绥化蟹贤科技有限公司

一． 塑料行業(yè)在國內的發(fā)展形勢
現在人們已公認一個(gè)國家或地區塑料的人均年消耗量及塑料工業(yè)在國民經(jīng)濟中所占的地位是反映工業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的重要標志之一。中國塑料資源豐富，21世紀初主要合成樹(shù)脂年產(chǎn)量達1.4萬(wàn)噸，排世界第4位。并且中國合成樹(shù)脂的產(chǎn)量還在以5%~10%的速度增長(cháng)。中國又是塑料消費大國，據統計，其年消耗量占世界第二，僅次于美國，而中國的人均消費僅為19kg，在世界排名第32位，是工業(yè)發(fā)達國家的11%~20%，可見(jiàn)中國的塑料工業(yè)還要大發(fā)展，塑料機械前景廣闊。根據塑料制品的市場(chǎng)分析，目前中國塑料機械行業(yè)產(chǎn)值每年約100億元，而國內市場(chǎng)需求約200億元，還有很大空間，注塑機的需求也逐步由南方向北方擴散，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
近幾年塑料行業(yè)發(fā)展越來(lái)越迅速，其中注塑行業(yè)也正迎來(lái)一個(gè)飛速發(fā)展的機遇。但同時(shí)行業(yè)內的競爭也日漸激烈，各廠(chǎng)家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外，也越來(lái)越重視生產(chǎn)成本的控制。從注塑機工藝過(guò)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，受到了各注塑機廠(chǎng)家和用戶(hù)的關(guān)注。隨著(zhù)變頻調速技術(shù)的推廣，變頻調速在傳動(dòng)控制和節能領(lǐng)域已日漸得到了廣泛應用，尤其在泵類(lèi)負載場(chǎng)合采用變頻控制節能效果顯著(zhù)。本文以四方注塑機專(zhuān)用型變頻器為例，介紹了注塑機變頻改造的可行性和改造中常出現的問(wèn)題及相應處理方法。
 
三． 注塑機變頻改造可行性
3.1 注塑機基本概況及成型工藝過(guò)程
     普通注塑機通常采用液壓傳動(dòng)，其結構包含注射裝置、開(kāi)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預定工序的要求（壓力、速度、溫度、時(shí)間、位置）和動(dòng)作程序準確有效地工作。
     在傳統的注塑機中液壓傳動(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、油泵電機及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動(dòng)系統中的動(dòng)力由電機帶動(dòng)油泵提供。其中，油泵絕大部分是定量油泵，電動(dòng)機通常提供額定功率和轉速，油泵將電動(dòng)機所輸入的機械能轉變?yōu)閴毫δ?，然后向液壓系統的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿(mǎn)足液壓執行機構驅動(dòng)負載所需能量的要求
注塑機成型工藝是一個(gè)按照預定的周期性動(dòng)作過(guò)程，即以合模---射嘴前進(jìn)---射膠---保壓---溶膠、冷卻---開(kāi)模---取出制品---將被注塑件放入模具中—合模等加工工序達到某件產(chǎn)品成型。
     各個(gè)過(guò)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，因而注塑機整個(gè)動(dòng)作過(guò)程對油泵電機來(lái)說(shuō)是個(gè)變負載過(guò)程。在定量泵注塑機液壓系統中，油泵電機始終以恒定轉速提供恒定流量的液壓油，各個(gè)動(dòng)作中相應多余的液壓油則通過(guò)溢流閥回流，從而造成電能的浪費。據統計，由電液閥控模式造成電能損耗高達36～68%；根據注塑機設備工藝，油泵電機耗電占整個(gè)設備耗電比例高達65～80%。因此，對閥控電液模式進(jìn)行節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(jiàn)附圖1）。對于油泵馬達而言，注塑機在注塑過(guò)程的負載是處于變化狀態(tài)。而泵的流量是按照所需的最大流量來(lái)設計的，其原注塑油泵馬達以恒定的轉速提供的液壓流量，當注塑機所需的流量小于最大流量時(shí)，多余的液壓將通過(guò)溢流閥回流，這一部分能量就損耗掉了。
第二為節流損耗。當液壓油流經(jīng)閥的節流口時(shí)會(huì )有一定的壓降，這就是節流損耗。由于方向閥的節流面積比較大，所以大部分的節流損耗發(fā)生在比例閥上。同時(shí)由于液壓長(cháng)期全速循環(huán)流動(dòng)與液壓件機械劇烈磨擦，造成油溫過(guò)高，噪音過(guò)大，機械壽命縮短等不良現象。
第三為設計余量損耗。通常在設計中，一般會(huì )考慮到共用性，設計時(shí)以最大容量為基礎，因此用戶(hù)油泵電機設計的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車(chē)”的現象，造成電能的大量浪費。

