變頻器在注塑機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究

1、PAGE XXVIII PAGE I變頻器在注塑機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究PAGE XXVIII1變頻器在注塑機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院本 科 生 畢 業(yè) 論 文（設(shè) 計(jì)） 題 目：變頻器在注塑機(jī)控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究學(xué)習(xí)中心： 奧鵬宜賓直屬學(xué)習(xí)中心 層 次： 專 升 本 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 年 級(jí)： 2012年01春季 學(xué) 號(hào)： 121237309675 學(xué) 生： 楊 光 麟 指導(dǎo)教師： 高 國(guó) 娟 完成日期： 2013 年 12月 5 日 PAGE 25變頻器在注塑機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究 PAGE 25 PAGE 2變頻器在注塑機(jī)節(jié)能控制系統(tǒng)的應(yīng)用研究?jī)?nèi)容摘要2013年節(jié)

2、能降耗,保護(hù)環(huán)境已經(jīng)成為國(guó)家重要發(fā)展戰(zhàn)略，電能做為能源當(dāng)中最主導(dǎo)能源使用。就當(dāng)今社會(huì)所關(guān)心的節(jié)能減排與低碳發(fā)展問題，本次研究結(jié)合塑膠注塑加工行業(yè)，論述了采用變頻器與注塑機(jī)相結(jié)合的一種節(jié)能增效方案。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(gè)飛速發(fā)展的機(jī)遇。從注塑機(jī)加工工藝過程知道，在注塑成型產(chǎn)品成本中電能量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各注塑機(jī)廠家和用戶關(guān)注。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的推廣，變頻調(diào)速在傳動(dòng)控制和節(jié)能領(lǐng)域已日漸得到廣泛應(yīng)用，尤其在泵類負(fù)載場(chǎng)合采用變頻控制節(jié)能效果顯著，本文注塑機(jī)專用變頻器為例介紹了注塑機(jī)變頻改造可行性和改造中常出現(xiàn)的問題及處理方法，舉例說明

3、了注塑機(jī)變頻改造節(jié)電效果及收回情況。關(guān)鍵詞：注塑機(jī)；變頻器；調(diào)速；控制。目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc335252117 內(nèi)容摘要 PAGEREF _Toc335252117 h 1 HYPERLINK l _Toc335252118 目 錄 PAGEREF _Toc335252118 h 2 HYPERLINK l _Toc335252119 引 言 PAGEREF _Toc335252119 h 4 HYPERLINK l _Toc335252120 1 緒 論 PAGEREF _Toc335252120 h 5 HYPERLINK l _Toc3

4、35252121 1.1 課題的背景和意義 PAGEREF _Toc335252121 h 5 HYPERLINK l _Toc335252122 1.2 塑料加工行業(yè)中國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc335252122 h 5 HYPERLINK l _Toc335252123 1.3 注塑機(jī)加工行業(yè)中國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc335252123 h 5 HYPERLINK l _Toc335252124 1.4 變頻器在注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制的情況與未來發(fā)展趨勢(shì) PAGEREF _Toc335252124 h 6 HYPERLINK l _Toc335252125 2 注塑

5、機(jī)工作原理 PAGEREF _Toc335252125 h 7 HYPERLINK l _Toc335252126 2.1 注塑機(jī)的基本組成 PAGEREF _Toc335252126 h 7 HYPERLINK l _Toc335252127 2.2 注塑機(jī)的工作原理 PAGEREF _Toc335252127 h 8 HYPERLINK l _Toc335252128 2.3 “節(jié)能型”注塑機(jī)特性與技術(shù)原理 PAGEREF _Toc335252128 h 8 HYPERLINK l _Toc335252129 2.3.1 “節(jié)能型”注塑機(jī)的特性 PAGEREF _Toc335252129

6、h 9 HYPERLINK l _Toc335252130 2.3.2 “節(jié)能型”注塑機(jī)的技術(shù)原理 PAGEREF _Toc335252130 h 9 HYPERLINK l _Toc335252131 3 變頻器工作原理 PAGEREF _Toc335252131 h 10 HYPERLINK l _Toc335252132 3.1 三相電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式 PAGEREF _Toc335252132 h 10 HYPERLINK l _Toc335252133 3.2 變頻器的基本組成 PAGEREF _Toc335252133 h 11 HYPERLINK l _Toc335252134 3.

7、3 變頻器輸出調(diào)節(jié)方式 PAGEREF _Toc335252134 h 12 HYPERLINK l _Toc335252135 3.3.1 PAM 方式 PAGEREF _Toc335252135 h 13 HYPERLINK l _Toc335252136 3.3.2 簡(jiǎn)單PWM 方式 PAGEREF _Toc335252136 h 13 HYPERLINK l _Toc335252137 3.3.3 SPWM 方式 PAGEREF _Toc335252137 h 14 HYPERLINK l _Toc335252138 3.4變頻器的特點(diǎn)與應(yīng)用 PAGEREF _Toc335252138

8、 h 14 HYPERLINK l _Toc335252139 3.4.1 變頻器的特點(diǎn) PAGEREF _Toc335252139 h 15 HYPERLINK l _Toc335252140 3.4.2 變頻器的應(yīng)用 PAGEREF _Toc335252140 h 16 HYPERLINK l _Toc335252141 4 控制系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc335252141 h 17 HYPERLINK l _Toc335252142 4.1 注塑機(jī)變頻器改造原理 PAGEREF _Toc335252142 h 17 HYPERLINK l _Toc335252143 4

