变频器技术在注塑机上的应用
导语：利用变频器枝术对注塑机进行改造，通过对液压系统检出流1和压力的控制，使液压泵的工作转教随着注塑机工作状况的变化而相应地改变
摘要 利用变频器枝术对注塑机进行改造，通过对液压系统检出流1和压力的控制，使液压泵的工作转教随着注塑机工作状况的变化而相应地改变，从而达到对液压系统的工作流1和工作压力进行实时拉制的目的，避免了能量浪费，降低了生产成本。 关键词 注塑机 变频器 液压系统节能 注塑是将热塑性塑料制成各种制品的主要成型方法之一，与塑料成型方法相比，注塑法具有可以成型结构复杂、尺寸精确的制品，对塑料适应性强，成型周期短，生产效率高及易于实现自动化等优点。在世界范围内，注塑占了塑料成型总量的30%左右，而注塑机的年生产量（台数）大约为塑料加工机械总年产量的50%以上。液压系统是注塑机的重要组成部分，目前国内外的大多数注塑机都采用液压系统来完成塑化、合模、注射、保压及开模等注塑工序，因而对电能的需求极大，能量的消耗成为注塑生产中的主要成本之一川。近几年来，珠江三角洲地区的一些中小型注塑生产企业利用变频器技术对注塑机的液压系统进行节能改造，较大幅度地降低了注塑生产中的电能消耗，从而明显地降低了注塑制品的生产成本，给企业带来可观的经济效益。 1 注塑机工作特点 1.1 工作周期 注塑机的注塑过程是一个从合模动作开始的周期性过程，在这个周期性过程中液压系统必须完成一系列的动作:合模、开模、注射座整体移动、保压及顶出制品等。注塑机的工作周期如图1所示。 [align=center]
图1 注塑机的工作周期[/align] 1.2 工作参数 注塑机在一个工作循环中与液压系统有密切关系的主要工作参数有注塑压力、注射速率、锁模力、保压压力等。注塑压力是克服熔融物料流经喷嘴、流道和模具型腔时的流动阻力，保证充模稳定性，确保注塑制品精度和合格率的重要因素。当螺杆直径一定时，注塑压力的大小由液压系统决定。注射速率是表征熔体充满模具型腔快慢的参数，它直接影响制品的质量和生产率，其大小由注射油缸的工作油流量控制。锁模力是注塑机合模机构对模具所能施加的最大夹紧力，它和注射量一起成为标称注塑机规格的参数，对于液压一肘杆式合模装置，锁模力大小由液压系统和肘杆机构共同决定;对于全液压式合模装置，锁模力大小由注塑机的液压系统决定。保压压力是重要的注塑工艺参数之一，保压压力和保压时间的选择直接影响注塑制品的质量，保压压力与注塑压力一样由液压系统决定。 2 注塑机液压系统 液压系统是注塑机的重要组成部分，它必须满足整个工作周期各个阶段所需压力和速度的不同要求。液压系统应具有工作稳定性好、重复精度和灵敏度高、噪音低和节能等特点。液压系统主要由液压泵、阀门、油缸及回路组成。 在注塑生产中，根据注塑工艺的需要，液压系统提供给注塑机的工作流量和工作压力应该是不断变化的，因此注塑机液压系统所消耗的功率也应该是随着工作流量和工作压力的变化而不断变化的。图2为国产xs一zy一50型注塑机的一个工作周期中液压系统应提供的液压油工作流量的变化示意图，图3为油缸所消耗功率的变化示意图。由图2、图3可以看出，在注塑周期的各个阶段，液压系统的工作流量和功率消耗相差很大，所需最大工作流量和功率消耗阶段为闭模注射阶段。 液压泵是注塑机液压系统的动力源，为油缸和油电机等执行机构提供完成动作所需的压力油。注塑机中的液压泵大多是定量泵，注塑工序中不同动图2注塑机液压系统工作流量变化图 [align=center]
图2 注塑机液压系统工作流量变化图