 圖一：注塑機工序圖和能耗對照圖
 
四． 變頻器在注塑機節能改造中的優(yōu)點(diǎn)
4.1  調速節能
根據注塑機的工藝要求,把總壓閥、低壓閥、一壓閥、二壓閥的開(kāi)關(guān)信號經(jīng)轉換后加在變頻器的輸入端作為變頻器的頻率給定信號，變頻器通過(guò)對其進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并通過(guò)CPU處理，使輸出頻率隨比例閥的模擬信號成線(xiàn)形變化，在需要壓力和流量較小的工藝過(guò)程中使電機轉速降低，從而降低電機的輸出功率，在冷卻和半成品置入過(guò)程中可以讓電機停轉，使電機在整個(gè)負載范圍內的能量損耗達到最小程度。
4.2  提高功率因數節能
無(wú)功功率不但增加線(xiàn)損和設備的發(fā)熱，更主要的是因為功率因數的降低導致電網(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(wú)功功率，P-有功功率，COSφ-功率因數?？芍?，當COSφ越大，有功功率    P越大。普通定量泵注塑機COSφ值在0.6-0.8之間，而使用變頻調速裝置后，由于變頻器內濾波電容的補償作用，使得COSφ≈1，從而減小了無(wú)功損耗，增大了電網(wǎng)的有功功率。
4.3  軟啟動(dòng)節能
由于原電機為直接啟動(dòng)或Y/△啟動(dòng)，啟動(dòng)電流等于(3-7)倍額定電流，這樣會(huì )對機電設備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，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)對設備的使用壽命極為不利。而使用變頻節能裝置后，利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值被限制在變頻器設置的加速中電流限幅水平以?xún)?，一般不超過(guò)1.7倍額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對電網(wǎng)容量的要求，延長(cháng)了設備和模具的使用壽命。
 
五． 變頻器節能改造原理
    由泵類(lèi)負載的工作特性可知，泵的流量與轉速成正比，泵的揚程與轉速的平方成正比，泵電機軸功率與轉速的立方成正比,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為轉速、H為揚程。

圖2：閥門(mén)控制與變頻控制節能比較
    圖2給出了閥門(mén)控制與變頻控制兩種模式下的節能效果比較。原有注塑機系統采用閥門(mén)控制，當流量由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(mén)全開(kāi)，其管阻特性不變，工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉移到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，采用變頻調速比閥門(mén)控制更加節能，且隨著(zhù)轉速的降低，電機輸出功率成立方關(guān)系減少。這樣，根據注塑工藝適時(shí)地調節油泵電機的轉速，即可達到節能的目的。
    目前三相異步電動(dòng)機大多采用變頻調速，由電機同步轉速公式：
n=60（1-S）f/p
其中，n為電機轉速；s為轉差率；f為供電頻率；p為極對數。
由上式可知，改變電源頻率即可改變電機轉速。因此，采用注塑機比例流量閥及比例壓力閥的控制信號同步控制油泵馬達的變頻器，使油泵電機的轉速與注塑機工作所需的壓力、流量成正比，從而使溢流閥的回流量減到最小，液壓系統輸出與注塑機生產(chǎn)所需功率相匹配，便可達到節能目的。據統計，其單機節電率可達25～65%。   
 
