匯川變頻器在注塑機(jī)上的應(yīng)用

1 注塑機(jī)情況簡(jiǎn)介

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展，能源問(wèn)題越來(lái)越成為了發(fā)展的瓶頸。近期國(guó)家也將節(jié)能降耗作為一項(xiàng)非常重要的工作來(lái)抓，節(jié)能成為當(dāng)前熱門(mén)的話題。特別是一些能耗比較大的行業(yè)如注塑機(jī)、空壓機(jī)等行業(yè)，成為了節(jié)能事業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn)。

目前我國(guó)正在應(yīng)用的及新生產(chǎn)的絕大多數(shù)的注塑機(jī)都屬于液壓傳動(dòng)注塑機(jī)。液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)油泵提供，液壓油泵為容積式油泵，其供油量與油泵的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)油泵馬達(dá)以50 Hz恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油泵的供油量是不變的，所以稱(chēng)為定量泵。

一般塑件的生產(chǎn)過(guò)程有下面幾個(gè)環(huán)節(jié)：鎖模、射膠、熔膠、保壓、冷卻、開(kāi)模。注塑機(jī)在不同工序下需要的流量和壓力不同，須依靠流量閥和壓力閥調(diào)節(jié)不同工序所需的流量和壓力。當(dāng)工作所需流量較小時(shí)，油泵供油量大于執(zhí)行元件所需的油量，多余的處于高壓狀態(tài)下的液壓油全部經(jīng)溢流閥回流，大量的能量通過(guò)油的溫升消耗掉。這樣既加劇了各種閥門(mén)的磨損，又造成油溫過(guò)高，而且為了降低油溫，往往還需要配額外的冷卻水循環(huán)系統(tǒng)，造成能量的進(jìn)一步浪費(fèi)。合理的使注塑機(jī)利用能源是一個(gè)值得關(guān)注的技術(shù)問(wèn)題。

2 注塑機(jī)運(yùn)行現(xiàn)狀

注塑機(jī)行業(yè)的節(jié)能方式通常有三種：全電動(dòng)模式、比例變量泵及變頻定量泵模式。

1)全電動(dòng)模式用伺服電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)方式，傳動(dòng)結(jié)構(gòu)采用滾動(dòng)絲桿及同步皮帶。此模式節(jié)能效果明顯、加工精度高，但成本高，多應(yīng)用在對(duì)工件精度要求高的場(chǎng)合。

2)比例變量泵方式比例流量閥及比例壓力閥可按照負(fù)載變化情況，調(diào)節(jié)比例變量泵的斜盤(pán)傾角，向系統(tǒng)輸出精確的壓力及流量，避免能量的浪費(fèi)。這種方式存在的問(wèn)題是起動(dòng)用Y—△模式，起動(dòng)沖擊電流大。另外節(jié)能效果弱于全電動(dòng)及變頻定量泵，而且泵易磨損，維護(hù)成本高。

3)變頻器定量泵方式用變頻器控制油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速來(lái)調(diào)節(jié)流量及壓力，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)泵的出油量剛好滿(mǎn)足各個(gè)動(dòng)作環(huán)節(jié)的流量及壓力需要，可以將溢流量控制在最小狀態(tài)，從而節(jié)約能源。利用注塑機(jī)本身的比例流量閥的電流信號(hào)來(lái)控制變頻器，使得變頻器自動(dòng)跟蹤注塑機(jī)的工作狀態(tài)、工作壓力及流量。即通過(guò)變頻器準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)油泵的轉(zhuǎn)速，使油泵的實(shí)際供油量滿(mǎn)足注塑機(jī)需要的工作流量，既滿(mǎn)足生產(chǎn)需要，又達(dá)到節(jié)能目的。節(jié)能效果與所加工工件的周期相關(guān)，通常油泵馬達(dá)的節(jié)電效果為25%~65%。存在的問(wèn)題是，系統(tǒng)響應(yīng)速度慢、過(guò)載能力弱、低頻時(shí)壓力不穩(wěn)定等。

