塑膠行業分析及變頻器應用
隨著塑料制品的廣泛應用及其產量的迅猛增長，塑料機械已成為建材、包裝、電子電氣、汽車、石化、機械等行業的重要技術裝備，需求量激增，塑機行業已成為21世紀我國經濟發展中的朝陽產業隨著我國塑料工業的發展，塑料機械工業近幾年來的增長率都在30％左右，是增長最快的產業之一。2001年我國塑機行業工業總產值8多億元，利潤６億元左右，利潤率增長遠高于工業總產值的增長。2001年塑機工業總產值為1995年的2.3倍，而利潤率則為1995年的4.5倍。在全國機械工業的194個行業中，塑機行業的主要經濟指標均居前列。
塑料加工工業良好的發展前景仍將是我國塑料機械制造工業高速發展的源動力，預計2001-2010年，我國對塑料機械需求量的年均增長率為6%左右，預計至2010年為145億元。也就是說，我國塑機行業的發展潛力很大，后勁很足。在我國塑料工業長遠規劃中，2000-2005年塑料制品的年均增長率約為10%，2006-2015年的年均增長率將達到8%。即到2005年塑料制品的產量將達到2500萬噸，預計2015年塑料制品總產量翻一番，達到5000萬噸。
在世界能源日益枯竭的今天，節能早已被人們放在突出位置。與世界上一些能源豐富的國家相中國是一個能源短缺國。然而我們在能源特別是能源的最主要的利用形式電力方面的利用率卻很低，存在觸目驚心的浪費現象。在新產品開發﹑新設備研制以及原有設備的改造上，必須將能耗作為重要指標予以關注。塑膠行業是21世紀的朝陽行業。然而由于其產品主要是通過加熱，加壓等物理方法生產，從而決定了它的生產方式的高能耗特點。對于高能耗的塑膠制品設備，如何節電，已成為提升產品競爭力的一個重要手段。
塑料機械是塑料工業發展的重要支柱，它為塑料行業提供了先進的技術裝備，它的發展是塑料工業發展的基礎，也受塑料工業發展的影響。從世界范圍看，塑料機械的三大類品種依次是注塑機、擠出機：擠出生產線和吹塑機，它們占了塑料機械總產值的80%以上，其中注塑機占這三類機械總和的一半以上。我們從切身經歷中談談變頻器在塑膠機械中的應用，從其各自特點及現場應用作一個簡介。
1、注塑機專用節能系統簡介
要作好注塑機節能系統首先從注塑說起。注塑過程一般分為以下步驟：鎖模→注射保壓→熔膠加料→冷卻定型→開模→頂針。每一動作的完成都有時間、壓力、速度、位置等幾個參數的精妙配合，也就是說在某一位置的位移都有相應的壓力和速度，且在不同的位置和時間內其壓力和速度都是可變的。同時每一動作完成后發出終止信號傳送給程序控制器，程序控制器收到信號后才發出執行下一動作的指令。此外注塑機系統本身還存在一些弱點：第一、注塑機動作內部有著十分劇烈的突變過程：如鎖模過程中，快速鎖模→慢速低壓護模→高壓高速鎖模的工況突變就很劇烈的；又如注射過程中，慢速注射→快速→慢速→快速→慢速的射膠過程工況也是很劇烈的，對機器的沖擊都十分的大，影響了整個注塑系統的壽命。第二、動作油路制動達不到設計的精度，油路制動的開閉取決于電磁閥，而電磁閥的動作又取決于過程控制器提供的電壓和電流，因大多數注塑機都沒有死循環控制，閥的開閉精度就會大打折扣，尤其是閥的開閉程度在10%以下和90%以上時，動作的重復精度和穩定性都是極差的，某一動作在此狀態下被執行很難保證其穩定性和重復精度。第三、執行動作的油缸本身有油封破損，有內泄現象，執行動作的可靠性和穩定性不高。這是由于多數時間內，負載的實際耗油量均小于油泵的供油量，造成高壓狀態下的液壓油部分經溢流閥、比例閥等液壓元件溢出。該溢流部分不僅未作任何有用功，而且產生熱量，造成液壓油發熱，既耗能，又有害。采用注塑機節能系統后，就能很好的解決這些問題，既提高了整個注塑系統的精度和穩定性，減少了巨大的機械沖擊，延長了系統使用壽命，又能夠節約大量的電能。
