KEB變頻器在注塑機中的應用

-.zKEB科比變頻器在注塑機中的應用摘要：本文介紹了德國科比〔KEB〕變頻器在注塑機上的應用情況，進展了方案比較，獲得了一些實用經歷，供讀者參考。關鍵詞：變頻器、矢量控制、無速度傳感器矢量控制、水冷變頻器。前言半個世紀以來，塑料已成為工農業(yè)和民用主要的材料之一。注塑機就是一種專用的塑料成型機械。它利用塑料的熱塑性，經適當加熱熔化后，加高壓快速流入模腔經一定時間保壓、冷卻。成為各種型材和塑料制品。在注塑機上推廣應用變頻器可以實現節(jié)約電能、提高生產率和產品質量，降低油污染和噪聲污染，延長機器使用壽命等優(yōu)點。因此將逐步推廣使用。注塑機變頻調速系統(tǒng)的方案注塑機的工作循環(huán)如下：鎖合模：模板快速，接近定模板，且確認無異物存在時，系統(tǒng)轉為高壓，將模板鎖合。注射臺前移：噴嘴與模具緊貼。注射：注射螺桿以一定的壓力和速度將料筒前端的熔料注入模腔。保壓、冷卻：通過此動作，使模腔內的塑料制品冷卻成形。預塑：傳統(tǒng)上應用液壓馬達驅動螺桿并后退，料斗中參加的塑料粒子被前推進展預塑。螺桿后退到預定位置，停頓轉動，準備下一次注射。注射臺后退，開模頂出制品以上這些動作在傳統(tǒng)的注塑機上都是以液壓系統(tǒng)來完成的。由油泵和不同閥門的配合產生的壓力和流量，提供油缸和液壓馬達所要求的推動力和移動速度。眾所周知，油泵的輸出功率Pt=p*qt=p*V*n(1)而油泵的理論轉矩：Tt=1/2pi*p*V(2)式中p為壓力，qt為流量，V為油泵排量，n為油泵轉速將〔2〕式代入〔1〕式得：Pt=2pi*Tt*n(3)如果忽略機械能到液壓能轉換過程中的能量損失，則可近似認為油泵的輸出功率與電機的輸出轉矩與電機轉速成正比。因此可以看出，當系統(tǒng)要求低流量時，系統(tǒng)要求的功率其實是非常低的。但是實際情況卻是，由于電動機始終運行在工頻50Hz狀態(tài)上，并不能根據實際的需求來降低其轉速，從而減小流量。因此多余的液壓油通過比例流量閥流回油箱，造成能源的白白浪費。根據以上事實，德國科比〔KEB〕公司以此為根底，在幾年的實踐應用中積累了許多珍貴經歷，提出了多種變頻器在注塑機械上的節(jié)能方案，并且取得了成功。方案一油泵變頻調速此種方案采用了KEBF4-F系列閉環(huán)矢量控制水冷變頻器。將控制比例流量閥的電流信號同時輸入給變頻器的模擬量輸入端，通過控制油泵電機的轉速，油泵的實際流量正比于電機的轉速，油泵的功率因此也正比于電機的轉速〔見公式3〕，起到了節(jié)能的目的。根據塑料制品和工藝要求的不同，其節(jié)能效果從35%至70%的*圍內不等?！补?jié)能數據比照表〕同時與始終運行在工頻轉速上的電機和油泵相比較，伴隨著電機轉速的降低，平均音量降低3-5分貝。減少3分貝的噪音可使實際噪音降低50%，因此工廠的環(huán)境和員工的注意力得到提高。由于變頻器采用水冷穿墻形式，變頻器主體與散熱片通過電控箱完全隔離，變頻器實際密閉于電控箱中，其防護等級可提高到IP54，杜絕了由于粉塵、油污侵入電子設備中導致損壞的可能性，確保了變頻器的使用平安。同時，采用水冷方式，變頻器的功率單元IGBT始終工作在*一設定溫度*圍內，而IGBT的工作時間直接反映到變頻器的使用壽命，采用水冷方式可使變頻器的壽命延長1倍，可到達15年以上。方案二電動預塑機構〔電液混合式注塑機〕圖二作為電液混合式注塑機，是采用電動機構來替代一局部液壓系統(tǒng)，這樣既保存了液壓系統(tǒng)的動力強、響應迅速等優(yōu)點，同時又添加了電動系統(tǒng)的高效率，節(jié)省能源的優(yōu)勢，使機器本身的性能有了很大的提高。電動預塑機構是電液混合式注塑機中最常見的一種方式。它使用了包括水冷矢量控制F4-F變頻器和水冷減速箱電機〔或大轉矩電機〕，以取代傳統(tǒng)的液壓馬達。其帶來的優(yōu)點：除了節(jié)約〔25%以上〕和降低噪音以外〔3分貝〕，還大大縮減了液壓系統(tǒng)，液壓系統(tǒng)的功率可因此平均降低了30%。相關的液壓設備的安裝固定及維護費用大幅降低。由于使用F4-F矢量控制變頻器，對于預塑螺桿的速度控制較之液壓馬達，更為準確，故能保證每模的注塑量的一致性，使產品的質量得到提高。并且電動預塑機構是一個獨立系統(tǒng)，所以預塑過程可在開合模時同時完成。對于一些冷卻時間較短的制品，所以可縮短產品生產周期，提高制品產量。