六． 四方變頻器的應用
6.1四方注塑機專(zhuān)用變頻器的特點(diǎn)
    四方注塑機專(zhuān)用變頻器（E520系列）是根據注塑機工作特性專(zhuān)門(mén)設計的變頻調速器。通過(guò)對閥控電流、電壓信號的采集，經(jīng)CPU處理后對油泵電機進(jìn)行相應的調速，從而滿(mǎn)足注塑機工藝要求。它具有以下特點(diǎn)：
    （1） 具有適合注塑機專(zhuān)用的頻率給定信號通道
通用變頻器的頻率給定信號標準為0～10V電壓信號或4～20mA電流信號，但注塑機專(zhuān)用變頻器則需具有0～1A/10V信號接收通道。四方E520系列變頻器可直接入0～1A電流信號，而不需要另外加裝信號轉換電路。
    （2） 過(guò)載能力強、響應速度快
    一般注塑產(chǎn)品的工藝周期相對較短，從10幾秒到幾分鐘不等。一個(gè)成型產(chǎn)品從開(kāi)模到合模，要求各個(gè)過(guò)程動(dòng)作迅速。采用變頻控制時(shí)，油泵電機負載頻繁變化，這就要求變頻器有很強的過(guò)載能力。四方E520系列變頻器根據閥控信號進(jìn)行快速升降速，加減速時(shí)間可達0.5～1s。
6.2變頻改造電路
    注塑機變頻改造時(shí)采用變頻＋工頻控制方式。其控制柜主電路由電度表、四方變頻器和工頻旁路接觸器等構成，控制電路由工頻/變頻切換開(kāi)關(guān)、啟動(dòng)、復位開(kāi)關(guān)、指示燈等構成。
（1） 變頻控制柜主電路
    圖3給出了注塑機變頻節能改造的主電路圖。圖中，QF為斷路器，KM1、KM2、KM3為接觸器。在改造注塑機時(shí)仍保留注塑機原有控制電路中的星-三角轉換電路，這樣可方便改造同時(shí)保持注塑原來(lái)的控制特性。采用工頻旁路目的是為了在變頻器出故障時(shí)可直接切換到工頻運行，而不影響生產(chǎn)。

圖3：注塑機變頻節能改造主電路圖
（2）變頻控制柜控制電路
圖4為注塑機變頻柜的控制電路框圖。圖中，SB為工頻/變頻轉換開(kāi)關(guān)，選用三級開(kāi)關(guān)；SB1為變頻器停止按鈕，SB2為變頻器啟動(dòng)按鈕；L1為總電源指示燈；L2為工頻運行指示燈；L3變頻運行指示燈；L4為變頻器故障指示燈，其故障信號由變頻器TA、TC輸出；KM1、KM2變頻運行接觸器；KM3為工頻運行接觸器。

圖4：注塑機變頻柜控制電路框圖
（3）變頻主要參數設置
    以四方E520系列變頻器在注塑機中的應用為例，變頻器采用比例流量＋比例壓力兩路信號控制，主要參數設定如表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系列的主要參數設定
（4）E520系列注塑機專(zhuān)用變頻器的特點(diǎn)
1．與注塑機同步運行，調試完成投用后無(wú)需任何調節；即使更換模具和改變加工參數，均無(wú)需對變頻節能控制器進(jìn)行調整。
2．改造后注塑機液壓油發(fā)熱明顯降低，一般比改造前平均油溫降低15~20℃以上；液壓油使用壽命可得到延長(cháng)；注塑機冷卻用水量可節省30％以上。
3．  對整個(gè)系統的保護功能，（1）、變頻器自身的保護；（2）、對電機的保護；如：電流限制、過(guò)載、輸出短路或輸出接地等（3）、對因誤操作引起的機械損傷進(jìn)行保護；如：未到熔融溫度強行溶膠引起火箭頭、炮筒、螺桿或溶膠馬達的損壞等。
4．  注塑機運行噪音明顯降低，開(kāi)、鎖模振動(dòng)減輕，延長(cháng)設備和模具的使用壽命，改善工作環(huán)境；用電功率因數提高，油泵主電機平滑啟動(dòng)，啟動(dòng)時(shí)無(wú)大電流沖擊并可減少配電設備容量。
5．  延長(cháng)油路密封組件的使用壽命，減少停機維修幾率，節省大量維護費用。
6．  注塑件加工周期越長(cháng)，節能效果越好；
 