9、.2 變頻器控制柜主電路 PAGEREF _Toc335252143 h 17 HYPERLINK l _Toc335252144 4.3 變頻器控制主要參數(shù)設(shè)置 PAGEREF _Toc335252144 h 19 HYPERLINK l _Toc335252145 4.4 變頻器改造后的常見問題及解決方案 PAGEREF _Toc335252145 h 20 HYPERLINK l _Toc335252146 5 注塑機(jī)變頻改造后運(yùn)行及節(jié)能分析 PAGEREF _Toc335252146 h 22 HYPERLINK l _Toc335252147 5.1 注塑機(jī)變頻改造后的運(yùn)行分析 PA

10、GEREF _Toc335252147 h 22 HYPERLINK l _Toc335252148 5.2 注塑機(jī)變頻改造后的節(jié)能分析 PAGEREF _Toc335252148 h 22 HYPERLINK l _Toc335252149 6 結(jié) 論 PAGEREF _Toc335252149 h 24 HYPERLINK l _Toc335252150 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc335252150 h 25 引 言習(xí)近平總書記指出“大力推進(jìn)節(jié)能減排，積極開發(fā)新能源，這是貫徹落實(shí)科學(xué)發(fā)展觀、促進(jìn)經(jīng)濟(jì)社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的重大舉措”。溫家寶總理在全國(guó)人大十一屆三次政府工作報(bào)告中明確指出：“

11、要積極應(yīng)對(duì)氣候變化，大力開發(fā)低碳技術(shù)，推廣高效節(jié)能技術(shù)，積極發(fā)展新能源和可再生能源，加強(qiáng)智能電網(wǎng)建設(shè)” 1。目前世界每一個(gè)國(guó)家都面臨著資源潰乏，為了避免可能出現(xiàn)的能源危機(jī)，解決日益嚴(yán)重的環(huán)境問題，不僅需要大規(guī)模開發(fā)新能源，而且社會(huì)發(fā)展過程中更要節(jié)約使用能源。因此，本人以所在的塑料加工行業(yè)為例，選取變頻器在注塑機(jī)節(jié)能控制的應(yīng)用研究為課題，在設(shè)計(jì)這種系統(tǒng)時(shí)，在用設(shè)備在廠家購(gòu)買回來并沒有任何節(jié)能措施，注塑機(jī)液壓油泵的使用效率只有5060%左右%，而注塑機(jī)液壓油泵大多又是一些大功率電機(jī)來帶動(dòng)，少則幾十KW，有的甚至達(dá)到上百KW，如果沒有任何的節(jié)能措施，設(shè)備在使用過程中將會(huì)造成極大的電源浪費(fèi)。如上所述，

12、針對(duì)目前注塑機(jī)行業(yè)的這種發(fā)展趨勢(shì)，本文論述的節(jié)能方案，在原理上，采用變頻技術(shù)，降低注塑機(jī)在冷卻或待機(jī)時(shí)液壓油泵電動(dòng)機(jī)的動(dòng)轉(zhuǎn)速度，降低設(shè)備的工作電流，既能保證設(shè)備工作時(shí)所需的正常壓力需求，又提高了電機(jī)的運(yùn)行平穩(wěn)性，從而實(shí)現(xiàn)了三相異步電動(dòng)機(jī)的平穩(wěn)、低耗的運(yùn)行，達(dá)到了節(jié)能的目的。1 緒 論1.1 課題的背景和意義任何一種能源的開發(fā)利用都會(huì)給環(huán)境造成影響，以化石燃料為代表的常規(guī)能源造成的環(huán)境問題尤為嚴(yán)重，主要表現(xiàn)在大氣污染、溫室效應(yīng)、酸雨。當(dāng)今能源日益緊張，環(huán)境日趨惡化。節(jié)能減排，改善人類生存的環(huán)境，已經(jīng)成為越來越多人們的所共識(shí)。電能是所有能源種類中最易被人類使用的一種能源，也是很多其它能源所轉(zhuǎn)換的一

13、個(gè)對(duì)象，因此，對(duì)電能的節(jié)約，也就是相應(yīng)的節(jié)約了其它類型的一次性能源，比如煤、油、氣等非再生能源。1.2 塑料加工行業(yè)中國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀塑料工業(yè)從廣義上講包括塑料原料和塑料制品的生產(chǎn)，也就是說塑料工業(yè)包括從樹脂的合成一直到可以消費(fèi)使用的制品成型加工全過程，塑料工業(yè)在當(dāng)今世界上占有極為重要的地位，塑料已和鋼材、水泥、木材并列為四大基本材料，近一個(gè)世紀(jì)以來合成樹脂與塑料制品的生產(chǎn)以驚人的速度發(fā)展起來，在2010年全世界塑料消費(fèi)量在22340萬噸，且年平均增長(zhǎng)率為3.6%，中國(guó)將繼續(xù)保持較高增長(zhǎng)速度，到2015年中國(guó)塑料消費(fèi)量將超過1800萬噸2。1.3 注塑機(jī)加工行業(yè)中國(guó)內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀注塑成型是將熱塑性或

14、熱固性塑料制成各種塑料制件的主要成型方法之一，它是將粒狀或粉裝塑料加入注塑機(jī)的料斗內(nèi)進(jìn)入注塑機(jī)機(jī)筒，在注塑機(jī)機(jī)筒的熱傳遞和螺桿剪切熱的作用下塑料逐漸熔融塑化，然后在注塑機(jī)的螺桿或柱塞的壓力推動(dòng)下，呈粘流態(tài)的物料經(jīng)噴嘴注射到由注塑機(jī)鎖模機(jī)構(gòu)閉合好的模具型腔內(nèi)，并在注射壓力或發(fā)泡膨脹的作用力下充滿型腔，經(jīng)冷卻定型，由鎖模機(jī)構(gòu)打開模具并頂出制品，從而獲得具有一定形狀和尺寸精度的塑料制品。與其他成型方法相比，注塑機(jī)可以一次成型出各種結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸精確或帶有嵌件的塑料制品，對(duì)各種塑料加工的適應(yīng)性強(qiáng)，成型同期短，可多腔成型，生產(chǎn)效率高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，所成型的制品經(jīng)過很少修飾或不修飾即可滿足用戶的需要。國(guó)

