深圳注塑機節能改造分析

本文介紹了中科電氣矢量變頻器在變量泵注塑機上的節能改造，討論了變量泵注塑機的控制系統和功能要求及與定量泵注塑機改造的不同之處。

中科電氣變頻器 變量泵注塑機 節能改造

塑料制品加工行業是輕工行業中近幾年發展速度較快的行業之一，隨著塑膠企業數量的增多，降低生產成本，提高產品競爭力成為許多塑料制品廠共同關心的問題。在加工成本中，電費占據了相當大的比例，而數量眾多的注塑機是耗電最多的設備，因此，很多塑料企業對定量泵注塑機進行了大量節能技術改造來實現節約電能、提高企業的競爭力，但對于變量泵注塑機很多企業包括很多專業的節能公司都束手無策，因此對于市場上存在的大量變量泵注塑機如何進行節能改造成了眾多塑料企業關心的熱點，深圳中科電氣科技有限公司通過對變量泵注塑機的深入研究，結合最新的矢量控制變頻技術成功的實現變量泵注塑機的節能改造，并且取得了10－20％的節能效果。

1）定量泵注塑機

目前絕大多數改造的注塑機都屬于液壓傳動注塑機，液壓傳動系統中的動力由電機帶動油泵提供，其液壓油泵為葉片泵，其供油量與油泵的轉速成正比，當油泵馬達以50HZ恒速運轉時，油泵的供油量是不變的，所以稱為定量泵。其系統圖如下所示：

如圖一所示：

A1：油缸無桿腔活塞面積 F：工作負載 Q1：工作流量 P1：工作壓力 △p：比例調速閥兩端的壓力差

Qy：比例溢流閥流量 Pb：油泵壓力，Qb：油泵流量 Vb：油泵排量 n：電動機轉速

如圖一，該系統采用定量泵供油，油泵轉速n及油泵排量Vb都不可調，其油路中的各流量及壓力分別為：

    油泵流量Qb＝Vb×n為定值；

    油泵壓力Pb由比例溢流閥設定；

    工作流量Q1由比例調速閥設定；

    工作壓力P1＝F/A1取決于工作負載F；

一般的注塑機的生產過程中有下面幾個環節：鎖模、射膠、熔膠、保壓、冷卻、開模。注塑機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節不同工序所須的流量和壓力，當工作所需流量較小時，油泵供油量大于執行元件所需的油量，多余的處于高壓狀態下的液壓油全部經溢流閥回流，大量的能量通過油的溫升消耗掉。這樣既加劇了各種閥門的磨損，又造成油溫過高，而且為了降低油溫，往往還需要額外的冷卻水循環，造成能量的進一步浪費。所以一般定量泵注塑機的改造用變頻器來控制油泵馬達轉速來調節流量，在規定的時間內泵出的油量，剛好滿足各個動作環節的需要，可以將溢流量控制在最小狀態，從而節約了能源

2）變量泵注塑機

目前，變量泵注塑機多采用比例變量泵作驅動元件，屬于典型的容積式調速系統，相比傳動定量泵注塑機有較明顯的節能效果。如圖二，該系統由負載敏感型比例變量柱塞泵、比例溢流閥、比例調速閥、壓力反饋閥、流量反饋閥等部分組成。

圖二 油路系統原理圖
A1：油缸無桿腔活塞面積 F：工作負載 P1：工作壓力 Q1：工作流量
△P：比例調速閥兩端的壓力差 Pb：油泵壓力 Qb：油泵流量 n：電動機轉速

工作原理

（1）系統處于流量控制狀態時，油泵壓力Pb大于工作壓力P1且小于塑機設定壓力，比例溢流閥將可靠關閉。當負載變化時，Pb與P1之間的壓力差△P會有相應波動，并使工作流量Q1發生變化。以上變化通過流量、壓力反饋閥傳遞給變量泵的調整活塞。活塞隨之推動柱塞泵斜盤并改變油泵排量，最終穩定泵的輸出流量Qb。由此看出，該系統實現了壓力自適應控制，基本上沒有溢流損失，但為了控制工作流量Q1，調速閥上仍存在一定節流損失。

（2）系統處于壓力控制狀態時，變量柱塞泵的斜盤傾角很小，僅有少量的液壓油流過比例溢流閥，保證形成一定的系統壓力。通過改變比例溢流閥的輸入信號，就可以得到相應的油泵輸出壓力。比起傳統定量泵注塑機，該控制方式在一定程度上減小了溢流損失。

