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注塑機(jī)用變頻節(jié)電的原理說明

一. 塑料行業(yè)在國(guó)內(nèi)的發(fā)展形勢(shì)
現(xiàn)在人們已公認(rèn)一個(gè)國(guó)家或地區(qū)塑料的人均年消耗量及塑料工業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中所占的地位是反映工業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。中國(guó)塑料資源豐富,21世紀(jì)初主要合成樹脂年產(chǎn)量達(dá)1.4萬噸,排世界第4位。并且中國(guó)合成樹脂的產(chǎn)量還在以5%~10%的速度增長(zhǎng)。中國(guó)又是塑料消費(fèi)大國(guó),據(jù)統(tǒng)計(jì),其年消耗量占世界第二,僅次于美國(guó),而中國(guó)的人均消費(fèi)僅為19kg,在世界排名第32位,是工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的11%~20%,可見中國(guó)的塑料工業(yè)還要大發(fā)展,塑料機(jī)械前景廣闊。根據(jù)塑料制品的市場(chǎng)分析,目前中國(guó)塑料機(jī)械行業(yè)產(chǎn)值每年約100億元,而國(guó)內(nèi)市場(chǎng)需求約200億元,還有很大空間,注塑機(jī)的需求也逐步由南方向北方擴(kuò)散,同時(shí)也帶將帶動(dòng)塑料工業(yè)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
 
二. 變頻改造在注塑行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)
近幾年塑料行業(yè)發(fā)展越來越迅速,其中注塑行業(yè)也正迎來一個(gè)飛速發(fā)展的機(jī)遇。但同時(shí)行業(yè)內(nèi)的競(jìng)爭(zhēng)也日漸激烈,各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外,也越來越重視生產(chǎn)成本的控制。從注塑機(jī)工藝過程知道,在注塑成型產(chǎn)品成本中,電能消耗成本占了很大的比例,因而能否有效減少電能損耗,受到了各注塑機(jī)廠家和用戶的關(guān)注。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的推廣,變頻調(diào)速在傳動(dòng)控制和節(jié)能領(lǐng)域已日漸得到了廣泛應(yīng)用,尤其在泵類負(fù)載場(chǎng)合采用變頻控制節(jié)能效果顯著。本文以四方注塑機(jī)專用型變頻器為例,介紹了注塑機(jī)變頻改造的可行性和改造中常出現(xiàn)的問題及相應(yīng)處理方法。
 
注塑機(jī)變頻改造可行性
3.1 注塑機(jī)基本概況及成型工藝過程
     普通注塑機(jī)通常采用液壓傳動(dòng),其結(jié)構(gòu)包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動(dòng)裝置和電氣控制裝置,后者的作用是保證注塑機(jī)預(yù)定工序的要求(壓力、速度、溫度、時(shí)間、位置)和動(dòng)作程序準(zhǔn)確有效地工作。
     在傳統(tǒng)的注塑機(jī)中液壓傳動(dòng)裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動(dòng)作油缸、油泵電機(jī)及其它液壓附件和管道組成,液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)油泵提供。其中,油泵絕大部分是定量油泵,電動(dòng)機(jī)通常提供額定功率和轉(zhuǎn)速,油泵將電動(dòng)機(jī)所輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?,然后向液壓系統(tǒng)的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油,滿足液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需能量的要求
注塑機(jī)成型工藝是一個(gè)按照預(yù)定的周期性動(dòng)作過程,即以合模---射嘴前進(jìn)---射膠---保壓---溶膠、冷卻---開模---取出制品---將被注塑件放入模具中—合模等加工工序達(dá)到某件產(chǎn)品成型。
     各個(gè)過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同,即所需的液壓油流量不同,因而注塑機(jī)整個(gè)動(dòng)作過程對(duì)油泵電機(jī)來說是個(gè)變負(fù)載過程。在定量泵注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中,油泵電機(jī)始終以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量的液壓油,各個(gè)動(dòng)作中相應(yīng)多余的液壓油則通過溢流閥回流,從而造成電能的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì),由電液閥控模式造成電能損耗高達(dá)36~68%;根據(jù)注塑機(jī)設(shè)備工藝,油泵電機(jī)耗電占整個(gè)設(shè)備耗電比例高達(dá)65~80%。因此,對(duì)閥控電液模式進(jìn)行節(jié)能改造具有很大的潛力。
3.2  普通注塑工藝中的主要損耗
第一為溢流損耗。隨產(chǎn)品及加工工序不同,各工序所需液壓、流量、壓力不同(見附圖1)。對(duì)于油泵馬達(dá)而言,注塑機(jī)在注塑過程的負(fù)載是處于變化狀態(tài)。而泵的流量是按照所需的最大流量來設(shè)計(jì)的,其原注塑油泵馬達(dá)以恒定的轉(zhuǎn)速提供的液壓流量,當(dāng)注塑機(jī)所需的流量小于最大流量時(shí),多余的液壓將通過溢流閥回流,這一部分能量就損耗掉了。
第二為節(jié)流損耗。當(dāng)液壓油流經(jīng)閥的節(jié)流口時(shí)會(huì)有一定的壓降,這就是節(jié)流損耗。由于方向閥的節(jié)流面積比較大,所以大部分的節(jié)流損耗發(fā)生在比例閥上。同時(shí)由于液壓長(zhǎng)期全速循環(huán)流動(dòng)與液壓件機(jī)械劇烈磨擦,造成油溫過高,噪音過大,機(jī)械壽命縮短等不良現(xiàn)象。
三為設(shè)計(jì)余量損耗。通常在設(shè)計(jì)中,一般會(huì)考慮到共用性,設(shè)計(jì)時(shí)以最大容量為基礎(chǔ),因此用戶油泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多,存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象,造成電能的大量浪費(fèi)。
 圖一:注塑機(jī)工序圖和能耗對(duì)照?qǐng)D
 