15、此，塑料注射成型得到了廣泛應(yīng)用，就世界范圍來說，注塑成型的塑料制品占塑料總產(chǎn)量的30%，注塑機(jī)的產(chǎn)量占塑料機(jī)械總臺(tái)數(shù)的50%以上，所以對(duì)注塑機(jī)的節(jié)能改造迫在眉睫。1.4 變頻器在注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能控制的情況與未來發(fā)展趨勢(shì)變頻器節(jié)能型液壓控制系統(tǒng)采用變頻器控制注塑機(jī)液壓油泵傳動(dòng)三相異步電動(dòng)機(jī)，從而驅(qū)動(dòng)定量液壓泵，通過變頻器改變電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速，達(dá)到改變液壓油泵的輸出流量的目的。在國(guó)內(nèi)，變頻液壓技術(shù)主要用于對(duì)原有注塑機(jī)液壓系統(tǒng)進(jìn)行改造，其應(yīng)用降低了原有注塑機(jī)的電能損耗。它的優(yōu)點(diǎn)在于以下三個(gè)方面：（1）節(jié)能。利用變頻器改變液壓油泵的轉(zhuǎn)速，使泵的輸出流量與注塑機(jī)工藝流程所要求的相匹配，可以使溢流損失降至最低，有

16、效地節(jié)約了能源。同時(shí)，由于，由于注塑機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)一般選用定量泵，與變量泵相比，定量泵效率更高，故液壓系統(tǒng)回路效率更高，與傳統(tǒng)的閥控節(jié)流調(diào)速相比可節(jié)能3060%左右，特別是在注塑機(jī)冷卻時(shí)還可以將泵完全停止，降低了電動(dòng)機(jī)與泵的空載損耗，具有比變量泵系統(tǒng)更大的節(jié)能潛力，別外，使用變頻器液壓技術(shù)可顯著提高使用電流的功率因素，降低無功電流，從而降低線路損耗。（2）對(duì)原有注塑機(jī)液壓系統(tǒng)改造量最小。只需給傳統(tǒng)注塑機(jī)的液壓油泵電動(dòng)機(jī)加裝變頻器，就可以完成改裝，對(duì)成熟的液壓系統(tǒng)不需進(jìn)行更改，改造難度較小，并且變頻器是一個(gè)成熟的技術(shù)，維護(hù)保養(yǎng)方便。（3）降低噪音。液壓油泵電動(dòng)機(jī)和油泵不必在工頻情況下長(zhǎng)期運(yùn)行，注

17、塑機(jī)工作時(shí)大部分時(shí)間轉(zhuǎn)速較低，甚至在冷卻時(shí)可以完全停止，大大減少了噪聲污染，改善工作環(huán)境。2 注塑機(jī)工作原理螺桿 注塑機(jī)的工作原理與打針用的注射器相似，它是借助螺桿（或柱塞）的推力，將已塑化好的熔融狀態(tài)（即粘流態(tài)）的塑料注射入閉合好的模腔內(nèi)，經(jīng)固化定型后取得制品的工藝過程。 注塑成型是一個(gè)循環(huán)的過程，每一周期主要包括：定量加料熔融塑化施壓注射充模冷卻開模取件。取出塑件后又再閉模，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。 注射座塑化部件螺桿頭料筒注射部件2.1 注塑機(jī)的基本組成 注射油缸射嘴座移油缸注塑機(jī)組成液壓馬達(dá)合模裝置調(diào)模裝置合模部件頂出裝置機(jī) 身泵、液壓馬達(dá)、閥液壓系統(tǒng)儲(chǔ)油箱、冷卻器、油管等加熱系統(tǒng)電腦控制板、

18、顯示器冷卻系統(tǒng)料筒溫度控制控制系統(tǒng)液壓泵電機(jī)控制加料裝置故障檢測(cè)報(bào)警控制安全保護(hù)裝置圖2.1 注塑機(jī)基本組成2.2 注塑機(jī)的工作原理 注塑成型機(jī)簡(jiǎn)稱注塑機(jī)，注塑成型是利用塑料的熱物理性質(zhì)，把塑膠料從料斗加入料筒中，料筒外由加熱圈加熱，使物料熔融，再由油馬達(dá)作用下驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)的螺桿，物料在螺桿的作用下，沿著螺槽向前輸送并壓實(shí)，物料在外加熱和螺桿剪切的雙重作用下逐漸地塑化，熔融和均化，當(dāng)螺桿旋轉(zhuǎn)時(shí)，物料在螺槽摩擦力及剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺桿的頭部，與此同時(shí)，螺桿在物料的反作用下后退，使螺桿頭部形成儲(chǔ)料空間，完成塑化過程，然后，螺桿在注射油缸的活塞推力的作用下，以高速、高壓，將儲(chǔ)料室內(nèi)的熔

19、融料通過噴嘴注射到模具的型腔中，型腔中的熔料經(jīng)過保壓、冷卻、固化定型后，模具在合模機(jī)構(gòu)的作用下，開啟模具，并通過頂出裝置把定型好的制品從模具頂出落下，注塑成型是一個(gè)循環(huán)過程。保壓注射注射座前進(jìn)閉模制品頂出開模冷卻退回塑化塑化退回固定塑化圖2.2 注塑機(jī)工作原理2.3 “節(jié)能型”注塑機(jī)特性與技術(shù)原理 電動(dòng)-液壓式注塑機(jī)是集液壓和電驅(qū)動(dòng)于一體的新型注塑機(jī)，它融合了全液壓式注塑機(jī)的高性能和全電動(dòng)式的節(jié)能優(yōu)點(diǎn)，這種電動(dòng)-液壓相結(jié)合的復(fù)合式注塑機(jī)已成為注塑機(jī)技術(shù)發(fā)展方向。2.3.1 “節(jié)能型”注塑機(jī)的特性 注塑機(jī)節(jié)能系統(tǒng)的核心技術(shù)是變頻調(diào)速技術(shù)。通覽目前市場(chǎng)上各式各樣的注塑機(jī)變頻節(jié)能器，通常具有如下技術(shù)

