匯川注塑機專用變頻器節(jié)能改造方案

塑料用合成樹脂與合成橡膠、合成纖維三大類合成高分子新型材料，已經(jīng)與鋼鐵、木材、水泥一起構(gòu)成現(xiàn)代社會中的四大基礎(chǔ)材料，是信息、能源、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運輸乃至宇宙空間和海洋開發(fā)等國民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域不可缺少的新型材料。塑料制品加工行業(yè)是輕工行業(yè)中近幾年發(fā)展速度較快的行業(yè)之一，隨著塑膠企業(yè)數(shù)量的增多，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力成為許多塑料制品廠共同關(guān)心的問題。在加工成本中，電費占據(jù)了相當(dāng)大的比例，而數(shù)量眾多的注塑機是耗電最多的設(shè)備，因此，對注塑機進(jìn)行節(jié)能技術(shù)改造就顯得非常迫切和必要。在注塑機上推廣應(yīng)用變頻器可以實現(xiàn)節(jié)約電能、提高生產(chǎn)率和產(chǎn)品質(zhì)量，降低油污染和噪聲污染，延長機器使用壽命等優(yōu)點。因此將逐步推廣使用。
1 注塑機變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案
1.1注塑機的工作循環(huán)如下:
1.1.1 鎖合模:模板快速接近定模板，且確認(rèn)無異物存在時，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為高壓，將模板鎖合。
1.1.2 注射臺前移:噴嘴與模具緊貼。
1.1.3 注射:注射螺桿以一定的壓力和速度將料筒前端的熔料注入模腔。
1.1.4 保壓、冷卻:通過此動作，使模腔內(nèi)的塑料制品冷卻成形。
1.1.5 預(yù)塑:傳統(tǒng)上應(yīng)用液壓馬達(dá)驅(qū)動螺桿并后退，料斗中加入的塑料粒子被前推，并進(jìn)行預(yù)塑。螺桿后退到預(yù)定位置，停止轉(zhuǎn)動，準(zhǔn)備下一次注射。
1.1.6 注射臺后退，開模
1.1.7 頂出制品
以上這些動作在傳統(tǒng)的注塑機上都是以液壓系統(tǒng)來完成的。由油泵和不同閥門的配合產(chǎn)生不同的壓力方向和流量，提供油缸和液壓馬達(dá)所要求的推動力和移動速度。
眾所周知，油泵的輸出功率
Pt=p×Qt=p×V×n (1)
而油泵的理論轉(zhuǎn)矩:
Tt=1/2π×p×V (2)
式中p為壓力，Qt為流量，V為油泵排量(油泵每轉(zhuǎn)排出的油量)，n為油泵轉(zhuǎn)速
將(2)式代入(1)式得:
Pt=2π×Tt×n (3)
如果忽略機械能到液壓能轉(zhuǎn)換過程中的能量損失，則可近似認(rèn)為油泵的輸出功率等于電機的輸出轉(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)速的乘積。因此可以看出，當(dāng)系統(tǒng)要求低流量時，系統(tǒng)需要的功率其實是非常低的。但是實際情況卻是，由于電動機始終運行在工頻50Hz狀態(tài)上，并不能根據(jù)實際的需求來降低其轉(zhuǎn)速，從而減小流量。因此多余的液壓油只能通過比例流量閥流回油箱，造成能源的白白浪費。
根據(jù)以上事實，匯川技術(shù)有限公司以此為基礎(chǔ)，在多年的實踐應(yīng)用中積累了許多寶貴經(jīng)驗，提出了在注塑機械上變頻器應(yīng)用的多種節(jié)能方案，并為此專門推出了MD系列帶有注塑機擴(kuò)展卡的為注塑機變頻節(jié)能量身定做的專用變頻器
1.2 典型的控制方案