3 注塑機(jī)行業(yè)對(duì)變頻器性能的要求

變頻器從原理上來(lái)講具有較好的節(jié)能效果，但是目前行業(yè)應(yīng)用過(guò)程中卻存在很多問(wèn)題。注塑機(jī)行業(yè)變頻器使用之初因?yàn)閲?guó)外變頻器成本過(guò)高，所以大量使用了國(guó)產(chǎn)變頻器。而前期國(guó)內(nèi)變頻器性能及可靠性普遍較差，使得注塑機(jī)行業(yè)出現(xiàn)了配套廠家對(duì)配變頻器失去信心，而客戶(hù)端因?yàn)閷?duì)變頻器了解不夠，聽(tīng)信一些廠家片面宣傳節(jié)能的說(shuō)法，沒(méi)有意識(shí)到變頻器改造后帶來(lái)的加工周期延長(zhǎng)、設(shè)備經(jīng)常保護(hù)等問(wèn)題，造成行業(yè)糾紛較多。目前大的用戶(hù)如長(zhǎng)虹、海爾、富士康等均選用性?xún)r(jià)比好的變頻器，而一些中小客戶(hù)出于成本的考慮，還在繼續(xù)使用一些性能較差的品牌。

注塑機(jī)行業(yè)使用變頻器存在的問(wèn)題具體表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1)由于變頻器存在加、減速過(guò)程，導(dǎo)致注塑過(guò)程經(jīng)常處于加、減速的過(guò)程中，注塑產(chǎn)品對(duì)工藝過(guò)程比較敏感，往往在加速過(guò)程中會(huì)使產(chǎn)品產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷

所以要求加速過(guò)程要非常快，即要求變頻器動(dòng)態(tài)響應(yīng)非?？?，否則會(huì)造成成品率下降的情況。

2)變頻器控制的注塑機(jī)產(chǎn)品周期會(huì)有所加長(zhǎng)，使得產(chǎn)能下降。這是目前很多變頻器特別是V/f 控制變頻器在注塑機(jī)行業(yè)的技術(shù)瓶頸。因此要求變頻器有很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性。

3)注塑機(jī)在合模時(shí)需要很大的壓力，采用變頻器控制時(shí)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)過(guò)流情況，所以要求變頻器有強(qiáng)的過(guò)載能力。

4)變頻器作為一個(gè)干擾源經(jīng)常對(duì)注塑機(jī)的溫度板、動(dòng)作順序會(huì)有一定程度的干擾，所以要求變頻器一定要作抗干擾處理。

4 匯川注塑機(jī)變頻器介紹

MD系列變頻器是匯川推出的代表未來(lái)變頻器發(fā)展方向的新一代電流矢量型變頻器。通過(guò)獨(dú)特的矢量控制算法，將普通異步電機(jī)的定子電流解耦成勵(lì)磁電流和轉(zhuǎn)矩電流，使對(duì)異步電機(jī)的控制達(dá)到直流電機(jī)的控制效果。矢量控制相比傳統(tǒng)的V/f控制，低頻力矩更大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，速度控制精度更高。隨著產(chǎn)業(yè)的升級(jí)，設(shè)備對(duì)變頻器性能要求逐漸提高，而在不提高成本的情況下的性能提升，對(duì)客戶(hù)來(lái)說(shuō)很有價(jià)值。

矢量控制的核心是對(duì)電機(jī)電流進(jìn)行實(shí)時(shí)控制，在驅(qū)動(dòng)同樣的負(fù)載時(shí)電流更低，變頻器溫升低。同樣的變頻器硬件平臺(tái)，矢量控制相比V/f 控制，變頻器故障率更低。

匯川公司針對(duì)中國(guó)的產(chǎn)業(yè)環(huán)境，從可靠性角度出發(fā)，對(duì)MD系列做了如下技術(shù)處理：

1)7.5 kW 以上變頻器標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置直流電抗器，降低了電源諧波的不良影響，減少整流橋的故障，延長(zhǎng)電容的使用壽命;

2)超強(qiáng)的低電壓適應(yīng)能力，在額定電壓下降20%時(shí)可正常工作，低電壓環(huán)境下使用無(wú)憂(yōu);

3)獨(dú)特的上電安全檢測(cè)技術(shù)，避免變頻器上電輸出對(duì)地短路炸機(jī);