2、擠出機的變頻應用簡介：
如塑料制管機生產線主要是塑料擠出機及冷卻槽，牽引機三部份組成。在沒有改造前擠出機、牽引機都是交流滑差電動機傳動，存在耗電量大，傳動效率低，速度精度差，速度不夠穩定，因此影響產品的質量，需要進行技術改造。經我公司工程師現場調查，我們認為采用變頻調速能解決上述的弊病。
經我公司變頻改造后，調速速范圍，起動特性，動態響應，調節精度，輸出特性，經濟指標和操作監視方便等各個方面；都優于電磁調速。此外，變頻調速還具有保護功能完善，通用性強，維護工作量小，運行安全可靠，電耗小，設備壽命長等優點。轉可以從零平穩起步升速，并能選擇升速和降速曲線，節能顯著，深得操作人員和維修人員好評。可以值得在類似塑料加工機上推廣，例造粒機，制管機，拌料機等上的應用。
３、 液壓塑膠中空成型機變頻簡介：
基于多年生產現場經驗，作者在實踐中對各種不同類型的塑膠中空成型機的性能作了深入的調查研究，并由此有針對性地對各種檔次的中空成型機進行了局部或整機的改造，提出了變頻式液壓塑膠中空成型機的構想。
３.1 塑膠中空成型機工作原理及特性
根據驅動方式的不同，塑膠中空成型機可以分為氣動式和液壓式兩類。無論采用哪種方式，都是將模具送至接膠位，接取膠胚后再回到吹制位，通過吹針將5-6Mpa的壓縮空氣引入模腔將膠胚吹制成形。PLC控制氣動單/雙工位塑膠中空成型機采用了全氣動驅動，反應快，效率高，但正是由于采用了氣動方式，根據公式F=P·S。其中Ｆ為鎖模力，Ｐ為系統工作氣壓，Ｓ為活塞有效面積。由此可知，當系統工作壓力為一定值時，鎖模力與活塞有效面積成正比。一旦確定了缸徑，鎖模力也就確定了。以缸徑150mm為例，在6MPa的工作壓力下，只能產生10.38KN的力。所以此類機型僅適合500ml以下的瓶子。同時需要指出的是，由于采用全氣動，間接增加了用風量，若將風泵的耗電量及其維修保養費折算進去，其產品單耗是相當高的。
由上可知，若要生產500ml以上容量的容器，只有采用液壓油缸的合模系統。利用液壓系統可以產生足夠的壓力，保證各種大容積產品的生產及質量。但當今最先進的液壓伺服系統價格依然不菲。如日本油研公司采用EFRG-03-125-C-50型比例壓力流量控制閥售價在7000元左右，一臺行程僅為14mm、缸徑120mm的伺服油缸售價過萬元。盡管采用比例式壓力、流量控制系統價格不菲，且液壓系統耗電量是整機用電量的30%左右，但其優良的動態特性足以保證產品的質量穩定，所以依然獲得了廣泛應用[1、2]。
根據測算，除外部提供的供風系統外，整機能源消耗，以擠出機螺桿直徑為70mm的液壓雙工位機為例，在以PE(聚氯乙烯)為原料生產4500ml容器時，電熱加溫占整機耗電量的22.6%，擠出機運料系統馬達為11kW，約占53%，液壓系統是7.5kW馬達，約占24.4%。在液壓單工位機中，當生產280ml容積的PE料產品時，液壓系統耗電占整機耗電量的41.35％，電熱占42.33％,擠出機運料系統(已改變頻驅動)耗電占16.32%。目前絕大多數中空成型機廠家的做法都是僅在擠出機運料系統中將滑差電機調速改為變頻調速。