方案三全電動注塑機全電動注塑機方案是在方案二的根底上，將鎖模機構、落料機構、注塑機構等都用伺服系統(tǒng)，從而徹底拋開了液壓系統(tǒng)。由于KEB在此方案上采用了直流母線方式連接，當任意一個電機處于減速過程的能量反響狀態(tài)，其反響的電能可直接其它的電機上，而不是消耗在制動電阻上。此方案又可以節(jié)省15%以上的電能。由于沒有了液壓系統(tǒng)，油污染的問題迎刃而解，整機的效率也得到了顯著的提高，產品的精度在幾個環(huán)節(jié)上都得到了保證，比較適用于對產品精度要求十分高的場合。油泵變頻調速方案的探討由于現今在中國對注塑機節(jié)能改造的方案主要集中于油泵變頻調速，而針對油泵電機采用的變頻器，也有幾種不同類型的應用。例如：采用普通開環(huán)VVVF型變頻器，KEBF4-C系列；采用編碼器速度反響的閉環(huán)矢量控制變頻器KEBF4-F系列；以及采用無速度傳感器矢量控制變頻器KEBF5-G系列?，F對以上三種不同類型的變頻器在油泵調速性能方面作一比較，并加以探討。使用KEBF4-C開環(huán)通用變頻器普通的VVVF調速方式，即變壓變頻，當頻率與電壓的比率保持恒定，則電機的磁通不變。由于此種方式沒有速度反響裝置，即不能準確反映電機的真實轉速，而電機亦采用的是三項異步電機，轉子的實際轉速同定子旋轉磁場間存在轉差，當外部負載發(fā)生變化時，轉差率也隨之變化，但變頻器并不能對此進展補償，致使油泵轉速發(fā)生變化，造成了流量的誤差，直接導致制品質量的下降。而且，變壓變頻的另一缺陷在于，當輸出頻率為0Hz時，理論輸出電壓為0V，電機定子的磁通Фm近似為0，從而影響了電機的起動特性，加速響應相比照擬緩慢。而對于注塑機而言，往往在完成*些例如注射等動作時，需要瞬時提供高壓力、大流量，如果采用開環(huán)通用變頻器，其起壓響應難以到達要求，影響注塑壓力。使用KEBF4-F閉環(huán)矢量控制變頻器KEBF4-F變頻器采用了轉子磁場定向的控制理論，即對異步電機的電流進展坐標變換，等效成直流電機的控制方式。在三相坐標系下的釘子交流電流iA、iB、iC通過三相/兩相變換，可以等效成兩相靜止坐標系下的交流電流iα，iβ，在通過按轉子磁場定向的旋轉變換，可以等效成同步旋轉坐標系下的直流電流it、im。im相當于直流電機的勵磁電流，it相當于直流電機中同轉矩成正比的電樞電流。由于無論電機處在什么狀態(tài)，運行或靜止，其勵磁電流im始終存在，而轉矩的大小只要獨立調節(jié)電樞電流it，故可以使異步電機始終處于高動態(tài)的狀態(tài)，其從0rpm加速至1000rpm的時間只需30ms，改變了變壓變頻調速系統(tǒng)動態(tài)性差的缺乏，對于注塑機整個運行循環(huán)的跟隨性非常高。通過KEBF4-F變頻器對電機的自學習，準確測量了定子的電阻和電感，從而使勵磁電流im恒定，從而恒定磁通Фm。再由于電機轉差頻率ωs=K*it/Фm(4)即當磁通Фm恒定時，矢量控制系統(tǒng)的轉差頻率在動態(tài)中與轉矩成正比，則定子磁場頻率ω1=ω+ωs〔5〕〔ω為轉子頻率〕可以受控。這就意味著，當負載產生波動，變頻器控制局部可迅速計算出實際轉差頻率ωs，從而給出定子準確的旋轉頻率，使電機轉速保持不變，提高了電機面對負載變化的運行穩(wěn)定性。使用KEBF5-G無傳感器矢量控制變頻器KEBF5-G變頻器采用矢量控制原理為根底，同樣通過計算轉差頻率ωs，控制定子旋轉磁場。但與閉環(huán)矢量控制的區(qū)別在于，其定子電流相位是由內部計算得出，而并非靠對定子頻率ω1測量積分得到的實際相位信號。因此，此種方式相比F4-C通用變頻器，可使電機在低速運行時有更大的轉矩〔2.5倍以上的額定轉矩〕，有較好的家減速性能，轉矩突變時響應也很快。由于此種方式可省去編碼器的安裝，對于注塑機節(jié)能改造來說，整個系統(tǒng)的改變相比照擬簡單，同時又可獲得較高的動態(tài)性能。三種變頻器比照表F4-CF4-FF5-G開環(huán)，無速度反響經增量編碼器速度反響無速度反響，內部閉環(huán)通過U/f特性協調控制電機，電壓控制系統(tǒng)通過轉子定磁場控制方式，電流控制系統(tǒng)通過轉子定磁場控制方式，電流控制系統(tǒng)通過給定調節(jié)頻率;實際值受滑差變化影響通過給定調節(jié)速度;滑差受控通過給定調節(jié)速度;滑差受控低頻時轉矩減小低速時可有非常高的轉矩低速時可有較高的轉矩零速時無鎖定力矩零速時可有鎖定力矩零速時可有鎖定力矩速度響應:較長速度響應:很快速度響