20、特點(diǎn)：(1)過載能力強(qiáng)。過載能力多數(shù)可以達(dá)到為180%Imln，有的甚至達(dá)到200%，30s，高過載能力保證了注塑過程中在高壓射膠等重負(fù)載沖擊下，不跳脫，不影響生產(chǎn)連續(xù)進(jìn)行，保證產(chǎn)品質(zhì)量。(2)防護(hù)等級(jí)較高，有的采用獨(dú)立風(fēng)道全封閉設(shè)計(jì)，防塵、防腐蝕、環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)，使用壽命更長(zhǎng)。(3)部分產(chǎn)品采用了流量和壓力雙信號(hào)控制，適用于各種復(fù)雜模件的生產(chǎn)。(4)體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，安裝簡(jiǎn)便。可以做到柜式和壁掛兩用。(5)市電節(jié)電運(yùn)行雙回路設(shè)計(jì)，確保系統(tǒng)無故障，不影響生產(chǎn)。(6)具有自動(dòng)復(fù)位、掉電復(fù)位功能，保證生產(chǎn)連續(xù)及生產(chǎn)效率。2.3.2 “節(jié)能型”注塑機(jī)的技術(shù)原理 注塑機(jī)的工藝過程一般分為鎖模、射膠、熔

21、膠、保壓、冷卻、開模等幾個(gè)階段，各個(gè)階段需要不同的壓力和流量。傳統(tǒng)的注射機(jī)沒有對(duì)機(jī)器的驅(qū)動(dòng)電機(jī)進(jìn)行調(diào)整，即只要機(jī)器通電，電機(jī)就始終以額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行。由于電機(jī)與油泵同軸，油泵將以額定排量將油吸入液壓系統(tǒng)中，當(dāng)系統(tǒng)需要的流量小于油泵所提供的流量時(shí)，多余的油將被回流，此過程稱為高壓節(jié)流。據(jù)統(tǒng)計(jì)由高壓節(jié)流造成的能量損失高達(dá)36%-68%。在注塑機(jī)的幾個(gè)動(dòng)作階段中，只有鎖模、射膠、熔膠、開模三個(gè)階段是需要對(duì)控制對(duì)象實(shí)施速度控制的，保壓階段僅需要進(jìn)行壓力控制。利用注塑機(jī)同步信號(hào)及電氣控制系統(tǒng)，根據(jù)注塑成型的工藝要求，將電液比例控制系統(tǒng)，模擬成負(fù)載跟蹤控制系統(tǒng)，使油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與注塑機(jī)工作所需液壓的流量與壓力

22、乘積成正比，將傳統(tǒng)的定量泵改造成變頻變量泵，從而使溢流閥的回油流量降到最小，無高壓節(jié)流能量損失，進(jìn)而將傳統(tǒng)有高壓節(jié)流的“耗能型”注塑機(jī)升級(jí)為元高壓節(jié)流的“節(jié)能型”注塑機(jī)。注塑機(jī)采用變頻節(jié)能技術(shù)后，可以達(dá)到的效果：減輕開、鎖模沖擊，延長(zhǎng)機(jī)械和模具使用壽命；延長(zhǎng)油路系統(tǒng)（密封組件等）使用壽命，減少維修次數(shù)、節(jié)省維護(hù)費(fèi)用；降低噪音、改善工作環(huán)境；系統(tǒng)油溫大幅降低，冷卻用水量可節(jié)省30%以上；對(duì)電機(jī)具有過壓、過流、缺相等多種保護(hù)；注塑機(jī)原有的控制方式及油路不變。3 變頻器工作原理3.1 三相電動(dòng)機(jī)調(diào)速方式按照電機(jī)學(xué)原理，三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式3： n=n1(1-s)=60f/p(1-s) (3-1)式

23、中：n步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速；f異步電動(dòng)機(jī)的頻率；S電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)差率；p電動(dòng)機(jī)極對(duì)數(shù)。由三相異步電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速公式可見，異步電動(dòng)機(jī)有下列3種調(diào)速方式4：（1）變極調(diào)速異步電動(dòng)機(jī)正常運(yùn)行時(shí)的轉(zhuǎn)速n接近同步轉(zhuǎn)速n1，由于n1=60f/p,在電源頻率一定的情況下，改變定子繞組的極對(duì)數(shù)p，同步轉(zhuǎn)速n1就發(fā)生變化，電機(jī)轉(zhuǎn)速n也隨之變化，若極對(duì)數(shù)增加一倍，同步轉(zhuǎn)速就減少一半，電動(dòng)機(jī)減速也減少一半，顯然，變極調(diào)速只能做到一級(jí)一級(jí)地調(diào)速，而不能平滑調(diào)速。（2）變轉(zhuǎn)差率調(diào)速這種調(diào)速方式由三相異步電動(dòng)機(jī)、電磁轉(zhuǎn)差離合器、測(cè)速發(fā)電機(jī)和控制裝置組，電動(dòng)機(jī)本身并不調(diào)速，通過改變電磁轉(zhuǎn)差離合器的勵(lì)磁電流來實(shí)現(xiàn)調(diào)速，此類調(diào)速平滑，可以進(jìn)