３.2 變頻式中空成型機工作原理
綜上所述，如何將液壓系統的耗電量降下來，就成了新一代高效節能液壓系統的關鍵問題。傳統控制理論注重系統穩定性的方法往往是首先確保有一個穩定系統的存在，在系統穩定性發生變化時再以PID之類方法進行調節。定壓式液壓系統就是其典型代表。其代價就是高能耗。比例式液壓系統較前者已有很大進步，然而，從比例壓力比例流量閥的結構可知，依然是上述思路的延伸，只是以內部溢流的方式盡量加大閥門開度而已。而現代控制理論則更注重動態穩定和動態調節。眾所周知，變頻調速是一種高效率、高性能的調速方法，特別適用于籠型異步電機。脈寬調制(PWM)技術，矢量控制技術，無速度傳感器技術的發展和應用使得交流電機變頻調速在許多場合已經大量取代直流調速系統。從目前工控領域的發展現狀看，它也代表著電力驅動的水平與方向。隨著各種大功率智能型電力電子器件的不斷問世和計算機技術的飛速發展，變頻調速技術愈加成熟。其動態響應速度和過載能力已經能夠滿足一般液壓系統動態穩定性的要求，其價格已下降到用戶普遍可以接受的程度[3]。由此，我們在液壓控制系統中融入變頻調速技術，將傳統的定量泵轉化為“變量泵”，變回流式調節為容積式調節，根據生產中各工藝流程“按需分配”，從而達到高效節電之目的。
整機能源消耗由四部分組成，分別為中空成型機加溫系統，擠出機構，比例式液壓系統和壓縮空氣源。其中除壓縮空氣源為外部系統提供外，其余均由該機的動力用電提供。該機與目前常見的中空成型機不同之處在于增加了2個環節，一個是保溫系統，另一個是帶D/A轉換器和同步控制器的變頻式液壓系統。關于保溫系統，僅在發熱管部分塗復一種復合硅酸鹽保溫材料，約30mm厚，因該材料無腐蝕性，隔熱性能優良且容重輕。僅此一舉，加溫系統節電30%。因保溫系統十分簡單，故不在本文重點討論之列。
結語：
我們以技術深受更廣大的客戶所接受。作為能效行業的領軍公司，必將為我國的節能事業和塑料工業做出新的更大貢獻。
塑料加工工業良好的發展前景仍將是我國塑料機械制造工業高速發展的源動力，預計2001-2010年，我國對塑料機械需求量的年均增長率為6%左右，預計至2010年為145億元。也就是說，我國塑機行業的發展潛力很大，后勁很足。在我國塑料工業長遠規劃中，2000-2005年塑料制品的年均增長率約為10%，2006-2015年的年均增長率將達到8%。即到2005年塑料制品的產量將達到2500萬噸，預計2015年塑料制品總產量翻一番，達到5000萬噸。
在世界能源日益枯竭的今天，節能早已被人們放在突出位置。與世界上一些能源豐富的國家相中國是一個能源短缺國。然而我們在能源特別是能源的最主要的利用形式電力方面的利用率卻很低，存在觸目驚心的浪費現象。在新產品開發﹑新設備研制以及原有設備的改造上，必須將能耗作為重要指標予以關注。塑膠行業是21世紀的朝陽行業。然而由于其產品主要是通過加熱，加壓等物理方法生產，從而決定了它的生產方式的高能耗特點。對于高能耗的塑膠制品設備，如何節電，已成為提升產品競爭力的一個重要手段。
塑料機械是塑料工業發展的重要支柱，它為塑料行業提供了先進的技術裝備，它的發展是塑料工業發展的基礎，也受塑料工業發展的影響。從世界范圍看，塑料機械的三大類品種依次是注塑機、擠出機：擠出生產線和吹塑機，它們占了塑料機械總產值的80%以上，其中注塑機占這三類機械總和的一半以上。我們從切身經歷中談談變頻器在塑膠機械中的應用，從其各自特點及現場應用作一個簡介。
