变频器在注塑机节能改造中的应用

本网编辑 MM现代制造 2010-08-05

一． 塑料行业在国内的发展形势 现在人们已公认一个国家或地区塑料的人均年消耗量及塑料工业在国民经济中所占的地位是反映工业发展与进步的重要标志之一。中国塑料资源丰富，21世纪初主要合成树脂年产量达1.4万吨，排世界第4位。并且中国合成树脂的产量还在以5%~10%的速度增长。中国又是塑料消费大国，据统计，其年消耗量占世界第二，仅次于美国，而中国的人均消费仅为19kg，在世界排名第32位，是工业发达国家的11%~20%，可见中国的塑料工业还要大发展，塑料机械前景广阔。根据塑料制品的市场分析，目前中国塑料机械行业产值每年约100亿元，而国内市场需求约200亿元，还有很大空间，注塑机的需求也逐步由南方向北方扩散，同时也带将带动塑料工业关联产业的发展。二． 变频改造在注塑行业发展趋势 近几年塑料行业发展越来越迅速，其中注塑行业也正迎来一个飞速发展的机遇。但同时行业内的竞争也日渐激烈，各厂家除了重视产品质量和品牌外，也越来越重视生产成本的控制。从注塑机工艺过程知道，在注塑成型产品成本中，电能消耗成本占了很大的比例，因而能否有效减少电能损耗，受到了各注塑机厂家和用户的关注。随着变频调速技术的推广，变频调速在传动控制和节能领域已日渐得到了广泛应用，尤其在泵类负载场合采用变频控制节能效果显著。本文以四方注塑机专用型变频器为例，介绍了注塑机变频改造的可行性和改造中常出现的问题及相应处理方法。三． 注塑机变频改造可行性 3.1 注塑机基本概况及成型工艺过程
普通注塑机通常采用液压传动，其结构包含注射装置、开合模装置、液压传动装置和电气控制装置，后者的作用是保证注塑机预定工序的要求（压力、速度、温度、时间、位置）和动作程序准确有效地工作。
在传统的注塑机中液压传动装置主要由油泵、液压控制阀、压力电磁比例阀、流量电磁比例阀、各种不同的动作油缸、油泵电机及其它液压附件和管道组成，液压传动系统中的动力由电机带动油泵提供。其中，油泵绝大部分是定量油泵，电动机通常提供额定功率和转速，油泵将电动机所输入的机械能转变为压力能，然后向液压系统的液压元件输送具有一定压力和流量的液压油，满足液压执行机构驱动负载所需能量的要求注塑机成型工艺是一个按照预定的周期性动作过程，即以合模---射嘴前进---射胶---保压---溶胶、冷却---开模---取出制品---将被注塑件放入模具中—合模等加工工序达到某件产品成型。各个过程所需的速度和压力因不同工艺而不同，即所需的液压油流量不同，因而注塑机整个动作过程对油泵电机来说是个变负载过程。在定量泵注塑机液压系统中，油泵电机始终以恒定转速提供恒定流量的液压油，各个动作中相应多余的液压油则通过溢流阀回流，从而造成电能的浪费。据统计，由电液阀控模式造成电能损耗高达36～68%；根据注塑机设备工艺，油泵电机耗电占整个设备耗电比例高达65～80%。因此，对阀控电液模式进行节能改造具有很大的潜力。 3.2 普通注塑工艺中的主要损耗 第一为溢流损耗。随产品及加工工序不同，各工序所需液压、流量、压力不同（见附图1）。对于油泵马达而言，注塑机在注塑过程的负载是处于变化状态。而泵的流量是按照所需的最大流量来设计的，其原注塑油泵马达以恒定的转速提供的液压流量，当注塑机所需的流量小于最大流量时，多余的液压将通过溢流阀回流，这一部分能量就损耗掉了。 第二为节流损耗。当液压油流经阀的节流口时会有一定的压降，这就是节流损耗。由于方向阀的节流面积比较大，所以大部分的节流损耗发生在比例阀上。同时由于液压长期全速循环流动与液压件机械剧烈磨擦，造成油温过高，噪音过大，机械寿命缩短等不良现象。第 三为设计余量损耗。通常在设计中，一般会考虑到共用性，设计时以最大容量为基础，因此用户油泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，造成电能的大量浪费。