24、行無級(jí)調(diào)速，當(dāng)負(fù)載或電機(jī)受到突然的沖擊時(shí)，離合器可以起到緩沖作用，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，造行可靠。但因傳遞效率低，故最大輸出功率達(dá)不到電機(jī)的額定功率，并且隨著輸出轉(zhuǎn)速的降低，傳遞效率相應(yīng)降低，由于剩磁的存在，當(dāng)負(fù)載轉(zhuǎn)矩小于10%的額定轉(zhuǎn)矩時(shí)可以失控，不適用于恒功率負(fù)載。（3）變頻調(diào)速轉(zhuǎn)速n于頻率f成正比，只要改變頻率f即可改變電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，當(dāng)頻率f在050Hz的范圍內(nèi)變化，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)范圍非常寬。變頻器就是通過改變電動(dòng)機(jī)電源頻率實(shí)現(xiàn)速度調(diào)節(jié)的一種理想的高效率、高性能的調(diào)速手段。其作用是通過改變電源頻率來改變電機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻調(diào)速效率高，調(diào)速過程中沒有附加損耗；應(yīng)用范圍廣，可用于籠型異步電動(dòng)機(jī)；調(diào)速范圍大，

25、特性硬，精度高；適用于要求精度高、調(diào)速性能較好場(chǎng)合。3.2 變頻器的基本組成 變頻器通常分為4部分：整流單元、高容量電容、逆變器和控制器。 整流單元：將工作頻率固定的交流電轉(zhuǎn)換為直流電。高容量電容：存儲(chǔ)轉(zhuǎn)換后的電能。逆變器：由大功率開關(guān)晶體管陣列組成電子開關(guān)，將直流電轉(zhuǎn)化成不同頻率、寬度、幅度的方波。控制器：按設(shè)定的程序工作，控制輸出方波的幅度與脈寬，使疊加為近似正弦波的交流電，驅(qū)動(dòng)交流電動(dòng)機(jī)。 圖3.1 變頻器基本組成 變頻器主電路是給異步電動(dòng)機(jī)提供調(diào)壓調(diào)頻電源的電力變換部分，變頻器的主電路大體上可分為兩類:電壓型是將電壓源的直流變換為交流的變頻器，直流回路的濾波是電容。電流型是將電流源的直

26、流變換為交流的變頻器，其直流回路濾波是電感。 它由三部分構(gòu)成，將工頻電源變換為直流功率的“整流器”，吸收在變流器和逆變器產(chǎn)生的電壓脈動(dòng)的“平波回路”，以及將直流功率變換為交流功率的“逆變器”。（1）整流器：最近大量使用的是二極管的變流器，它把工頻電源變換為直流電源。也可用兩組晶體管變流器構(gòu)成可逆變流器，由于其功率方向可逆，可以進(jìn)行再生運(yùn)轉(zhuǎn)。（2）平波回路：在整流器整流后的直流電壓中，含有電源6倍頻率的脈動(dòng)電壓，此外逆變器產(chǎn)生的脈動(dòng)電流也使直流電壓變動(dòng)。為了抑制電壓波動(dòng)，采用電感和電容吸收脈動(dòng)電壓（電流）。裝置容量小時(shí)，如果電源和主電路構(gòu)成器件有余量，可以省去電感采用簡(jiǎn)單的平波回路。（3）逆變器

27、：同整流器相反，逆變器是將直流功率變換為所要求頻率的交流功率，以所確定的時(shí)間使6個(gè)開關(guān)器件導(dǎo)通、關(guān)斷就可以得到3相交流輸出。以電壓型pwm逆變器為例示出開關(guān)時(shí)間和電壓波形。控制電路是給異步電動(dòng)機(jī)供電（電壓、頻率可調(diào)）的主電路提供控制信號(hào)的回路，它有頻率、電壓的“運(yùn)算電路”，主電路的“電壓、電流檢測(cè)電路”，電動(dòng)機(jī)的“速度檢測(cè)電路”，將運(yùn)算電路的控制信號(hào)進(jìn)行放大的“驅(qū)動(dòng)電路”，以及逆變器和電動(dòng)機(jī)的“保護(hù)電路”組成。（1）運(yùn)算電路：將外部的速度、轉(zhuǎn)矩等指令同檢測(cè)電路的電流、電壓信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，決定逆變器的輸出電壓、頻率。（2）電壓、電流檢測(cè)電路：與主回路電位隔離檢測(cè)電壓、電流等。（3）驅(qū)動(dòng)電路：驅(qū)

28、動(dòng)主電路器件的電路。它與控制電路隔離使主電路器件導(dǎo)通、關(guān)斷。（4）速度檢測(cè)電路:以裝在異步電動(dòng)機(jī)軸機(jī)上的速度檢測(cè)器(tg、plg等)的信號(hào)為速度信號(hào)，送入運(yùn)算回路，根據(jù)指令和運(yùn)算可使電動(dòng)機(jī)按指令速度運(yùn)轉(zhuǎn)。（5）保護(hù)電路:檢測(cè)主電路的電壓、電流等，當(dāng)發(fā)生過載或過電壓等異常時(shí)，為了防止逆變器和異步電動(dòng)機(jī)損壞，使逆變器停止工作或抑制電壓、電流值。3.3 變頻器輸出調(diào)節(jié)方式變頻器對(duì)輸出波形的調(diào)制既要變頻，又要變壓，變頻是由逆變器完成的。而變壓按輸出電壓調(diào)節(jié)方式不同，變頻器有PAM、 PWM 和SPWM等多種方式。晶閘管型逆變器一般采用變幅調(diào)制方式，脈寬調(diào)制型逆變器更多的是采用恒幅脈寬調(diào)制方式，由二極管