1、注塑機專用節能系統簡介
要作好注塑機節能系統首先從注塑說起。注塑過程一般分為以下步驟：鎖模→注射保壓→熔膠加料→冷卻定型→開模→頂針。每一動作的完成都有時間、壓力、速度、位置等幾個參數的精妙配合，也就是說在某一位置的位移都有相應的壓力和速度，且在不同的位置和時間內其壓力和速度都是可變的。同時每一動作完成后發出終止信號傳送給程序控制器，程序控制器收到信號后才發出執行下一動作的指令。此外注塑機系統本身還存在一些弱點：第一、注塑機動作內部有著十分劇烈的突變過程：如鎖模過程中，快速鎖模→慢速低壓護模→高壓高速鎖模的工況突變就很劇烈的；又如注射過程中，慢速注射→快速→慢速→快速→慢速的射膠過程工況也是很劇烈的，對機器的沖擊都十分的大，影響了整個注塑系統的壽命。第二、動作油路制動達不到設計的精度，油路制動的開閉取決于電磁閥，而電磁閥的動作又取決于過程控制器提供的電壓和電流，因大多數注塑機都沒有死循環控制，閥的開閉精度就會大打折扣，尤其是閥的開閉程度在10%以下和90%以上時，動作的重復精度和穩定性都是極差的，某一動作在此狀態下被執行很難保證其穩定性和重復精度。第三、執行動作的油缸本身有油封破損，有內泄現象，執行動作的可靠性和穩定性不高。這是由于多數時間內，負載的實際耗油量均小于油泵的供油量，造成高壓狀態下的液壓油部分經溢流閥、比例閥等液壓元件溢出。該溢流部分不僅未作任何有用功，而且產生熱量，造成液壓油發熱，既耗能，又有害。采用注塑機節能系統后，就能很好的解決這些問題，既提高了整個注塑系統的精度和穩定性，減少了巨大的機械沖擊，延長了系統使用壽命，又能夠節約大量的電能。
2、擠出機的變頻應用簡介：
如塑料制管機生產線主要是塑料擠出機及冷卻槽，牽引機三部份組成。在沒有改造前擠出機、牽引機都是交流滑差電動機傳動，存在耗電量大，傳動效率低，速度精度差，速度不夠穩定，因此影響產品的質量，需要進行技術改造。經我公司工程師現場調查，我們認為采用變頻調速能解決上述的弊病。
經我公司變頻改造后，調速速范圍，起動特性，動態響應，調節精度，輸出特性，經濟指標和操作監視方便等各個方面；都優于電磁調速。此外，變頻調速還具有保護功能完善，通用性強，維護工作量小，運行安全可靠，電耗小，設備壽命長等優點。轉可以從零平穩起步升速，并能選擇升速和降速曲線，節能顯著，深得操作人員和維修人員好評。可以值得在類似塑料加工機上推廣，例造粒機，制管機，拌料機等上的應用。
３、 液壓塑膠中空成型機變頻簡介：
基于多年生產現場經驗，作者在實踐中對各種不同類型的塑膠中空成型機的性能作了深入的調查研究，并由此有針對性地對各種檔次的中空成型機進行了局部或整機的改造，提出了變頻式液壓塑膠中空成型機的構想。
３.1 塑膠中空成型機工作原理及特性
根據驅動方式的不同，塑膠中空成型機可以分為氣動式和液壓式兩類。無論采用哪種方式，都是將模具送至接膠位，接取膠胚后再回到吹制位，通過吹針將5-6Mpa的壓縮空氣引入模腔將膠胚吹制成形。PLC控制氣動單/雙工位塑膠中空成型機采用了全氣動驅動，反應快，效率高，但正是由于采用了氣動方式，根據公式F=P·S。其中Ｆ為鎖模力，Ｐ為系統工作氣壓，Ｓ為活塞有效面積。由此可知，當系統工作壓力為一定值時，鎖模力與活塞有效面積成正比。一旦確定了缸徑，鎖模力也就確定了。以缸徑150mm為例，在6MPa的工作壓力下，只能產生10.38KN的力。所以此類機型僅適合500ml以下的瓶子。同時需要指出的是，由于采用全氣動，間接增加了用風量，若將風泵的耗電量及其維修保養費折算進去，其產品單耗是相當高的。