四. 變頻器在注塑機(jī)節(jié)能改造中的優(yōu)點(diǎn)
4.1  調(diào)速節(jié)能
根據(jù)注塑機(jī)的工藝要求,把總壓閥、低壓閥、一壓閥、二壓閥的開關(guān)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后加在變頻器的輸入端作為變頻器的頻率給定信號(hào),變頻器通過對(duì)其進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并通過CPU處理,使輸出頻率隨比例閥的模擬信號(hào)成線形變化,在需要壓力和流量較小的工藝過程中使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,從而降低電機(jī)的輸出功率,在冷卻和半成品置入過程中可以讓電機(jī)停轉(zhuǎn),使電機(jī)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的能量損耗達(dá)到最小程度。
4.2  提高功率因數(shù)節(jié)能
無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱,更主要的是因?yàn)楣β室驍?shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低。由公式S²=P²+Q²,Q=S*SINφ,P=S*COSφ,其中:S-視在功率。Q-無功功率,P-有功功率,COSφ-功率因數(shù)??芍?,當(dāng)COSφ越大,有功功率    P越大。普通定量泵注塑機(jī)COSφ值在0.6-0.8之間,而使用變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)濾波電容的補(bǔ)償作用,使得COSφ≈1,從而減小了無功損耗,增大了電網(wǎng)的有功功率。
4.3  軟啟動(dòng)節(jié)能
由于原電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/△啟動(dòng),啟動(dòng)電流等于(3-7)倍額定電流,這樣會(huì)對(duì)機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊,而且還會(huì)增加電網(wǎng)容量要求,啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對(duì)設(shè)備的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后,利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始,最大值被限制在變頻器設(shè)置的加速中電流限幅水平以內(nèi),一般不超過1.7倍額定電流,減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)電網(wǎng)容量的要求,延長(zhǎng)了設(shè)備和模具的使用壽命。
 