29、整流橋輸出恒定不變的直流電壓，經(jīng)中間環(huán)節(jié)送到逆變橋，通過調(diào)節(jié)逆變橋輸出電壓脈沖的寬度和頻率，實(shí)現(xiàn)既調(diào)壓又調(diào)頻的目的。這種脈寬調(diào)制型逆變器主回路簡(jiǎn)單，而且由于逆變器輸出電壓的大小和頻率直接由逆變器決定，所以調(diào)節(jié)速度快，系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能好，而且電源側(cè)輸入功率因數(shù)高。由于它具有這些優(yōu)點(diǎn)，所以目前應(yīng)用相當(dāng)廣泛。因?yàn)镻WM型逆變器是通過改變脈沖寬度控制其輸出電壓大小，通過改變脈沖周期控制其輸出電壓頻率，所以脈寬調(diào)制方式對(duì)PWM逆變器的性能有根本性的影響。 3.3.1 PAM 方式 PAM即脈沖幅值調(diào)節(jié)方式是通過改變直流側(cè)的電壓幅值進(jìn)行調(diào)壓的。在變頻器中，逆變器只負(fù)責(zé)調(diào)節(jié)輸出頻率，而輸出電壓則由相控整流器或

30、直流斬波器通過調(diào)節(jié)直流電壓去實(shí)現(xiàn)。采用相控整流器調(diào)壓時(shí)，網(wǎng)側(cè)的功率因數(shù)隨調(diào)節(jié)深度的增加而變低；而采用直流斬波器調(diào)壓時(shí)，網(wǎng)側(cè)的功率因素在不考慮諧波影響時(shí)，可以達(dá)到1。PAM調(diào)制方式一般應(yīng)用于晶閘管逆變器的中大功率變頻器中。3.3.2 簡(jiǎn)單PWM 方式簡(jiǎn)單的多脈沖調(diào)制法是脈沖寬度調(diào)制法中比較簡(jiǎn)單的一種。現(xiàn)利三相橋式晶體管逆變器的原理電路說明其原理。逆變橋由大功率晶體管VD1VD6（也可采用其他快速功率開關(guān)器件）和快速續(xù)流二極管VD1VD6組成。變頻器中的整流器采用不可控的整流二極管整流電路。變頻器的輸出電壓和輸出頻率均由逆變器PWM方式調(diào)節(jié)。PWM信號(hào)作為各晶體管的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)控制各晶體管的通斷。

31、在控制電路中采用載頻信號(hào)Uc與參考信號(hào)Ut相比較的方法產(chǎn)生基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)。這里Uc采用單極性等腰三角形；Ut采用可變的直流電壓。在Ut與Uc波形的交點(diǎn)處發(fā)生調(diào)制信號(hào)，部分脈沖調(diào)制波形如圖3.2所示。圖3.2 PWM逆變器輸出電壓波形3.3.3 SPWM 方式 正弦波脈寬調(diào)制法（SPWM）是最常用的一種調(diào)制方法。主回路中開關(guān)器件的基極驅(qū)動(dòng)信號(hào)，仍采用載頻信號(hào)Uc和參考信號(hào)Ut相比較的方法產(chǎn)生，但是參考信號(hào)Ut改為正弦波信號(hào)，如圖3.2所示。當(dāng)改變參考信號(hào)Ut的幅值時(shí)，脈寬隨之改變，從而改變了主回路輸出電壓的大小。當(dāng)改變Ut的頻率時(shí)，輸出電壓頻率即隨之改變。圖3.3 SPWM逆變器輸出電壓波形這種調(diào)

32、制方式的特點(diǎn)是半個(gè)周期內(nèi)脈沖中心線等距，脈沖等幅、變寬，半個(gè)周期內(nèi)脈沖寬度變化呈正弦分布，各脈沖面積之和與正弦波下的面積成比例。因此，其調(diào)制波形更接近于正弦波，諧波分量大大減少。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于三相逆變器，是由一個(gè)三相正弦波發(fā)生器產(chǎn)生三相參考信號(hào)，與一個(gè)公用的三角載波信號(hào)相比較，而產(chǎn)生三相脈沖調(diào)制波。3.4變頻器的特點(diǎn)與應(yīng)用近年來，隨著電力電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的迅速發(fā)展，交流傳動(dòng)與控制技術(shù)成為目前發(fā)展最為迅速的技術(shù)之一，電氣傳動(dòng)技術(shù)面臨著一場(chǎng)歷史革命，即交流調(diào)速取代直流調(diào)速和計(jì)算機(jī)數(shù)字控制技術(shù)取代模擬控制技術(shù)已成為發(fā)展趨勢(shì)。電機(jī)交流變頻調(diào)速技術(shù)是當(dāng)今節(jié)電、改善工藝流程以提高產(chǎn)品

33、質(zhì)量和改善環(huán)境、推動(dòng)技術(shù)進(jìn)步的一種主要手段。變頻調(diào)速以其優(yōu)異的調(diào)速和起制動(dòng)性能，高效率、高功率因數(shù)和節(jié)電效果，廣泛的適用范圍及其它許多優(yōu)點(diǎn)而被國(guó)內(nèi)外公認(rèn)為最有發(fā)展前途的調(diào)速方式。變頻調(diào)速已被公認(rèn)為是最理想、最有發(fā)展前途的調(diào)速方式之一，采用通用變頻器構(gòu)成變頻調(diào)速傳動(dòng)系統(tǒng)的主要目的，一是為了滿足提高勞動(dòng)生產(chǎn)率、改善產(chǎn)品質(zhì)量、提高設(shè)備自動(dòng)化程度、提高生活質(zhì)量及改善生活環(huán)境等要求；二是為了節(jié)約能源、降低生產(chǎn)成本。3.4.1 變頻器的特點(diǎn)（1）變頻調(diào)速節(jié)能由于采用變頻調(diào)速后，風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載的節(jié)能效果最明顯，節(jié)電率可達(dá)到20%60%，這是因?yàn)轱L(fēng)機(jī)水泵的耗用功率與轉(zhuǎn)速的三次方成比例，當(dāng)用戶需要的平均流量較小