4)獨(dú)立風(fēng)道設(shè)計(jì)，對(duì)惡劣環(huán)境的適應(yīng)性更強(qiáng);

5)獨(dú)特的三防漆處理技術(shù)，對(duì)于金屬粉塵、潮濕及腐蝕等環(huán)境有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。

產(chǎn)品的高可靠性解除了配套廠家對(duì)產(chǎn)品穩(wěn)定性的顧慮，已經(jīng)有行業(yè)的配套客戶(hù)使用匯川變頻器達(dá)三年之久。

匯川注塑機(jī)用變頻器分為兩種型號(hào)：一種是在匯川通用型變頻器MD300 的基礎(chǔ)上加上一塊單通道的注塑機(jī)專(zhuān)用卡;另外一種是在MD320變頻器的基礎(chǔ)上，加上一塊雙通道注塑機(jī)專(zhuān)用卡。

單通道MD30IN卡是匯川公司推出的與MD300系列變頻器配套使用的注塑機(jī)控制卡。它可以直接輸入0~1 A(通過(guò)AI-COM 端子)直流電流信號(hào)或0~24 V(通過(guò)AV-COM 端子)直流電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)光耦隔離處理后，轉(zhuǎn)換成0~10 V電壓信號(hào)通過(guò)擴(kuò)展卡接口，直接在內(nèi)部連接到變頻器的AI1 接口，用戶(hù)外部不需要另外接模擬信號(hào)線。

雙通道MD32IN卡是匯川公司推出的與MD320系列變頻器配套使用的注塑機(jī)控制卡。擴(kuò)展卡上配有了2個(gè)獨(dú)立的模擬信號(hào)輸入口，可以輸入0~1 A的電流信號(hào)以及0~10 V的電壓信號(hào)，滿(mǎn)足絕大部分注塑機(jī)工藝要求。匯川矢量型變頻器，改進(jìn)了傳統(tǒng)V/f變頻器低頻力矩小的特點(diǎn)，使變頻器在0.5 Hz可以輸出150%的額定轉(zhuǎn)矩，全面滿(mǎn)足注塑機(jī)在低流量時(shí)的壓力要求，使設(shè)備工作更穩(wěn)定。最值得一提的是，匯川矢量型變頻器不僅在硬件方面進(jìn)行了改進(jìn)，在軟件方面也做出了相應(yīng)的變化。針對(duì)注塑機(jī)的工藝過(guò)程，增加了一套獨(dú)特的頻率輸出計(jì)算方式，采用了模擬頻率和多段速頻率疊加的獨(dú)特頻率輸出方式，即f(最終頻率)=f(模擬信號(hào))+f(多段速頻率)，這樣就可以把接入注塑機(jī)上的各個(gè)工藝段的開(kāi)關(guān)量信號(hào)進(jìn)行多段速補(bǔ)償，使設(shè)備的性能全面化，同時(shí)在調(diào)試的時(shí)候更加簡(jiǎn)單。這樣的設(shè)計(jì)，不僅可以適用配套生產(chǎn)，同時(shí)也可以進(jìn)行節(jié)能改造，在應(yīng)用的廣度上更進(jìn)一步。

5 匯川變頻器用于注塑機(jī)的線路簡(jiǎn)圖

匯川變頻器用于注塑機(jī)的線路簡(jiǎn)圖如圖1所示。

6 匯川變頻器在注塑機(jī)行業(yè)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)

1)匯川變頻器為電流矢量控制方式，起動(dòng)轉(zhuǎn)矩大，0.5 Hz 可以達(dá)到150%的額定轉(zhuǎn)矩;動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，階躍轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間 200 ms;穩(wěn)速精度為0.5%。動(dòng)態(tài)響應(yīng)快，有效解決了目前困擾注塑行業(yè)用變頻器后加工周期變長(zhǎng)的痼疾。

2)匯川注塑機(jī)專(zhuān)用變頻器獨(dú)特的轉(zhuǎn)矩控制性能，在不影響瞬間力矩的情況下對(duì)過(guò)電流進(jìn)行有效控制，避免了變頻器頻繁保護(hù)或大電流燒壞變頻器的現(xiàn)象，給配套廠家提供了信心。