由上可知，若要生產500ml以上容量的容器，只有采用液壓油缸的合模系統。利用液壓系統可以產生足夠的壓力，保證各種大容積產品的生產及質量。但當今最先進的液壓伺服系統價格依然不菲。如日本油研公司采用EFRG-03-125-C-50型比例壓力流量控制閥售價在7000元左右，一臺行程僅為14mm、缸徑120mm的伺服油缸售價過萬元。盡管采用比例式壓力、流量控制系統價格不菲，且液壓系統耗電量是整機用電量的30%左右，但其優良的動態特性足以保證產品的質量穩定，所以依然獲得了廣泛應用[1、2]。
根據測算，除外部提供的供風系統外，整機能源消耗，以擠出機螺桿直徑為70mm的液壓雙工位機為例，在以PE(聚氯乙烯)為原料生產4500ml容器時，電熱加溫占整機耗電量的22.6%，擠出機運料系統馬達為11kW，約占53%，液壓系統是7.5kW馬達，約占24.4%。在液壓單工位機中，當生產280ml容積的PE料產品時，液壓系統耗電占整機耗電量的41.35％，電熱占42.33％,擠出機運料系統(已改變頻驅動)耗電占16.32%。目前絕大多數中空成型機廠家的做法都是僅在擠出機運料系統中將滑差電機調速改為變頻調速。
３.2 變頻式中空成型機工作原理
綜上所述，如何將液壓系統的耗電量降下來，就成了新一代高效節能液壓系統的關鍵問題。傳統控制理論注重系統穩定性的方法往往是首先確保有一個穩定系統的存在，在系統穩定性發生變化時再以PID之類方法進行調節。定壓式液壓系統就是其典型代表。其代價就是高能耗。比例式液壓系統較前者已有很大進步，然而，從比例壓力比例流量閥的結構可知，依然是上述思路的延伸，只是以內部溢流的方式盡量加大閥門開度而已。而現代控制理論則更注重動態穩定和動態調節。眾所周知，變頻調速是一種高效率、高性能的調速方法，特別適用于籠型異步電機。脈寬調制(PWM)技術，矢量控制技術，無速度傳感器技術的發展和應用使得交流電機變頻調速在許多場合已經大量取代直流調速系統。從目前工控領域的發展現狀看，它也代表著電力驅動的水平與方向。隨著各種大功率智能型電力電子器件的不斷問世和計算機技術的飛速發展，變頻調速技術愈加成熟。其動態響應速度和過載能力已經能夠滿足一般液壓系統動態穩定性的要求，其價格已下降到用戶普遍可以接受的程度[3]。由此，我們在液壓控制系統中融入變頻調速技術，將傳統的定量泵轉化為“變量泵”，變回流式調節為容積式調節，根據生產中各工藝流程“按需分配”，從而達到高效節電之目的。
整機能源消耗由四部分組成，分別為中空成型機加溫系統，擠出機構，比例式液壓系統和壓縮空氣源。其中除壓縮空氣源為外部系統提供外，其余均由該機的動力用電提供。該機與目前常見的中空成型機不同之處在于增加了2個環節，一個是保溫系統，另一個是帶D/A轉換器和同步控制器的變頻式液壓系統。關于保溫系統，僅在發熱管部分塗復一種復合硅酸鹽保溫材料，約30mm厚，因該材料無腐蝕性，隔熱性能優良且容重輕。僅此一舉，加溫系統節電30%。因保溫系統十分簡單，故不在本文重點討論之列。
結語：
我們以技術深受更廣大的客戶所接受。作為能效行業的領軍公司，必將為我國的節能事業和塑料工業做出新的更大貢獻。
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