(jù)連續(xù)運(yùn)行時間(小時耗電量(度單位時間耗電量(度/小時節(jié)電率改造前843063.6453.6%改造后120.52041.69表

15、2注塑機(jī)變頻改造前后用電數(shù)據(jù)對照表為亞加力透明件,使用的模具型號為KEM-P2755B ,改造前后均要求生產(chǎn)周期為26秒/啤,即產(chǎn)量為138啤/小時,所用的測試儀表為三相四線電度表。在改造前后的測試數(shù)據(jù)如表2所示。5改造中常見的問題與解決辦法5.1解決生產(chǎn)周期可能延長的辦法在對注塑機(jī)進(jìn)行變頻改造時,可能經(jīng)常會發(fā)現(xiàn),生產(chǎn)周期在變頻工作時會慢0.3-1.2秒。且變頻器功率越大,產(chǎn)品工況越復(fù)雜,周期就會相應(yīng)地增加。這主要是由于在不同工序段切換時,變頻器需要根據(jù)各工序所需要的不同壓力、流量而不斷改變輸出頻率,而使電機(jī)經(jīng)常處于加減速過程中。盡管變頻器的加減速時間可調(diào)得很短,但相比工頻運(yùn)行時電磁閥通斷速度

16、有一定的滯后,這就導(dǎo)致了相同工藝參數(shù)下變頻控制時單位加工周期有所延長,生產(chǎn)效率受到一定影響。對于這個問題,一方面,要求選用的變頻器有很好的動態(tài)響應(yīng)性能,以盡量縮短響應(yīng)時間;另一方面,可以根據(jù)實(shí)際情況,調(diào)整注塑機(jī)的部分工藝參數(shù),如加大壓力設(shè)定值等。當(dāng)然,也可以對液壓系統(tǒng)和控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)來解決問題。例如工頻時注塑機(jī)在液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)時考慮到液壓沖擊帶來的危害,在液壓回路上采用很多緩沖回路。如果能提高液壓回路反應(yīng)時間就可以彌補(bǔ)變頻加速過程帶來的滯后。而對于變頻器控制系統(tǒng),如果能采用流量和壓力兩路信號控制,也能夠較好地解決這個問題。5.2壓力不夠的原因及相應(yīng)措施個別情況下,由于機(jī)器采用的元件質(zhì)量不過關(guān),

17、或保養(yǎng)不好,液壓回路中個別液壓元件磨損,導(dǎo)致自身的壓力流量特性有所下降,造成控制壓力隨流量的變化較大。這時表現(xiàn)出有時夠力而有時不夠力的現(xiàn)象。工頻生產(chǎn)時由于流量恒定,因此問題沒有被暴露出來。采用變頻控制時就會表現(xiàn)出壓力不夠。為了解決這一問題,一個辦法是通過調(diào)整注塑機(jī)的工藝參數(shù),將變頻工作時注塑機(jī)的壓力流量設(shè)定得比工頻時高一些。另一個辦法就是從控制方法上想辦法,例如采用基于速度環(huán)節(jié)的壓力閉環(huán)控制,保證壓力滿足要求。5.3應(yīng)對變頻器對注塑機(jī)干擾的措施由于變頻器在工作時輸入、輸出電流中都會有一定量高次諧波,會對注塑機(jī)的控制系統(tǒng)產(chǎn)生干擾,嚴(yán)重時可能影響到注塑機(jī)的正常動作。對此,可采取以下措施:在輸入側(cè)和

18、輸出側(cè)加裝變頻器專用濾波器、電抗器等以減小高次諧波電流;控制信號線使用屏蔽電纜,并把屏蔽層一端接到變頻器的公共輸入端子上;變頻器的輸入、輸出電纜與控制信號線分開走線,它們之間應(yīng)該至少保證20cm 以上的距離且盡可能遠(yuǎn);減少變頻器的載波頻率;同一電源下的其他設(shè)備最好能做到隔離供電。6定量泵注塑機(jī)變頻改造的綜合效益(1定量泵變?yōu)楣?jié)能型變量泵,使得注塑機(jī)液壓系統(tǒng)與整機(jī)運(yùn)行所需功率匹配,無高壓節(jié)流溢流能量損失,節(jié)電率高達(dá)25%60%。(2由于變頻器可以調(diào)節(jié)油泵的流量和壓力,使得油溫會比工頻狀態(tài)下降低15-18。減少了無謂的熱耗,冷卻水的用量也可節(jié)省30%以上。(3將功率因數(shù)由0.6-0.8提高到0.9