图一：注塑机工序图和能耗对照图 四．变频器在 注塑机节能改造中的优点 4.1 调速节能 根据注塑机的工艺要求,把总压阀、低压阀、一压阀、二压阀的开关信号经转换后加在变频器的输入端作为变频器的频率给定信号，变频器通过对其进行实时采样并通过CPU处理，使输出频率随比例阀的模拟信号成线形变化，在需要压力和流量较小的工艺过程中使电机转速降低，从而降低电机的输出功率，在冷却和半成品置入过程中可以让电机停转，使电机在整个负载范围内的能量损耗达到最小程度。 4.2 提高功率因数节能 无功功率不但增加线损和设备的发热，更主要的是因为功率因数的降低导致电网有功功率的降低。由公式S²=P²+Q²，Q=S*SINφ，P=S*COSφ，其中：S-视在功率。Q-无功功率，P-有功功率，COSφ-功率因数。可知，当COSφ越大，有功功率 P越大。普通定量泵注塑机COSφ值在0.6-0.8之间，而使用变频调速装置后，由于变频器内滤波电容的补偿作用，使得COSφ≈1，从而减小了无功损耗，增大了电网的有功功率。
4.3 软启动节能 由于原电机为直接启动或Y/△启动，启动电流等于(3-7)倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的冲击，而且还会增加电网容量要求，启动时产生的大电流和震动对设备的使用寿命极为不利。而使用变频节能装置后，利用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值被限制在变频器设置的加速中电流限幅水平以内，一般不超过1.7倍额定电流，减轻了对电网的冲击和对电网容量的要求，延长了设备和模具的使用寿命。五． 变频器节能改造原理 由泵类负载的工作特性可知，泵的流量与转速成正比，泵的扬程与转速的平方成正比，泵电机轴功率与转速的立方成正比,如下述公式所示: Q2/Q1=N2/N1 ； H2/H1=(N2/N1)2 ； P2/P1=(N2/N1)3 其中Q为流量、N为转速、H为扬程。

图2：阀门控制与变频控制节能比较图2给出了阀门控制与变频控制两种模式下的节能效果比较。原有注塑机系统采用阀门控制，当流量由QA减少到QB时，由于管阻特性，工作点由A点转移B点，消耗的功率与0EBF的面积成正比。若采用变频控制，这时因阀门全开，其管阻特性不变，工作点由A点转移到C点，消耗的功率与0ECH的面积成正比。因此，从图2中可以看出，采用变频调速比阀门控制更加节能，且随着转速的降低，电机输出功率成立方关系减少。这样，根据注塑工艺适时地调节油泵电机的转速，即可达到节能的目的。目前三相异步电动机大多采用变频调速，由电机同步转速公式： n=60 （ 1-S ） f/p 其中，n为电机转速；s为转差率；f为供电频率；p为极对数。由上式可知，改变电源频率即可改变电机转速。因此，采用注塑机比例流量阀及比例压力阀的控制信号同步控制油泵马达的变频器，使油泵电机的转速与注塑机工作所需的压力、流量成正比，从而使溢流阀的回流量减到最小，液压系统输出与注塑机生产所需功率相匹配，便可达到节能目的。据统计，其单机节电率可达25～65%。六． 四方变频器的应用 6.1 四方注塑机专用变频器的特点 四方注塑机专用变频器（E520系列）是根据注塑机工作特性专门设计的变频调速器。通过对阀控电流、电压信号的采集，经CPU处理后对油泵电机进行相应的调速，从而满足注塑机工艺要求。它具有以下特点：（1）具有适合注塑机专用的频率给定信号通道通用变频器的频率给定信号标准为0～10V电压信号或4～20mA电流信号，但注塑机专用变频器则需具有0～1A/10V信号接收通道。四方E520系列变频器可直接入0～1A电流信号，而不需要另外加装信号转换电路。（2）过载能力强、响应速度快一般注塑产品的工艺周期相对较短，从10几秒到几分钟不等。一个成型产品从开模到合模，要求各个过程动作迅速。采用变频控制时，油泵电机负载频繁变化，这就要求变频器有很强的过载能力。四方E520系列变频器根据阀控信号进行快速升降速，加减速时间可达0.5～1s。 6.2 变频改造电路 注塑机变频改造时采用变频＋工频控制方式。其控制柜主电路由电度表、四方变频器和工频旁路接触器等构成，控制电路由工频/变频切换开关、启动、复位开关、指示灯等构成。（ 1 ） 变频控制柜主电路 图3给出了注塑机变频节能改造的主电路图。图中，QF为断路器，KM1、KM2、KM3为接触器。在改造注塑机时仍保留注塑机原有控制电路中的星-三角转换电路，这样可方便改造同时保持注塑原来的控制特性。采用工频旁路目的是为了在变频器出故障时可直接切换到工频运行，而不影响生产。