图3 注塑机液压油缸消耗功率变化图[/align] 作所需的液压油工作流量和压力是通过一系列阀门及相关回路来调节的。由于泵的流量一定，也就意味着在注塑周期的各个阶段其流量均为最大工作流量，在不需最大工作流量的工序上，多余的压力油经溢流阀回路流回油箱，而驱动液压泵的电机始终保持着维持最大工作流量时的转速，因此电机所消耗的功率也始终维持在注塑周期中的最大功率上，造成了大量的电能浪费。在注塑机的液压回路上加装变频器回路，根据注塑周期中负载的变化，利用变频器的变频功能改变驱动电机的电源频率，使周期中的每一个确定的液压工作流量都对应不同的电机转数（频率），从而可达到对液压系统的工作流量和工作压力进行实时控制的目的，使电机的转数根据工作负载的变化而实时变化，从而节约电能。 3 变频调速 3.1 工作原理 液压系统调节流量通常是通过液压阀的开启程度来实现的，即通过增加液压回路的阻力来提高液压系统的工作压力，而液压泵的转数并未发生变化，这样大量的电能就浪费在克服回路阻力上了。采用变频器对注塑机液压系统的工作流量进行实时控制，就是根据注塑工艺要求的流量值对电动机进行转速调节，从而代替各种液压阀的调节，实现液压泵输出流量的无级调速，并可大量减少各种阀门的使用。由于液压油的工作流量与工作压力之间存在相应的对应关系，因此采用变频器控制液压泵的工作流量，可在不改变液压回路阻力的情况下，通过对流量的调节来达到对工作压力的调节。 交流电机的转速可由（1）式表示，:
由（3） 式可见，当5、q、p的值恒定时，液压泵的工作流量与驱动电机频率呈线性关系，从而可使流量平滑地变化，达到无级调速的目的。 3.2 系统组成 图4为采用变频器调节注塑机液压泵流量的工作流程示意图。由信号采集装置（传感器）将注塑机注塑工艺流程中不同阶段所需液压油的工作流量进行采集并将流量给定值以电流值的形式传送到PLC（可编程），同时由输出流量检测件对泵的液压油实际输出流量进行检测，所得检测信号由电流/电压转换器转换为电压值传送到PLC中，PLC对实际流量和给定流量进行比较。根据比较结果，PLC 输出驱动电机的给定转数值传送到变频器，通过变频器调节驱动电机/泵的转数，从而调节液压泵的输出流量，使其满足注塑周期各个阶段的不同流量要求，达到节能的要求。 [align=center]
图4 变频器对注塑机液压系统进行流t调节示意图[/align] 3.3 变频器的特点和选用 用于驱动电机调速的变频器要求具有如下特点:①在很小转差率下运行，损耗小，功率因数高;②调速范围宽，频率可从几赫兹到几百赫兹，调速精度高，精度可达0.5%一1%;③可自动平滑地加速和减速;④节能效果十分明显，一般可达30%以上;⑤保护功能齐全，维护工作量很小。 变频器的选用可根据注塑机的实际T作状况而定，对于调速要求不高、负载变化不大的注塑机，可选择价格相对便宜的SANKEN（三肯）SVF系列变频器;对于调速要求较高、转速误差较小的注塑机可选用ABB系列或FUJI（富士）GT 系列变频器;对负载变化大且可靠性要求高的注塑机可选用FUJIG7 系列变频器，它可以通过控制驱动电机转差率来限定输出转矩。 变频器的容量选择应遵循下列准则:①变频器的额定电流大于等于驱动电机的额定电流;②变频器的额定电压大于等于驱动电机的额定电压;③变频器的额定功率一匹配电机功率大于驱动电机的额定功率。 4 实例 在实际的应用过程中，用变频器对某型注塑机液压系统进行了改造。该型注塑机液压泵驱动电机额定功率为lkw，改造前采用工频电源时的有用功率为7.skw，用变频改造后的有用功率约为4.5kw，减少约3kw。以该注塑机每年工作5000h计，则一年可节约电能为: 3kw x 5000h=15000kW·h=5400MJ 以珠江三角洲地区的工业用电价格1.2元/（kw·h）为例，则每年可节约电费: 15000kW·h x l.2元/kw ·h=18000元 由此可见 ，进行变频改造所产生的经济效益是相当可观的，并且对于生产规模越大的注塑生产，所节省的电能就越可观，产生的经济效益也越明显，前期改造注塑机的投资也可在较短的时期内收回。 5 结语 采用变频器技术对注塑机液压系统进行改造的优点是十分明显的，它不但能显著地节省电能，而且电机的温升下降，机械的磨损减少，运行噪音降低，且维修工作变得十分方便，提高了注塑机和注塑模具的使用寿命。