七． 調試中常出現的問(wèn)題及處理方法
 7.1調試前注意事項
    注塑機變頻節能電氣改造相對比較簡(jiǎn)單。但在改造前應詳細了解注塑機工況，熟悉注塑機工藝流程。調試時(shí)應注意以下事項：安裝前查清注塑機原有電路接線(xiàn)方式，包括主電路和控制電路；仔細觀(guān)察注塑機工頻運行是否正常，油泵馬達是否經(jīng)常處于過(guò)載狀態(tài)；根據注塑機的模具及注塑工藝觀(guān)察注塑機節電改造的潛能；控制信號線(xiàn)路注意正負極性不要接反；信號線(xiàn)與主回路線(xiàn)要分開(kāi)布線(xiàn)等。
7.2調試常見(jiàn)問(wèn)題及處理方法
    由于注塑機工藝的特殊性，在改造中會(huì )遇到各種故障，以下為在注塑機變頻改造中常遇到的問(wèn)題及處理方法。
    （1） 變頻器頻率無(wú)變化
由于變頻器采用注塑機閥控電流信號進(jìn)行調速，變頻器運行后可能出現頻率顯示為0.0（有的變頻器顯示為0）現象，其主要原因包括：信號極性接反；信號取錯；信號接線(xiàn)端口與參數設定不符；注塑機輔助電源故障等。出現這種故障時(shí)，應先查明注塑機閥控制的類(lèi)別是電流信號、電壓信號還是脈沖控制信號（部分機型），及信號正負極性是否與變頻器控制端子對應。
    （2） 油泵噪音大
變頻器運行后有些注塑機會(huì )發(fā)出異常的噪音，這時(shí)應判斷噪聲源在何處，是來(lái)自電機還是油泵。若為油泵的噪音，則可能原因有：注塑機液壓油過(guò)少，有空氣吸入；注塑機濾油器或油路阻塞；注塑機油泵葉片磨損較嚴重。遇到該情況應先檢查注塑機油泵，排除故障后方可運行。另外，當注塑機處于低速高壓工作狀態(tài)時(shí)，也會(huì )出現油泵噪音異常情況，這時(shí)應適當提高速度給定。
    （3）溫度控制干擾
另一個(gè)注塑機變頻器改造中常遇見(jiàn)的問(wèn)題，是改造后注塑機因干擾不能正常運行。注塑機加熱單元一般采用熱電偶檢測溫度，這種檢測元件容易受諧波干擾，從而造成注塑機溫度顯示和控制不準確。這時(shí)可從以下方面排除干擾：盡量縮短變頻器與注塑機電動(dòng)機之間的連線(xiàn)，動(dòng)力線(xiàn)用金屬軟管套裝，動(dòng)力線(xiàn)與溫度檢測線(xiàn)不要靠近走線(xiàn)；在變頻器近端主回路線(xiàn)纜上加裝電抗器或磁環(huán)；變頻器可靠接地；或給注塑機內部溫控電偶供電電源加阻容濾波電路，如圖5所示。

圖5：注塑機溫度干擾濾波電路圖
    圖中，A+為熱電偶端，B+接溫度控制板，處理時(shí)即在溫度檢測（熱電偶）線(xiàn)路中對稱(chēng)地加入以上阻、容元器件以消除干擾。