注塑機的變頻節能調速

1 概述

螺桿式塑料注射成型機從上世紀50 年代推出，至今已有50多年的歷史。目前，在工程塑料加工業(yè)中，80%采用注射成型。其工藝過(guò)程是塑料顆粒(ABS，聚乙烯，改型聚苯乙烯等)在注塑機料筒內通過(guò)多段加熱器加熱融蝕后，經(jīng)螺桿攪拌增壓后注射入模具腔內，保壓冷卻成型，完成一個(gè)工件的加工過(guò)程。對于塑料加工，注塑機完整的工藝流程為，合模—鎖模—注射—保壓—冷卻—脫模—開(kāi)模。其中保壓和冷卻，脫模和開(kāi)模是同時(shí)進(jìn)行的，即保壓過(guò)程中，模具在通水冷卻;在開(kāi)模的過(guò)程中，模具內的脫模頂針由隱蔽處逐漸伸出，使附注在模具上的工件脫落, 開(kāi)模到位后一個(gè)加工過(guò)程結束。不論大、中、小型注塑機，其工藝流程都是相同的。目前絕大多數的注塑機都是液壓傳動(dòng)的注塑機，以上的工藝動(dòng)作過(guò)程所需要的動(dòng)力，均由液壓系統中的油泵提供，油泵又有變量泵和定量泵之分。在注塑機工作時(shí),一個(gè)工作周期中各個(gè)工序的負荷變化很大，液壓系統所要求的流量和壓力是不同的，生產(chǎn)油泵時(shí)已經(jīng)考慮了這種變化，當液壓系統需要的流量和壓力變化時(shí)，油泵的供油量自動(dòng)地增大或減小，這種油泵就是變量泵，不需要再用變頻器進(jìn)行調速控制。廣泛使用的另一種油泵是定量泵，它的供油量是恒定的，注塑機工作過(guò)程中流量和壓力的變化是靠流量比例閥和壓力閥來(lái)調節的，多余的油量經(jīng)溢流閥流回油箱。這樣，加劇了閥門(mén)和油泵的磨損，造成油溫升高，電機噪聲過(guò)大。另外，從注塑機的設計看，通常在設計時(shí)油泵都要留有余量，一般考慮10%~15%，但油泵的系列是有限的，往往選不到合適的油泵型號時(shí)就往上靠，存在嚴重的“大馬拉小車(chē)“現象，造成電能的大量浪費。因此，對定量泵的注塑機進(jìn)行變頻調速改造，節約電能，提高經(jīng)濟效率具有重要的意義。

2 注塑機節能分析

根據注塑機的工藝過(guò)程，畫(huà)出系統油壓p 與時(shí)間t的關(guān)系圖，如圖1 所示。

由圖1 可見(jiàn)，合模和脫模、開(kāi)模系統所需油壓較低，且時(shí)間較短;而注射，保壓，冷卻系統所需油壓較高，且時(shí)間較長(cháng)，一般為一個(gè)工作周期的40%~60%，時(shí)間的長(cháng)短與加工工件有關(guān);間歇期更短，這也與加工工件的情況有關(guān)，有時(shí)可以不要間隙期。圖1 只是一種簡(jiǎn)單的近似表示，實(shí)際上，如果注射的螺桿用油馬達驅動(dòng)，注射時(shí)的系統油壓會(huì )高一些。注塑機加工工件的重量，從數十g 到數萬(wàn)g 不等，最大注塑機已到92 000 g。因此，注塑機就有中型、小型和大型之分，加工數十g 的小工件和加工數kg 的大工件所需的一個(gè)周期的時(shí)間也是不相同的;就是對同一臺注塑機，加工工件的原料不同，各段工藝流程中所需的壓力和時(shí)間也是變化的。這些工藝參數的設定，是由現場(chǎng)技術(shù)員根據經(jīng)驗數據和試驗的情況制定的。

從圖1 可見(jiàn)，一個(gè)周期的工作流程中，負載的變化導致系統壓力變化比較大，但油泵仍在50 Hz運行，其供油量是恒定不變的，多余的液壓油經(jīng)溢流閥流回油箱，做無(wú)用功，白白地浪費了電能。對油泵進(jìn)行變頻調速，將定量泵改變?yōu)轭?lèi)似變量泵的特性。系統所需壓力較高時(shí)，油泵電機50 Hz 運行，所需壓力較小時(shí)，變頻器降頻運行。電機輸出的軸功率與油泵的出口壓力和流量的乘積成正比，油泵電機轉速降低后，輸出軸功率降低，就可以達到有效節能，一般節電率在20%~50%。

3 注塑機變頻節能調速改造方案

使用液壓系統的注塑機，有立式和臥式之分。

數十g 的立式注塑機，油泵采用一個(gè)齒輪泵，電機的容量較小，電氣控制電路也較簡(jiǎn)單。改造時(shí)，將變頻器接入電機的供電回路，再將流量比例閥的信號(0~1 A)，變換為4~20 mA 或0~10 V 信號送到變頻器的相應端口上，這樣，隨著(zhù)加工過(guò)程的變化，液壓油的流量也在變化。一般來(lái)說(shuō)，取相對值變化較大的流量信號作控制信號較好，控制信號變化對變頻器頻率調節的范圍大一些;而壓力信號相對值變化較小，對變頻器頻率調節的范圍小一些。如果變頻器頻率調節的范圍不能滿(mǎn)足工藝要求，可用變頻器的“頻率增益”功能來(lái)調整。如果使用希望森蘭BT40S 變頻器的功能碼F27，頻率增益的調節范圍為50%~200%。注塑機專(zhuān)用變頻器就是在通用變頻器的基礎增加了0~1A 信號轉換環(huán)節，使用起來(lái)更方便些。