19、6以上,大大減少了無功電流,降低了線路損耗,提高了電網(wǎng)質(zhì)量和供電效率。對供電設(shè)備而言,相當(dāng)于起到了增容的作用。(4通過變頻器實(shí)現(xiàn)了電機(jī)的軟起動,避免了起動時對電網(wǎng)的沖擊,從而無須供電設(shè)備再預(yù)留額外的容量以應(yīng)付電機(jī)起動時的沖擊,對電網(wǎng)而言,增加了系統(tǒng)的裝機(jī)容量。(5使用變頻器可實(shí)現(xiàn)電機(jī)的軟起動,保證了起動平滑無沖擊。一方面可以減小起動時對電機(jī)的沖擊,保護(hù)了電機(jī),延長了其使用壽命;另一方面,由于減輕了開、鎖模的沖擊,延長了機(jī)械和模具的使用壽命,減輕了噪音。(6變頻運(yùn)行時壓力油溫度可降至35-40左右,此狀況下的油溫最能保證液壓執(zhí)行組件的精度和穩(wěn)定性,同時可以使密封組件的使用壽命得以延長,降低停機(jī)維

20、修的次數(shù)和維修時間,節(jié)省了大量維護(hù)費(fèi)用。(7采用變頻器后,它具有過壓、過流、過載、過熱、欠壓及對地短路等多種保護(hù),能夠在線監(jiān)控,及40電氣傳動自動化2006年第5期時發(fā)現(xiàn)故障并報(bào)警?？梢员Ｗo(hù)變頻器本身;能保護(hù)電機(jī);能避免注塑機(jī)機(jī)械部件因錯誤操作而損壞。系統(tǒng)的可靠性大大提高。(8因?yàn)楸Ａ袅俗⑺軝C(jī)原有控制方式及油路不變,可實(shí)現(xiàn)工頻/變頻切換,即使變頻器出故障時也可以轉(zhuǎn)換到工頻狀態(tài),不會影響生產(chǎn)。參考文獻(xiàn):1韓安榮.通用變頻器及其應(yīng)用M .北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2000.2深圳:第四屆華南國際塑料工業(yè)展覽會應(yīng)用技術(shù)論壇論文集C ,2003.作者簡介:周孚宏(1971-,男,碩士,工業(yè)電氣自動化專業(yè),

21、目前就職于艾默生網(wǎng)絡(luò)能源有限公司,從事變頻器的技術(shù)支持工作。收稿日期:2005-06- 080°180°360°540°D E Q 0Q 1Q 2Q 3Q 4Q 5AB C圖4各點(diǎn)的工作波形MCU 等控制系統(tǒng)單元,均為弱電控制信號。因此,將被控制的交流電動機(jī)上的中高壓電源與起控制作用的弱電控制信號進(jìn)行有效隔離,是最直接的抗干擾措施。具體的措施有以下三個:將中高壓電力電子器件與弱電控制系統(tǒng)信號首先在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行隔離。在電源處理上使用多層隔離變壓器,實(shí)現(xiàn)了高低壓電源的隔離;在觸發(fā)方式上,選用絕緣強(qiáng)度高的脈沖變壓器來隔離弱電控制系統(tǒng)信號和中高壓主功率元件的觸發(fā)回路,實(shí)現(xiàn)弱電與中高壓強(qiáng)電的隔離;提取同步信號時,同步變壓器高低壓采用多層隔離技術(shù)處理耦合部分的電壓隔離,實(shí)現(xiàn)中高壓電壓與控制系統(tǒng)弱電的隔