34、時(shí)，風(fēng)機(jī)、水泵的轉(zhuǎn)速較低，其節(jié)能效果也是十分可觀的。而傳統(tǒng)的擋板和法門進(jìn)行流量調(diào)節(jié)時(shí)，耗用功率變化不大。由于這類負(fù)載很多，約占交流電動(dòng)機(jī)總?cè)萘康?0%30%，它們的節(jié)能就具有非常重要的意義。對(duì)于一些在低速運(yùn)行的恒轉(zhuǎn)矩負(fù)載，如傳送帶等，變頻調(diào)速也可節(jié)能。除此之外，原有調(diào)速方式耗能較大者（如繞線轉(zhuǎn)子電動(dòng)機(jī)等），原有調(diào)速方式比較龐雜，效率較低者（如龍門刨床等），采用了變頻調(diào)速后，節(jié)能效果也很明顯。（2） 變頻調(diào)速在電動(dòng)機(jī)運(yùn)行方面的優(yōu)勢(shì)變頻調(diào)速很容易實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。只需要改變變頻器內(nèi)部逆變管的開關(guān)順序，即可實(shí)現(xiàn)輸出換相，也不存在因換相不當(dāng)而燒毀電動(dòng)機(jī)的問題。變頻調(diào)速系統(tǒng)起動(dòng)大都是從低速開始，頻率

35、較低。加、減速時(shí)間可以任意設(shè)定，故加、減速時(shí)間比較平緩，起動(dòng)電流較小，可以進(jìn)行較高頻率的起停。變頻調(diào)速系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)，變頻器可以利用自己的制動(dòng)回路，將機(jī)械負(fù)載的能量消耗在制動(dòng)電阻上，也可回饋給供電電網(wǎng)，但回饋給電網(wǎng)需增加專用附件，投資較大。除此之外，變頻器還具有直流制動(dòng)功能，需要制動(dòng)時(shí)，變頻器給電動(dòng)機(jī)加上一個(gè)直流電壓，進(jìn)行制動(dòng)，則無需另加制動(dòng)控制電路。（3）以提高工藝水平和產(chǎn)品質(zhì)量為目的的應(yīng)用變頻調(diào)速除了在風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載上的應(yīng)用以外，還可以廣泛應(yīng)用于傳送、卷繞、起重、擠壓、機(jī)床等各種機(jī)械設(shè)備控制領(lǐng)域。它可以提高奇特的產(chǎn)成品率，延長(zhǎng)設(shè)備的正常工作周期和使用壽命，使操作和控制系統(tǒng)得以簡(jiǎn)化，有的甚至可以

36、改變?cè)械墓に囈?guī)范，從而提高了整個(gè)設(shè)備控制水平。 3.4.2 變頻器的應(yīng)用由于控制技術(shù)的發(fā)展，變頻器除了具有基本的調(diào)速控制之外。更具有了多種算術(shù)運(yùn)算和智能控制功能，輸出精度高達(dá)0.1%-0.01%。它還設(shè)置有完善的檢測(cè)、保護(hù)環(huán)節(jié)，因此在自動(dòng)化系統(tǒng)中得到了廣泛的應(yīng)用。例如在印刷、電梯、紡織、機(jī)床、生產(chǎn)流水線等行業(yè)進(jìn)行速度控制。 表3.1 變頻器的應(yīng)用序號(hào)功能用途關(guān)鍵技術(shù)適用變頻器1節(jié)能風(fēng)機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)、泵提高運(yùn)行可靠性多臺(tái)控制和調(diào)速通用變頻器2提高生產(chǎn)率起重機(jī)、自動(dòng)倉(cāng)庫(kù)注塑機(jī)傳送帶調(diào)速提高可靠性運(yùn)行平穩(wěn)，防止滑落通用變頻器專用變頻器專用軟件3提高產(chǎn)品質(zhì)量機(jī)床紙、膜、鋼板加工印刷板開孔機(jī)平滑加減速調(diào)速

37、力矩控制定位控制通用變頻器工程型變頻器4設(shè)備合理化節(jié)省維護(hù)工廠自動(dòng)化纖維機(jī)械紙、膜、鋼板加工設(shè)備增速運(yùn)行力矩控制多電機(jī)一體控制多電機(jī)級(jí)聯(lián)控制提高可靠性通用變頻器工程型變頻器5改善環(huán)境耐惡劣環(huán)境空調(diào)機(jī)電梯減少噪音平滑加減速通用變頻器專用變頻器 4 控制系統(tǒng)硬件的電路設(shè)計(jì)4.1 注塑機(jī)變頻器改造原理由泵類負(fù)載的工作特性可知，泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比，其公式如下所示： Q2/Q1=N2/N1 (4-1) H2/H1=（N2/N1）2 (4-2) P2/P1=（N2/N1）3 (4-3)其中Q為流量、N為轉(zhuǎn)速、H為揚(yáng)程。圖4.1 閥門控制與變頻節(jié)

38、能比較圖中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(jī)系統(tǒng)采用閥門控制，當(dāng)流量由QA減少到QB時(shí)，由于管阻特性，工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到B點(diǎn)，消耗的功率與0EBF的面積成正比，若采用變頻控制，這時(shí)因閥門全開，其管阻特性不變，工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn)，消耗的功率與0ECK的面積成正比，因此，從圖4.1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(jī)輸出功率成立方關(guān)系減少，這樣，根據(jù)注塑工藝適時(shí)地調(diào)節(jié)油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可達(dá)到節(jié)能的目的。4.2 變頻器控制柜主電路以海天HTW300型注塑機(jī)為例，下表為該機(jī)型油泵參數(shù)：表4.1 注塑機(jī)油泵參數(shù)注塑機(jī)油泵參數(shù)三相電機(jī)型號(hào)功率轉(zhuǎn)數(shù)