五. 變頻器節(jié)能改造原理
    由泵類負(fù)載的工作特性可知,泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比,泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比,泵電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)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為流量、N為轉(zhuǎn)速、H為揚(yáng)程。
圖2:閥門控制與變頻控制節(jié)能比較
    圖2給出了閥門控制與變頻控制兩種模式下的節(jié)能效果比較。原有注塑機(jī)系統(tǒng)采用閥門控制,當(dāng)流量由QA減少到QB時(shí),由于管阻特性,工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移B點(diǎn),消耗的功率與0EBF的面積成正比。若采用變頻控制,這時(shí)因閥門全開,其管阻特性不變,工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn),消耗的功率與0ECH的面積成正比。因此,從圖2中可以看出,采用變頻調(diào)速比閥門控制更加節(jié)能,且隨著轉(zhuǎn)速的降低,電機(jī)輸出功率成立方關(guān)系減少。這樣,根據(jù)注塑工藝適時(shí)地調(diào)節(jié)油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,即可達(dá)到節(jié)能的目的。
    目前三相異步電動(dòng)機(jī)大多采用變頻調(diào)速,由電機(jī)同步轉(zhuǎn)速公式:
n=601-Sf/p
其中,n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;s為轉(zhuǎn)差率;f為供電頻率;p為極對(duì)數(shù)。
由上式可知,改變電源頻率即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此,采用注塑機(jī)比例流量閥及比例壓力閥的控制信號(hào)同步控制油泵馬達(dá)的變頻器,使油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與注塑機(jī)工作所需的壓力、流量成正比,從而使溢流閥的回流量減到最小,液壓系統(tǒng)輸出與注塑機(jī)生產(chǎn)所需功率相匹配,便可達(dá)到節(jié)能目的。據(jù)統(tǒng)計(jì),其單機(jī)節(jié)電率可達(dá)25~65%。   


注塑機(jī)工序過程
不論大、中、小型注塑機(jī),分析它的工序過程是相同的,大致是五個(gè)工序過程,見圖1。


從圖1可知注塑機(jī)工序過程是:
①送模具過程,需低壓力,時(shí)間較短。
②合模具過程,左右兩個(gè)模具相接,直至完全閉合,需略高壓力,時(shí)間不長(zhǎng)。
③射膠、保壓、冷卻過程,送料至模腔,直到成型,固化完需較高壓力,時(shí)間長(zhǎng)約占40-60%。
④脫模具過程,加工成型,可開啟模具,到脫模完,可取出加工件,時(shí)間不長(zhǎng),壓力略高。
⑤退模具過程,加工件取出,模具后退原位,進(jìn)行輔助工作后,待再次加工,這時(shí)需低壓力,時(shí)間較短。
對(duì)同一臺(tái)注塑機(jī),加工不同的塑料件,其壓力(p)與時(shí)間長(zhǎng)短是各不相同的。它與加工件的型體復(fù)雜性,使用何種塑料,一個(gè)加工件的總料量,有否嵌件等有關(guān),具體參數(shù)設(shè)定,一般由工藝技術(shù)人員給出的,并經(jīng)試驗(yàn)加工后,最后定案的。
3 注塑機(jī)節(jié)能的可能性分析
從圖1注塑機(jī)的P=f(t)工序過程中看出,隨著不同時(shí)間段,它的主油泵壓力是變化的,而且起伏較大,這就存在節(jié)能的可能性,且潛力較大,所以注塑機(jī)節(jié)電率可達(dá)20%-50%,甚至更大些。在未使用變頻器的注塑機(jī),其主泵壓力調(diào)整是靠壓力卸荷來調(diào)節(jié)傍路油路的開度,來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)壓力的方式,這種主泵調(diào)壓力的方式,對(duì)主泵的電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速不變,依傍路閥門開度來調(diào)節(jié)壓力,實(shí)踐證明節(jié)能是很小的,還有一種使用變量泵的注塑機(jī),節(jié)能效果達(dá)百分之十幾,但設(shè)備維護(hù)成本較高,泵容易損壞,因此也不是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行的方式,采用變頻器調(diào)速來調(diào)節(jié)主泵的轉(zhuǎn)速,從而改變流量和壓力是較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式(這時(shí)閥門的開度要全開100%),這就是注塑機(jī)主泵采用變頻器的原因所在,從而有較大幅度節(jié)電的道理,至于模具移動(dòng)的動(dòng)力源也是液壓的,它有二種方法:
①另配一臺(tái)小功率的低壓油泵。
② 由主泵分路經(jīng)減壓閥作動(dòng)力源
又關(guān)于各段時(shí)間的定位控制,常見的有四種方法:
① 依靠移動(dòng)平臺(tái)的滑桿,用行程直接點(diǎn)開關(guān)(小型的)
② 依靠時(shí)繼電器定時(shí)控制(中型的)
③ 依靠單片機(jī)或PLC控制(大型的),我公司的方案即如此。
④ 利用變頻器本身多段速度與時(shí)間的控制(小、中型的)。


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變頻疊壓供水設(shè)備、恒壓供水設(shè)備-山路不象坦途那樣匍匐在人們足下

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