由上面的介紹我們可以知道，變量泵注塑機與定量泵注塑機相比，減少了大量的溢流損失，使得油泵電機負載變輕，電流減小，處于輕載狀態。變量泵注塑機是從液壓元件的角度出發，挖掘油路上的節能改造空間，從而提高了油路系統的工作效率。但受其控制方式限制，該系統不能完全消除節流、溢流損失。
1) 變量泵注塑機仍然有浪費的空間，從油泵上出來的油仍然要經過比例調速閥和比例溢流閥的的調節，在閥門上仍然有一定的功率損失。

2)油泵的電機速度依然不能調節，雖然比起定量泵其負載輕了很多，但和通過調節速度來調節油量相比，顯然前者要更耗能。特別是系統處于壓力控制時，系統需要的壓力很大但是流量很小，而油泵電機的速度不能調節。若油泵的輸出流量、輸出壓力、排量、轉速分別表示為Q、P、Vb、n，則油泵的輸出功率N用公式表示為：

N = Q*P = Vb*n*P

注塑機是通過機械裝置調整油泵排量Vb的，顯然其可調節的線性范圍有限，不能實現零排量輸出。且任何情況下，電機都是全速運轉，有很多無謂的能量損失。

3)油泵電機的啟動仍然是星三角啟動，功率因素較低。

中科電氣科技有限公司是將矢量變頻技術應用于注塑機電機驅動上，通過速度調節及壓力PID閉環控制功能完成對注塑機的精確控制。油路上將比例調速閥人為硬性的將流量調至最大并保持或者拆除，同時切斷流量、壓力反饋閥對變量泵的活塞的控制。改為矢量變頻PID控制維持壓力的恒定，自動實現了壓力自適應控制，這樣系統從源頭上消除油路中的節流及溢流能量損失，使注塑機獲得最佳的節能效果。系統如下所示：

 

工作原理：

當油泵流量Qb接近或達到塑機的設定值時，油路系統進入流量控制狀態，變頻器的輸出頻率與塑機的流量設定值成正比。在此過程中，油泵流量Qb＝Vb×n始終與工作回路的需要相適應，無需比例閥調速，也沒有多余流量溢出，可從根本上消除節流及溢流能量損失。當油泵工作在壓力狀態下，如下圖所示：

頻器控制系統配備一塊智能轉換卡，變頻器將通過壓力傳感器實時監控到這一壓力變化，并與塑機的壓力設定值做比較。當它們差值很小時，變頻器的智能轉換卡會及時將變頻器切換到壓力控制狀態。，啟動PID控制并通過PID功能保持系統壓力恒定。此時，變頻器的輸出頻率將與該壓力差值成正比。因差值很小，變頻器的輸出頻率及電機轉速將迅速降低，油泵僅維持很小的流量輸出，以彌補油路中的各種泄漏損失。電氣系統圖如下：

 

中科電氣科技有限公司變頻器為開環矢量方式，起動轉矩大，0.5HZ可以達到150%的額定轉矩；動態響應快，階躍轉矩響應時間小于200MS；穩速精度為0.5%。通過變頻器的閉環矢量調速功能，變頻注塑機的油泵轉速n可實現0到額定轉速之間線性調節范圍，尤其是在塑機待機及無動作情況下（如冷卻階段），電機及油泵轉速可降至0，基本無能耗損失。值得注意的是，油泵在低轉速時的容積效率會下降，這在一定程度上會影響了節電效果。對此，我們將通過提高變頻器低頻增益的方法來改善這種情況。而且，實際生產中流量低于20％的情況是極少的，所以油泵轉速也不可能出現過低的情況。

從我公司的在廣東某塑膠廠一些的變量泵塑機節能改造實例來看，對鎖模力120噸的臥式變量泵塑機進行變頻節能改造仍有20%的節電率。由此可見，變頻注塑機的節電率要高于變量泵注塑機，并對維護保養分析如下：

中科電氣技術有限公司在多年的實踐應用中積累了許多寶貴經驗，開發出在注塑機械上變頻器應用的多種節能方案，此次又開發出變量泵注塑機變頻節能專用變頻器，必將引領塑機節能改造的新潮流