60 g 以上的都是臥式注塑機，60 g~500 g的注塑機，有的是一個(gè)油泵，也有的是兩個(gè)油泵。其中帶有一個(gè)油泵的臥式注塑機的改造和立式注塑機的改造是相同的。仍然是從流量比例閥取出0~1 A的信號作為變頻器的速度調節信號，雖然速度調節信號是由液壓回路元件反饋到變頻器，但調節回路中沒(méi)有給定信號，因此控制還是屬于開(kāi)環(huán)控制方式。也是因為節能的原因，大中型注塑機的油泵可能不止一個(gè)，如三菱850-MM、1300-MM、1800-MM、2000-MM 注塑機均有3 個(gè)油泵。

對應注塑工藝流程，在合模階段，所需的系統壓力較低，這時(shí)只有1# 油泵工作，到鎖模階段所需的系統壓力較高時(shí)，2#油泵再投入工作，在注射階段所需的壓力最高，3臺油泵同時(shí)投入工作，脫模開(kāi)模所需的壓力較低，再分別停止3#，2#油泵工作。只要開(kāi)機，1#油泵就一直運行。用3臺小油泵按不同的工藝階段間斷工作，比用1 臺大泵一直在運行要節能。具有兩個(gè)以上油泵的注塑機如何改造?

這里以三菱1800-MM 注塑機的改造為例加以說(shuō)明。三菱1800-MM 注塑機有3 個(gè)45 kW 油泵電機，用1 臺變頻器驅動(dòng)1# 油泵電機，變頻器的調節信號取自注塑機流量比例閥，這樣，此變頻器的頻率就隨注塑機液壓油的流量的改變而變化。另外兩個(gè)油泵電機，可以分別用兩臺變頻器驅動(dòng)。不過(guò)這兩臺變頻器對電機不進(jìn)行調速，只作兩位式的控制，即起動(dòng)和停止?？刂谱冾l器的起動(dòng)和停止信號，取自于原來(lái)該油泵電機的起動(dòng)和停止信號。

變頻器的上限頻率設定在50 Hz 以下，具體設定值與加工的工件尺寸，材料，料筒的溫度等因素有關(guān)。如果變頻器運行頻率低于50 Hz，就可以節能。實(shí)際上，注塑機在設計時(shí)都留有余量，所以加工工件尺寸，材料的變化所需的油壓也要隨之變化。如果注射的壓力過(guò)大而鎖模力不足，會(huì )使工件出現飛邊;若注射力不足，模具腔內塑料會(huì )注不滿(mǎn)，工件報廢;保壓力不足時(shí)，工件中塑料比較厚的地方會(huì )出現收縮。本例兩臺變頻器的運行頻率為37 Hz，注塑機的節能率達23%。

4 注意事項

4.1 變頻器的選型

注塑機的油泵普遍使用的是葉片泵和柱塞泵，機械特性為恒轉矩，所以選用具有恒轉矩特性的變頻器，V/f控制或矢量控制變頻器均可，也可選用注塑機專(zhuān)用型?？紤]到注塑工藝各階段的時(shí)間有一定要求，變頻器的加速和減速時(shí)間要短，一般為1 s，這樣變頻器的容量就要適當加大。根據經(jīng)驗，矢量控制變頻器選大一檔，V/f 控制的變頻器會(huì )選得更大一些。為防止過(guò)載燒電機，調試變頻器時(shí)，注意設定好電子熱繼電器功能。

4.2 備用系統

注塑機進(jìn)行變頻節能改造時(shí)，保留原有的工頻起動(dòng)回路作備用，這樣一旦變頻器有故障，還能用工頻起動(dòng)油泵電機繼續運行。

4.3 變頻器對注塑機數字儀表的干擾

現在在注塑機上廣泛使用的是交-直-交變頻器，其輸出電流中含有諧波成分，可能會(huì )對注塑機產(chǎn)生干擾，最易受干擾的是溫度控制儀表，因此，在安裝變頻器時(shí)需要注意：

1)變頻器需加裝輸入和輸出電抗器;

2)為了避免相互造成干擾，引入變頻的控制線(xiàn)要作屏蔽處理，最好采用4~20 mA電流信號;

3)變頻器機殼要可靠接地;

4)變頻器安裝在注塑機內部時(shí)，特別要關(guān)注通風(fēng)散熱問(wèn)題。

4.4 電機轉速降低后的溫升

電機用變頻器驅動(dòng)后，溫升會(huì )增加10%，電機速度又降低后，自帶的風(fēng)機轉速變慢，散熱效率減低，溫升還會(huì )增加;但是，考慮到油泵是間歇工作的，溫升也不會(huì )增加多少。在我們做過(guò)的注塑機改造中，有的在電機上加了恒速風(fēng)機，有的沒(méi)加，所以加不加恒速風(fēng)機，要根據電機工作時(shí)的溫度來(lái)決定。

5 結語(yǔ)

對注塑機進(jìn)行變頻調速，主要的目的在于節能。從小型，中型到大型注塑機都可以加裝變頻器進(jìn)行節能改造。改造之初，涉及到節能效率的估算。注塑機節能主要與注塑工藝過(guò)程相關(guān)，要做出一個(gè)準確的計算比較困難，一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)改造，一個(gè)油泵電機的注塑機節能在30%~50%之間，多個(gè)油泵電機的注塑機節能在15%~30%之間。另外，油泵速度的降低減少了機械的磨損，間接的經(jīng)濟效益也不可小視。