这种交流变频调速技术不仅可以用于注塑机，在挤出机上也可用来调节挤出螺杆的转速，因而它是一种实用性很高的生产技术，必将在塑料加工业得到广泛应用。笔者进一步的研究认为，在注塑机和挤出机的制造过程中就可引人变频器技术以提高注塑机和挤出机的性能和效益，使注塑机和挤出机在节能技术方面一步到位，增加其市场竞争力。 参考文献 1 北京化工学院，等塑料机械液压传动北京中国轻工业出版社，1983 2 翟金平，等塑料工业手册（注塑、模压工艺与设备分册）.北京化学工业出版社，2001 3 机械工业部，橡胶塑料机械产品样本.北京:机械工业出版社.1996 4 满永奎，等通用变频器及其应用北京机械下业出版社.1992 5 陈国呈.变频器的发展动向与变领器在应用中应注意的一些问题. 上海大学学报（自然科学版〕1996（5）:524
图1 注塑机的工作周期[/align] 1.2 工作参数 注塑机在一个工作循环中与液压系统有密切关系的主要工作参数有注塑压力、注射速率、锁模力、保压压力等。注塑压力是克服熔融物料流经喷嘴、流道和模具型腔时的流动阻力，保证充模稳定性，确保注塑制品精度和合格率的重要因素。当螺杆直径一定时，注塑压力的大小由液压系统决定。注射速率是表征熔体充满模具型腔快慢的参数，它直接影响制品的质量和生产率，其大小由注射油缸的工作油流量控制。锁模力是注塑机合模机构对模具所能施加的最大夹紧力，它和注射量一起成为标称注塑机规格的参数，对于液压一肘杆式合模装置，锁模力大小由液压系统和肘杆机构共同决定;对于全液压式合模装置，锁模力大小由注塑机的液压系统决定。保压压力是重要的注塑工艺参数之一，保压压力和保压时间的选择直接影响注塑制品的质量，保压压力与注塑压力一样由液压系统决定。 2 注塑机液压系统 液压系统是注塑机的重要组成部分，它必须满足整个工作周期各个阶段所需压力和速度的不同要求。液压系统应具有工作稳定性好、重复精度和灵敏度高、噪音低和节能等特点。液压系统主要由液压泵、阀门、油缸及回路组成。 在注塑生产中，根据注塑工艺的需要，液压系统提供给注塑机的工作流量和工作压力应该是不断变化的，因此注塑机液压系统所消耗的功率也应该是随着工作流量和工作压力的变化而不断变化的。图2为国产xs一zy一50型注塑机的一个工作周期中液压系统应提供的液压油工作流量的变化示意图，图3为油缸所消耗功率的变化示意图。由图2、图3可以看出，在注塑周期的各个阶段，液压系统的工作流量和功率消耗相差很大，所需最大工作流量和功率消耗阶段为闭模注射阶段。 液压泵是注塑机液压系统的动力源，为油缸和油电机等执行机构提供完成动作所需的压力油。注塑机中的液压泵大多是定量泵，注塑工序中不同动图2注塑机液压系统工作流量变化图 [align=center] 图2 注塑机液压系统工作流量变化图 图3 注塑机液压油缸消耗功率变化图[/align] 作所需的液压油工作流量和压力是通过一系列阀门及相关回路来调节的。由于泵的流量一定，也就意味着在注塑周期的各个阶段其流量均为最大工作流量，在不需最大工作流量的工序上，多余的压力油经溢流阀回路流回油箱，而驱动液压泵的电机始终保持着维持最大工作流量时的转速，因此电机所消耗的功率也始终维持在注塑周期中的最大功率上，造成了大量的电能浪费。在注塑机的液压回路上加装变频器回路，根据注塑周期中负载的变化，利用变频器的变频功能改变驱动电机的电源频率，使周期中的每一个确定的液压工作流量都对应不同的电机转数（频率），从而可达到对液压系统的工作流量和工作压力进行实时控制的目的，使电机的转数根据工作负载的变化而实时变化，从而节约电能。 3 变频调速 3.1 工作原理 液压系统调节流量通常是通过液压阀的开启程度来实现的，即通过增加液压回路的阻力来提高液压系统的工作压力，而液压泵的转数并未发生变化，这样大量的电能就浪费在克服回路阻力上了。采用变频器对注塑机液压系统的工作流量进行实时控制，就是根据注塑工艺要求的流量值对电动机进行转速调节，从而代替各种液压阀的调节，实现液压泵输出流量的无级调速，并可大量减少各种阀门的使用。