注塑機(jī)的變頻節(jié)能調(diào)速

1 概述

螺桿式塑料注射成型機(jī)從上世紀(jì)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(guò)程是塑料顆粒(ABS，聚乙烯，改型聚苯乙烯等)在注塑機(jī)料筒內(nèi)通過(guò)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(gè)工件的加工過(guò)程。對(duì)于塑料加工，注塑機(jī)完整的工藝流程為，合模—鎖模—注射—保壓—冷卻—脫模—開(kāi)模。其中保壓和冷卻，脫模和開(kāi)模是同時(shí)進(jìn)行的，即保壓過(guò)程中，模具在通水冷卻;在開(kāi)模的過(guò)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(kāi)模到位后一個(gè)加工過(guò)程結(jié)束。不論大、中、小型注塑機(jī)，其工藝流程都是相同的。目前絕大多數(shù)的注塑機(jī)都是液壓傳動(dòng)的注塑機(jī)，以上的工藝動(dòng)作過(guò)程所需要的動(dòng)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(jī)工作時(shí),一個(gè)工作周期中各個(gè)工序的負(fù)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(shí)已經(jīng)考慮了這種變化，當(dāng)液壓系統(tǒng)需要的流量和壓力變化時(shí)，油泵的供油量自動(dòng)地增大或減小，這種油泵就是變量泵，不需要再用變頻器進(jìn)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(jī)工作過(guò)程中流量和壓力的變化是靠流量比例閥和壓力閥來(lái)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(jī)噪聲過(guò)大。另外，從注塑機(jī)的設(shè)計(jì)看，通常在設(shè)計(jì)時(shí)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(hào)時(shí)就往上靠，存在嚴(yán)重的“大馬拉小車“現(xiàn)象，造成電能的大量浪費(fèi)。因此，對(duì)定量泵的注塑機(jī)進(jìn)行變頻調(diào)速改造，節(jié)約電能，提高經(jīng)濟(jì)效率具有重要的意義。

2 注塑機(jī)節(jié)能分析

根據(jù)注塑機(jī)的工藝過(guò)程，畫出系統(tǒng)油壓p 與時(shí)間t的關(guān)系圖，如圖1 所示。

由圖1 可見(jiàn)，合模和脫模、開(kāi)模系統(tǒng)所需油壓較低，且時(shí)間較短;而注射，保壓，冷卻系統(tǒng)所需油壓較高，且時(shí)間較長(zhǎng)，一般為一個(gè)工作周期的40%~60%，時(shí)間的長(zhǎng)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(shí)可以不要間隙期。圖1 只是一種簡(jiǎn)單的近似表示，實(shí)際上，如果注射的螺桿用油馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，注射時(shí)的系統(tǒng)油壓會(huì)高一些。注塑機(jī)加工工件的重量，從數(shù)十g 到數(shù)萬(wàn)g 不等，最大注塑機(jī)已到92 000 g。因此，注塑機(jī)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(gè)周期的時(shí)間也是不相同的;就是對(duì)同一臺(tái)注塑機(jī)，加工工件的原料不同，各段工藝流程中所需的壓力和時(shí)間也是變化的。這些工藝參數(shù)的設(shè)定，是由現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)的情況制定的。

從圖1 可見(jiàn)，一個(gè)周期的工作流程中，負(fù)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(yùn)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(wú)用功，白白地浪費(fèi)了電能。對(duì)油泵進(jìn)行變頻調(diào)速，將定量泵改變?yōu)轭愃谱兞勘玫奶匦浴Ｏ到y(tǒng)所需壓力較高時(shí)，油泵電機(jī)50 Hz 運(yùn)行，所需壓力較小時(shí)，變頻器降頻運(yùn)行。電機(jī)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(jī)轉(zhuǎn)速降低后，輸出軸功率降低，就可以達(dá)到有效節(jié)能，一般節(jié)電率在20%~50%。

3 注塑機(jī)變頻節(jié)能調(diào)速改造方案

使用液壓系統(tǒng)的注塑機(jī)，有立式和臥式之分。

數(shù)十g 的立式注塑機(jī)，油泵采用一個(gè)齒輪泵，電機(jī)的容量較小，電氣控制電路也較簡(jiǎn)單。改造時(shí)，將變頻器接入電機(jī)的供電回路，再將流量比例閥的信號(hào)(0~1 A)，變換為4~20 mA 或0~10 V 信號(hào)送到變頻器的相應(yīng)端口上，這樣，隨著加工過(guò)程的變化，液壓油的流量也在變化。一般來(lái)說(shuō)，取相對(duì)值變化較大的流量信號(hào)作控制信號(hào)較好，控制信號(hào)變化對(duì)變頻器頻率調(diào)節(jié)的范圍大一些;而壓力信號(hào)相對(duì)值變化較小，對(duì)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(lái)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(jī)專用變頻器就是在通用變頻器的基礎(chǔ)增加了0~1A 信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，使用起來(lái)更方便些。