图3：注塑机变频节能改造主电路图（ 2 ）变频控制柜控制电路 图4为注塑机变频柜的控制电路框图。图中，SB为工频/变频转换开关，选用三级开关；SB1为变频器停止按钮，SB2为变频器启动按钮；L1为总电源指示灯；L2为工频运行指示灯；L3变频运行指示灯；L4为变频器故障指示灯，其故障信号由变频器TA、TC输出；KM1、KM2变频运行接触器；KM3为工频运行接触器。

图4：注塑机变频柜控制电路框图（ 3 ）变频主要参数设置 以四方E520系列变频器在注塑机中的应用为例，变频器采用比例流量＋比例压力两路信号控制，主要参数设定如表1所示。 F0.0=1, F0.1=1, F0.7=1 F3.19=2 F0.8=0.7, F0.9=1.8, F3.1=0.12, F3.2=0.76 F3.3=0.12, F3.4=0.70 F3.5=0.5, F3.6=0.5 表1：四方E520系列的主要参数设定 （4）E520系列注塑机专用变频器的特点 1．与注塑机同步运行，调试完成投用后无需任何调节；即使更换模具和改变加工参数，均无需对变频节能控制器进行调整。 2．改造后注塑机液压油发热明显降低，一般比改造前平均油温降低15~20℃以上；液压油使用寿命可得到延长；注塑机冷却用水量可节省30％以上。 3．对整个系统的保护功能，（1）、变频器自身的保护；（2）、对电机的保护；如：电流限制、过载、输出短路或输出接地等（3）、对因误操作引起的机械损伤进行保护；如：未到熔融温度强行溶胶引起火箭头、炮筒、螺杆或溶胶马达的损坏等。 4．注塑机运行噪音明显降低，开、锁模振动减轻，延长设备和模具的使用寿命，改善工作环境；用电功率因数提高，油泵主电机平滑启动，启动时无大电流冲击并可减少配电设备容量。 5．延长油路密封组件的使用寿命，减少停机维修几率，节省大量维护费用。 6．注塑件加工周期越长，节能效果越好；七． 调试中常出现的问题及处理方法 7.1 调试前注意事项 注塑机变频节能电气改造相对比较简单。但在改造前应详细了解注塑机工况，熟悉注塑机工艺流程。调试时应注意以下事项：安装前查清注塑机原有电路接线方式，包括主电路和控制电路；仔细观察注塑机工频运行是否正常，油泵马达是否经常处于过载状态；根据注塑机的模具及注塑工艺观察注塑机节电改造的潜能；控制信号线路注意正负极性不要接反；信号线与主回路线要分开布线等。 7.2 调试常见问题及处理方法 由于注塑机工艺的特殊性，在改造中会遇到各种故障，以下为在注塑机变频改造中常遇到的问题及处理方法。（1）变频器频率无变化由于变频器采用注塑机阀控电流信号进行调速，变频器运行后可能出现频率显示为0.0（有的变频器显示为0）现象，其主要原因包括：信号极性接反；信号取错；信号接线端口与参数设定不符；注塑机辅助电源故障等。出现这种故障时，应先查明注塑机阀控制的类别是电流信号、电压信号还是脉冲控制信号（部分机型），及信号正负极性是否与变频器控制端子对应。（2）油泵噪音大变频器运行后有些注塑机会发出异常的噪音，这时应判断噪声源在何处，是来自电机还是油泵。若为油泵的噪音，则可能原因有：注塑机液压油过少，有空气吸入；注塑机滤油器或油路阻塞；注塑机油泵叶片磨损较严重。遇到该情况应先检查注塑机油泵，排除故障后方可运行。另外，当注塑机处于低速高压工作状态时，也会出现油泵噪音异常情况，这时应适当提高速度给定。（3）温度控制干扰另一个注塑机变频器改造中常遇见的问题，是改造后注塑机因干扰不能正常运行。注塑机加热单元一般采用热电偶检测温度，这种检测元件容易受谐波干扰，从而造成注塑机温度显示和控制不准确。这时可从以下方面排除干扰：尽量缩短变频器与注塑机电动机之间的连线，动力线用金属软管套装，动力线与温度检测线不要靠近走线；在变频器近端主回路线缆上加装电抗器或磁环；变频器可靠接地；或给注塑机内部温控电偶供电电源加阻容滤波电路，如图5所示。