注塑機的變頻節(jié)能調(diào)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。其工藝過程是塑料顆粒(ABS，聚乙烯，改型聚苯乙烯等)在注塑機料筒內(nèi)通過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(nèi)，保壓冷卻成型，完成一個工件的加工過程。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—開模。其中保壓和冷卻，脫模和開模是同時進行的，即保壓過程中，模具在通水冷卻;在開模的過程中，模具內(nèi)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, 開模到位后一個加工過程結(jié)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(shù)的注塑機都是液壓傳動的注塑機，以上的工藝動作過程所需要的動力，均由液壓系統(tǒng)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,一個工作周期中各個工序的負荷變化很大，液壓系統(tǒng)所要求的流量和壓力是不同的，生產(chǎn)油泵時已經(jīng)考慮了這種變化，當液壓系統(tǒng)需要的流量和壓力變化時，油泵的供油量自動地增大或減小，這種油泵就是變量泵，不需要再用變頻器進行調(diào)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，注塑機工作過程中流量和壓力的變化是靠流量比例閥和壓力閥來調(diào)節(jié)的，多余的油量經(jīng)溢流閥流回油箱。這樣，加劇了閥門和油泵的磨損，造成油溫升高，電機噪聲過大。另外，從注塑機的設(shè)計看，通常在設(shè)計時油泵都要留有余量，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就往上靠，存在嚴重的“大馬拉小車“現(xiàn)象，造成電能的大量浪費。因此，對定量泵的注塑機進行變頻調(diào)速改造，節(jié)約電能，提高經(jīng)濟效率具有重要的意義。

2 注塑機節(jié)能分析

根據(jù)注塑機的工藝過程，畫出系統(tǒng)油壓p 與時間t的關(guān)系圖，如圖1 所示。

由圖1 可見，合模和脫模、開模系統(tǒng)所需油壓較低，且時間較短;而注射，保壓，冷卻系統(tǒng)所需油壓較高，且時間較長，一般為一個工作周期的40%~60%，時間的長短與加工工件有關(guān);間歇期更短，這也與加工工件的情況有關(guān)，有時可以不要間隙期。圖1 只是一種簡單的近似表示，實際上，如果注射的螺桿用油馬達驅(qū)動，注射時的系統(tǒng)油壓會高一些。注塑機加工工件的重量，從數(shù)十g 到數(shù)萬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(shù)十g 的小工件和加工數(shù)kg 的大工件所需的一個周期的時間也是不相同的;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間也是變化的。這些工藝參數(shù)的設(shè)定，是由現(xiàn)場技術(shù)員根據(jù)經(jīng)驗數(shù)據(jù)和試驗的情況制定的。

從圖1 可見，一個周期的工作流程中，負載的變化導(dǎo)致系統(tǒng)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，做無用功，白白地浪費了電能。對油泵進行變頻調(diào)速，將定量泵改變?yōu)轭愃谱兞勘玫奶匦?。系統(tǒng)所需壓力較高時，油泵電機50 Hz 運行，所需壓力較小時，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(zhuǎn)速降低后，輸出軸功率降低，就可以達到有效節(jié)能，一般節(jié)電率在20%~50%。

3 注塑機變頻節(jié)能調(diào)速改造方案

使用液壓系統(tǒng)的注塑機，有立式和臥式之分。

數(shù)十g 的立式注塑機，油泵采用一個齒輪泵，電機的容量較小，電氣控制電路也較簡單。改造時，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(yīng)端口上，這樣，隨著加工過程的變化，液壓油的流量也在變化。一般來說，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(diào)節(jié)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(diào)節(jié)的范圍小一些。如果變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍不能滿足工藝要求，可用變頻器的“頻率增益”功能來調(diào)整。如果使用希望森蘭BT40S 變頻器的功能碼F27，頻率增益的調(diào)節(jié)范圍為50%~200%。注塑機專用變頻器就是在通用變頻器的基礎(chǔ)增加了0~1A 信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使用起來更方便些。

60 g 以上的都是臥式注塑機，60 g~500 g的注塑機，有的是一個油泵，也有的是兩個油泵。其中帶有一個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(diào)節(jié)信號，雖然速度調(diào)節(jié)信號是由液壓回路元件反饋到變頻器，但調(diào)節(jié)回路中沒有給定信號，因此控制還是屬于開環(huán)控制方式。也是因為節(jié)能的原因，大中型注塑機的油泵可能不止一個，如三菱850-MM、1300-MM、1800-MM、2000-MM 注塑機均有3 個油泵。

對應(yīng)注塑工藝流程，在合模階段，所需的系統(tǒng)壓力較低，這時只有1# 油泵工作，到鎖模階段所需的系統(tǒng)壓力較高時，2#油泵再投入工作，在注射階段所需的壓力最高，3臺油泵同時投入工作，脫模開模所需的壓力較低，再分別停止3#，2#油泵工作。只要開機，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(jié)能。具有兩個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明。三菱1800-MM 注塑機有3 個45 kW 油泵電機，用1 臺變頻器驅(qū)動1# 油泵電機，變頻器的調(diào)節(jié)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。另外兩個油泵電機，可以分別用兩臺變頻器驅(qū)動。不過這兩臺變頻器對電機不進行調(diào)速，只作兩位式的控制，即起動和停止?？刂谱冾l器的起動和停止信號，取自于原來該油泵電機的起動和停止信號。

變頻器的上限頻率設(shè)定在50 Hz 以下，具體設(shè)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(jié)能。實際上，注塑機在設(shè)計時都留有余量，所以加工工件尺寸，材料的變化所需的油壓也要隨之變化。如果注射的壓力過大而鎖模力不足，會使工件出現(xiàn)飛邊;若注射力不足，模具腔內(nèi)塑料會注不滿，工件報廢;保壓力不足時，工件中塑料比較厚的地方會出現(xiàn)收縮。本例兩臺變頻器的運行頻率為37 Hz，注塑機的節(jié)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(zhuǎn)矩，所以選用具有恒轉(zhuǎn)矩特性的變頻器，V/f控制或矢量控制變頻器均可，也可選用注塑機專用型?？紤]到注塑工藝各階段的時間有一定要求，變頻器的加速和減速時間要短，一般為1 s，這樣變頻器的容量就要適當加大。根據(jù)經(jīng)驗，矢量控制變頻器選大一檔，V/f 控制的變頻器會選得更大一些。為防止過載燒電機，調(diào)試變頻器時，注意設(shè)定好電子熱繼電器功能。

4.2 備用系統(tǒng)

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

4.3 變頻器對注塑機數(shù)字儀表的干擾

現(xiàn)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(nèi)部時，特別要關(guān)注通風(fēng)散熱問題。

4.4 電機轉(zhuǎn)速降低后的溫升

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

5 結(jié)語

對注塑機進行變頻調(diào)速，主要的目的在于節(jié)能。從小型，中型到大型注塑機都可以加裝變頻器進行節(jié)能改造。改造之初，涉及到節(jié)能效率的估算。注塑機節(jié)能主要與注塑工藝過程相關(guān)，要做出一個準確的計算比較困難，一般來說，經(jīng)過改造，一個油泵電機的注塑機節(jié)能在30%~50%之間，多個油泵電機的注塑機節(jié)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。