3)MD300系列變頻器模擬量輸入與頻率的對(duì)應(yīng)關(guān)系可以設(shè)為折線式，可設(shè)置兩個(gè)拐點(diǎn)，便于滿(mǎn)足鎖模時(shí)所需要的強(qiáng)大的壓力。同時(shí)矢量變頻器的控制特性，使得負(fù)載電流得以有效控制，針對(duì)于注塑機(jī)行業(yè)的專(zhuān)機(jī)設(shè)計(jì)，有效避免了傳統(tǒng)變頻器易過(guò)流保護(hù)的通病。

4)MD30IN 可直接接受0~1A 的電流信號(hào)，可直接從比例流量閥獲取轉(zhuǎn)速控制信號(hào)。

5)MD32IN可以接受0~1A電流的信號(hào)及0~10V的電壓信號(hào)，對(duì)注塑機(jī)一些工藝段的采集信號(hào)進(jìn)行補(bǔ)償，達(dá)到完美的控制效果。

6)針對(duì)于國(guó)內(nèi)電網(wǎng)的現(xiàn)狀及多數(shù)變頻器易引起電源波形畸變的現(xiàn)象，匯川變頻器標(biāo)準(zhǔn)內(nèi)置直流電抗器，改善了變頻器的運(yùn)行工況，并將節(jié)能系統(tǒng)運(yùn)行的功率因數(shù)提高到約0.95，從而可以預(yù)防因電網(wǎng)質(zhì)量差而造成的整流橋或?yàn)V波電容損壞的情況，有效地降低了變頻器的故障率。

7 注塑機(jī)使用變頻器時(shí)的注意事項(xiàng)

7.1 變頻器的選型

在對(duì)變頻器選型時(shí)應(yīng)根據(jù)負(fù)荷的性質(zhì)和要求來(lái)定。因注塑機(jī)的負(fù)載性質(zhì)是恒轉(zhuǎn)矩類(lèi)，機(jī)械特性較硬,動(dòng)態(tài)特性要求較高，所以應(yīng)選用高性能矢量控制變頻器，一般的V/f控制變頻器很難滿(mǎn)足快速響應(yīng)的要求。

7.2 變頻器容量的選擇

在選配變頻器容量前，應(yīng)實(shí)測(cè)一下注塑機(jī)在各個(gè)工序過(guò)程中，油泵電機(jī)工頻狀態(tài)運(yùn)行的最大負(fù)荷電流，以此作為選擇變頻器容量的依據(jù)。變頻器的額定電流最好為控制電機(jī)額定電流的1.1~1.5 倍，電壓等級(jí)應(yīng)與控制電機(jī)相符。

7.3 變頻器的調(diào)試

矢量控制對(duì)電機(jī)參數(shù)有一定的依賴(lài)性，在使用設(shè)備之前，要求變頻器對(duì)電機(jī)進(jìn)行空載參數(shù)辨識(shí)，以保證變頻器獲得準(zhǔn)確的電機(jī)參數(shù)，達(dá)到良好的控制效果。

7.4 變頻器的安裝環(huán)境

因?yàn)樗苣z廠環(huán)境溫度高，塑料粉塵多，因此節(jié)能裝置的柜體要設(shè)計(jì)合理，柜內(nèi)變頻器周?chē)鷳?yīng)留足夠的空間，保證良好的通風(fēng)渠道，并加裝冷卻風(fēng)扇以強(qiáng)迫風(fēng)冷?，F(xiàn)場(chǎng)需安裝在通風(fēng)良好，遠(yuǎn)離熱源和塵埃多的地方。

7.5 變頻器對(duì)注塑機(jī)工作的干擾處理

變頻器的輸入和輸出電流中都會(huì)有一定量的高次諧波成分，因此便形成了干擾注塑機(jī)正常工作的信號(hào)。應(yīng)采取以下措施：

1)不要將變頻器的輸入、輸出電纜與變頻器的控制信號(hào)線(包括其它設(shè)備的控制信號(hào)線)平行走線或捆扎在一起;

2)在變頻器的輸出側(cè)加裝磁環(huán)(抗共模干擾零相電抗器)減小高次諧波電流，特殊情況輸入側(cè)也需要加裝磁環(huán);

3)變頻器的外殼必須可靠接地。