由于液压油的工作流量与工作压力之间存在相应的对应关系，因此采用变频器控制液压泵的工作流量，可在不改变液压回路阻力的情况下，通过对流量的调节来达到对工作压力的调节。 交流电机的转速可由（1）式表示，: 由（3） 式可见，当5、q、p的值恒定时，液压泵的工作流量与驱动电机频率呈线性关系，从而可使流量平滑地变化，达到无级调速的目的。 3.2 系统组成 图4为采用变频器调节注塑机液压泵流量的工作流程示意图。由信号采集装置（传感器）将注塑机注塑工艺流程中不同阶段所需液压油的工作流量进行采集并将流量给定值以电流值的形式传送到PLC（可编程），同时由输出流量检测件对泵的液压油实际输出流量进行检测，所得检测信号由电流/电压转换器转换为电压值传送到PLC中，PLC对实际流量和给定流量进行比较。根据比较结果，PLC 输出驱动电机的给定转数值传送到变频器，通过变频器调节驱动电机/泵的转数，从而调节液压泵的输出流量，使其满足注塑周期各个阶段的不同流量要求，达到节能的要求。 [align=center] 图4 变频器对注塑机液压系统进行流t调节示意图[/align] 3.3 变频器的特点和选用 用于驱动电机调速的变频器要求具有如下特点:①在很小转差率下运行，损耗小，功率因数高;②调速范围宽，频率可从几赫兹到几百赫兹，调速精度高，精度可达0.5%一1%;③可自动平滑地加速和减速;④节能效果十分明显，一般可达30%以上;⑤保护功能齐全，维护工作量很小。 变频器的选用可根据注塑机的实际T作状况而定，对于调速要求不高、负载变化不大的注塑机，可选择价格相对便宜的SANKEN（三肯）SVF系列变频器;对于调速要求较高、转速误差较小的注塑机可选用ABB系列或FUJI（富士）GT 系列变频器;对负载变化大且可靠性要求高的注塑机可选用FUJIG7 系列变频器，它可以通过控制驱动电机转差率来限定输出转矩。 变频器的容量选择应遵循下列准则:①变频器的额定电流大于等于驱动电机的额定电流;②变频器的额定电压大于等于驱动电机的额定电压;③变频器的额定功率一匹配电机功率大于驱动电机的额定功率。 4 实例 在实际的应用过程中，用变频器对某型注塑机液压系统进行了改造。该型注塑机液压泵驱动电机额定功率为lkw，改造前采用工频电源时的有用功率为7.skw，用变频改造后的有用功率约为4.5kw，减少约3kw。以该注塑机每年工作5000h计，则一年可节约电能为: 3kw x 5000h=15000kW·h=5400MJ 以珠江三角洲地区的工业用电价格1.2元/（kw·h）为例，则每年可节约电费: 15000kW·h x l.2元/kw ·h=18000元 由此可见 ，进行变频改造所产生的经济效益是相当可观的，并且对于生产规模越大的注塑生产，所节省的电能就越可观，产生的经济效益也越明显，前期改造注塑机的投资也可在较短的时期内收回。 5 结语 采用变频器技术对注塑机液压系统进行改造的优点是十分明显的，它不但能显著地节省电能，而且电机的温升下降，机械的磨损减少，运行噪音降低，且维修工作变得十分方便，提高了注塑机和注塑模具的使用寿命。这种交流变频调速技术不仅可以用于注塑机，在挤出机上也可用来调节挤出螺杆的转速，因而它是一种实用性很高的生产技术，必将在塑料加工业得到广泛应用。笔者进一步的研究认为，在注塑机和挤出机的制造过程中就可引人变频器技术以提高注塑机和挤出机的性能和效益，使注塑机和挤出机在节能技术方面一步到位，增加其市场竞争力。 参考文献 1 北京化工学院，等塑料机械液压传动北京中国轻工业出版社，1983 2 翟金平，等塑料工业手册（注塑、模压工艺与设备分册）.北京化学工业出版社，2001 3 机械工业部，橡胶塑料机械产品样本.北京:机械工业出版社.1996 4 满永奎，等通用变频器及其应用北京机械下业出版社.1992 5 陈国呈.变频器的发展动向与变领器在应用中应注意的一些问题. 上海大学学报（自然科学版〕1996（5）:524