60 g 以上的都是臥式注塑機(jī)，60 g~500 g的注塑機(jī)，有的是一個(gè)油泵，也有的是兩個(gè)油泵。其中帶有一個(gè)油泵的臥式注塑機(jī)的改造和立式注塑機(jī)的改造是相同的。仍然是從流量比例閥取出0~1 A的信號(hào)作為變頻器的速度調(diào)節(jié)信號(hào)，雖然速度調(diào)節(jié)信號(hào)是由液壓回路元件反饋到變頻器，但調(diào)節(jié)回路中沒(méi)有給定信號(hào)，因此控制還是屬于開(kāi)環(huán)控制方式。也是因?yàn)楣?jié)能的原因，大中型注塑機(jī)的油泵可能不止一個(gè)，如三菱850-MM、1300-MM、1800-MM、2000-MM 注塑機(jī)均有3 個(gè)油泵。

對(duì)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(shí)只有1# 油泵工作，到鎖模階段所需的系統(tǒng)壓力較高時(shí)，2#油泵再投入工作，在注射階段所需的壓力最高，3臺(tái)油泵同時(shí)投入工作，脫模開(kāi)模所需的壓力較低，再分別停止3#，2#油泵工作。只要開(kāi)機(jī)，1#油泵就一直運(yùn)行。用3臺(tái)小油泵按不同的工藝階段間斷工作，比用1 臺(tái)大泵一直在運(yùn)行要節(jié)能。具有兩個(gè)以上油泵的注塑機(jī)如何改造?

這里以三菱1800-MM 注塑機(jī)的改造為例加以說(shuō)明。三菱1800-MM 注塑機(jī)有3 個(gè)45 kW 油泵電機(jī)，用1 臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)1# 油泵電機(jī)，變頻器的調(diào)節(jié)信號(hào)取自注塑機(jī)流量比例閥，這樣，此變頻器的頻率就隨注塑機(jī)液壓油的流量的改變而變化。另外兩個(gè)油泵電機(jī)，可以分別用兩臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)。不過(guò)這兩臺(tái)變頻器對(duì)電機(jī)不進(jìn)行調(diào)速，只作兩位式的控制，即起動(dòng)和停止?？刂谱冾l器的起動(dòng)和停止信號(hào)，取自于原來(lái)該油泵電機(jī)的起動(dòng)和停止信號(hào)。

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(yùn)行頻率低于50 Hz，就可以節(jié)能。實(shí)際上，注塑機(jī)在設(shè)計(jì)時(shí)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(guò)大而鎖模力不足，會(huì)使工件出現(xiàn)飛邊;若注射力不足，模具腔內(nèi)塑料會(huì)注不滿，工件報(bào)廢;保壓力不足時(shí)，工件中塑料比較厚的地方會(huì)出現(xiàn)收縮。本例兩臺(tái)變頻器的運(yùn)行頻率為37 Hz，注塑機(jī)的節(jié)能率達(dá)23%。

4 注意事項(xiàng)

4.1 變頻器的選型

注塑機(jī)的油泵普遍使用的是葉片泵和柱塞泵，機(jī)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(jī)專用型。考慮到注塑工藝各階段的時(shí)間有一定要求，變頻器的加速和減速時(shí)間要短，一般為1 s，這樣變頻器的容量就要適當(dāng)加大。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，矢量控制變頻器選大一檔，V/f 控制的變頻器會(huì)選得更大一些。為防止過(guò)載燒電機(jī)，調(diào)試變頻器時(shí)，注意設(shè)定好電子熱繼電器功能。

4.2 備用系統(tǒng)

注塑機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造時(shí)，保留原有的工頻起動(dòng)回路作備用，這樣一旦變頻器有故障，還能用工頻起動(dòng)油泵電機(jī)繼續(xù)運(yùn)行。

4.3 變頻器對(duì)注塑機(jī)數(shù)字儀表的干擾

現(xiàn)在在注塑機(jī)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(huì)對(duì)注塑機(jī)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(shí)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(hào);

3)變頻器機(jī)殼要可靠接地;

4)變頻器安裝在注塑機(jī)內(nèi)部時(shí)，特別要關(guān)注通風(fēng)散熱問(wèn)題。

4.4 電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后的溫升

電機(jī)用變頻器驅(qū)動(dòng)后，溫升會(huì)增加10%，電機(jī)速度又降低后，自帶的風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速變慢，散熱效率減低，溫升還會(huì)增加;但是，考慮到油泵是間歇工作的，溫升也不會(huì)增加多少。在我們做過(guò)的注塑機(jī)改造中，有的在電機(jī)上加了恒速風(fēng)機(jī)，有的沒(méi)加，所以加不加恒速風(fēng)機(jī)，要根據(jù)電機(jī)工作時(shí)的溫度來(lái)決定。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)注塑機(jī)進(jìn)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(jī)都可以加裝變頻器進(jìn)行節(jié)能改造。改造之初，涉及到節(jié)能效率的估算。注塑機(jī)節(jié)能主要與注塑工藝過(guò)程相關(guān)，要做出一個(gè)準(zhǔn)確的計(jì)算比較困難，一般來(lái)說(shuō)，經(jīng)過(guò)改造，一個(gè)油泵電機(jī)的注塑機(jī)節(jié)能在30%~50%之間，多個(gè)油泵電機(jī)的注塑機(jī)節(jié)能在15%~30%之間。另外，油泵速度的降低減少了機(jī)械的磨損，間接的經(jīng)濟(jì)效益也不可小視。