39、50HP37.5KW980r/min油泵型號(hào)類型排量動(dòng)力流量雙聯(lián)葉片泵207cc/rev206.8L/min在改造注塑機(jī)時(shí)使用康活CVF-ZS-4T0150注塑機(jī)專用變頻器，保留注塑機(jī)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(shí)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(shí)可直接切換到工頻運(yùn)行，而不影響生產(chǎn)。圖4.2給出了注塑機(jī)變頻節(jié)能改造的主電路圖。圖中，ZD為斷路器，KM1、KM2、KM3為接觸器，HYPERLINK /tech/detail/SB3.htmlSB3為故障復(fù)位按鈕5。圖4.2 注塑機(jī)變頻節(jié)能改造主電路圖 圖4.3為注塑機(jī)變頻柜的控制電路框圖。圖中，H

40、YPERLINK /tech/detail/SB1.htmlSB1為工頻/變頻轉(zhuǎn)換開關(guān)，選用三級(jí)開關(guān)；HYPERLINK /tech/detail/SB2.htmlSB2為變頻器啟動(dòng)按鈕；L1為總電源指示燈；L2為工頻運(yùn)行指示燈；L3變頻運(yùn)行指示燈；L4為變頻器故障指示燈，其故障信號(hào)由變頻器TA、TC輸出；HYPERLINK /tech/detail/KM1.htmlKM1、KM2變頻運(yùn)行接觸器；KM3為工頻運(yùn)行接觸器6。圖4.3 注塑機(jī)變頻柜控制電路圖4.3 變頻器控制主要參數(shù)設(shè)置以康沃CVF-ZS-4T0150變頻器在在海注塑機(jī)HTW300中的應(yīng)用為例，變頻器采用比例流量比例壓力兩路信號(hào)控

41、制，變頻器主要參數(shù)設(shè)定如下表所示7。 表4.2 變頻器控制參數(shù)設(shè)置設(shè)定序號(hào)設(shè)定代碼設(shè)置值設(shè)置意義1B-4380電機(jī)額定電壓2B-560電機(jī)額定電流3B-650電機(jī)額定頻率4B-71450電機(jī)額定轉(zhuǎn)速5L-00恒轉(zhuǎn)矩曲線6L-14低頻轉(zhuǎn)矩補(bǔ)償7L-70.7加速時(shí)間8L-261外部動(dòng)行命令9H-31自動(dòng)節(jié)能運(yùn)行10H-103故障恢復(fù)次數(shù)11H-110.5故障恢復(fù)時(shí)間12S-02取兩路信號(hào)13S-10.8流量比例信號(hào)為主14S-20.2流量壓力為輔15S-30.15取小信號(hào)值16S-45.0最小頻率值17S-50.8最大信號(hào)值18S-646最大頻率值4.4 變頻器改造后的常見問題及解決方案 (1)生

42、產(chǎn)效率問題變頻器的啟動(dòng)（加速）、停機(jī)（減速）均須一定的時(shí)間，這樣勢(shì)必會(huì)影響生產(chǎn)的效率?？梢酝ㄟ^改進(jìn)生產(chǎn)工藝的方式使生產(chǎn)效率接近于工頻運(yùn)轉(zhuǎn)。 (2)信號(hào)干擾變頻器作為干擾源容易干擾別的設(shè)備，同時(shí)作為精密設(shè)備又容易被別的設(shè)備干擾。 如原注塑機(jī)沒有可靠的接地系統(tǒng)，建議重新設(shè)計(jì)接地回路，以保證注塑機(jī)、電機(jī)、變頻器以及其他需接地的電路有良好的接地回路。接地系統(tǒng)設(shè)計(jì)需參考抑制干擾，防止靜電的關(guān)鍵措施。 (3) 溫度信號(hào)受干擾的問題 某些注塑機(jī)，在經(jīng)過變頻改造后會(huì)發(fā)生溫度信號(hào)受干擾的現(xiàn)象，溫度信號(hào)大幅度偏移。不僅如此，改造后的注塑機(jī)還會(huì)對(duì)鄰近的一定距離內(nèi)的其他注塑機(jī)產(chǎn)生干擾，影響溫度控制。 經(jīng)過實(shí)際觀察與測(cè)試，在有可靠接地系統(tǒng)的情況下，改造后的注塑機(jī)只對(duì)本身的溫度信號(hào)有干擾，而對(duì)于鄰近的其他注塑機(jī)不會(huì)造成干擾。這說明，良好的接地系統(tǒng)可以吸收掉來自同一電網(wǎng)內(nèi)其他用電設(shè)備對(duì)其本身的干擾。 (4)注塑機(jī)電機(jī)的振動(dòng)問題。 電機(jī)振動(dòng)問題一般由兩種原因引起。第一：電動(dòng)機(jī)的機(jī)械共振，當(dāng)電機(jī)在某一頻率附近共振比較嚴(yán)重時(shí)可以通過設(shè)置共振頻率回避點(diǎn)來解決。變頻器提供了兩個(gè)共振頻率回避點(diǎn)，完全可以避免由于機(jī)械原因引起的共振現(xiàn)象。第二：變頻器頻率的快速波動(dòng)引起電機(jī)轉(zhuǎn)速突變，導(dǎo)致油泵，油管振動(dòng)。(5)電機(jī)發(fā)熱的問題 由于變頻改造后，電機(jī)運(yùn)行在低頻段的時(shí)間較長(zhǎng)，電機(jī)溫升會(huì)比原來升高56屬于正常情況，加裝脫離電機(jī)