圖 1變頻節(jié)能電氣原理圖
圖 2 變頻器運行信號

此種方案將控制比例流量閥的電流信號同時輸入給變頻器的模擬量輸入端(AI1,GND)，通過控制油泵電機的轉(zhuǎn)速，油泵的實際流量正比于電機的轉(zhuǎn)速，油泵的輸出功率因此也正比于電機的轉(zhuǎn)速(見公式3)，起到了節(jié)能的目的。根據(jù)塑料制品和工藝要求的不同，其整體節(jié)能效果從35%至70%的范圍內(nèi)不等。
從電氣原理圖1可知，工頻與變頻用SA及KM3、KM1進(jìn)行電氣互鎖，確保工頻運行與變頻運行不能同時進(jìn)行，保護(hù)系統(tǒng)安全運行；當(dāng)選擇開關(guān)SA在中間位置，即在0檔時，電路不工作；SA轉(zhuǎn)至左邊，即在1檔時，KM1得電（變頻運行指示燈HL2亮），其常閉輔助觸頭先斷開，切斷工頻控制回路。KM1常開輔助觸頭后閉合，KM2得電吸合。KM1、KM2主觸頭先后閉合，接通變頻器主電路。此時如果有運行信號（見圖2：原系統(tǒng)星三角啟動切換完，且控制線路選擇到變頻運行，即KM2線圈得電，這時DI1-COM閉合，變頻器運行，注塑機開始工作。變頻器根據(jù)注塑機電腦板給出的及流量信號(，經(jīng)內(nèi)部處理后，輸出不同的頻率，調(diào)節(jié)馬達(dá)轉(zhuǎn)速，即：輸出功率與壓力和流量同步自動跟蹤控制，故可以大大減輕合模、開模的震動，穩(wěn)定生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少機械故障，延長機器使用壽命。
當(dāng)檢測有異常時，TA-TB斷開，切斷變頻器輸出信號及輸出回路。TA-TC后閉合，HL1故障指示燈亮。排除故障后，按故障復(fù)位鍵后，既可繼續(xù)工作。當(dāng)SA轉(zhuǎn)換至右邊時，工頻運行，即與原系統(tǒng)工作時一樣，確保變頻器出現(xiàn)異常時，不影響生產(chǎn)。
1.3 功能代碼的設(shè)定
F0-00 0
F0-01 1
F0-02 3
F0-05 現(xiàn)場調(diào)整
F0-06 現(xiàn)場調(diào)整
F0-09 1
F0-10 9 F3-02至F3-09現(xiàn)場調(diào)整
變頻器相關(guān)功能端子說明及其它功能碼的設(shè)定請參見匯川的相關(guān)用戶手冊。
2 匯川注塑機用系列變頻器特點
該系列變頻器是適用于注塑機節(jié)能與自動化改造的專用變頻器，采用優(yōu)良的矢量控制策略使其具有較快的動態(tài)響應(yīng)，先進(jìn)的電流限制技術(shù)和硬件優(yōu)化設(shè)計，能保證在負(fù)載頻繁波動的情況下，變頻器不跳閘。并具有以下特點：
2.1 可靠性
完善的可靠性設(shè)計方案：如冗余設(shè)計，降額設(shè)計等，所有元器件全部采用工業(yè)或軍工等級；專業(yè)化的制作平臺，從而保證整機的可靠性。
2.2 高節(jié)電率：
保留注塑機原有控制方式油路不變，采用先進(jìn)的微電腦控制技術(shù)，使定量泵變?yōu)楣?jié)能型變量泵，注塑機液壓系統(tǒng)與整機運行所需要的功率匹配，無高壓節(jié)流溢流能量之損失，提高油泵電機功率因素至0.96以上，節(jié)電率一般可達(dá)25%~65%，所有投資6~12個月便可收回。
2.2 軟啟動
相比工頻起動方式，采用變頻器控制可以減小開鎖模震動，延長模具的使用壽命，同時系統(tǒng)發(fā)熱量減小，油溫穩(wěn)定，延長液壓系統(tǒng)的使用壽命，為用戶節(jié)省了維護(hù)的費用，由于運行穩(wěn)定，對塑膠制品的品質(zhì)穩(wěn)定性有較大提高。
2.3完善的EMC設(shè)計，
變頻器采用完善的EMC設(shè)計方案，內(nèi)部布局優(yōu)化設(shè)計，采用多種EMI對策，確保對注塑機電氣系統(tǒng)的干擾減小到最小，保證其工作的穩(wěn)定性。
3 節(jié)能改造后的測試
總的來講，節(jié)能效果是肯定的，節(jié)電率達(dá)25%-65%，且運行穩(wěn)定可靠。
3.1 工變頻對比方面：
在不改變注塑機和變頻器參數(shù)的前提下作比較：射出成型品的品質(zhì)方面無影響，周期在變頻工作時會慢0.3-1.2秒（變頻器功率越大，產(chǎn)品工況越復(fù)雜，周期就會相應(yīng)的增加），在射出的穩(wěn)定性和重復(fù)精度方面，變頻狀況較工頻狀態(tài)穩(wěn)定，因為變頻狀況注塑機壓力油溫度可降至35-40℃左右，在此狀況下的油溫最能保證液壓執(zhí)行件的重復(fù)精度和穩(wěn)定性，壓力油的使用壽命也會延長，也減輕了中央運水系統(tǒng)的負(fù)荷，油溫較工頻狀態(tài)降低15-18℃。
3.2 增加了電力系統(tǒng)的裝機容量。
電力系統(tǒng)本身預(yù)留一定的容量供用電設(shè)施激活用，工頻狀況下激活馬達(dá)是采用的星三角形降壓延時激活，此激活電流是電機額定電流的4-7倍，若多臺大功率的電機同時激活，將對電網(wǎng)造成很大的沖擊。為經(jīng)得起激活沖擊，只有加大系統(tǒng)的容量，故先前的用電容量很大，而采用變頻時激活馬達(dá)屬軟起動，只需在額定電流下就可以激活，且起動平滑無沖擊，這樣可以減小激活時對馬達(dá)和電網(wǎng)的沖擊，從另外的角度來講可以算是增加了系統(tǒng)的裝機容量。
3.3變頻狀態(tài)下工作時有很強的保護(hù)功能。
變頻器的保護(hù)可從以下三個方面去認(rèn)識：
第一，可以保護(hù)變頻器本身；
第二，可以保護(hù)馬達(dá)；
第三，保護(hù)注塑機免受錯誤操作。在此保護(hù)功能下，可以保證注塑機在標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)壓力和系統(tǒng)速度下工作，若所執(zhí)行的動作需要的壓力和速度超過系統(tǒng)壓力和速度，此時變頻器就將進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，比如：未到熔融溫度強行熔膠，因注塑機過負(fù)載工作，變頻器就會通過恒速過電流進(jìn)行保護(hù)，若是工頻狀態(tài)下，注塑機可以借助強大的動力，扭斷火箭頭、炮筒、螺桿或者損壞熔膠液壓馬達(dá)。又比如超過140bar的鎖模壓力強行高壓鎖模，變頻器會對超過140bar的鎖模力的執(zhí)行動作進(jìn)行保護(hù)，也會出現(xiàn)恒速過電流，工頻時其鎖模力還可大幅度地提高，這樣機械系統(tǒng)將會受到致命的打擊。若保證所有執(zhí)行動作所需的壓力和速度都在標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)壓力和速度之內(nèi)，變頻器也就不會頻繁保護(hù)，對注塑機本身也有很大的好處。
4 結(jié)束語
匯川技術(shù)代表未來變頻器發(fā)展方向的新一代矢量型、模塊化高性能變頻器，在對客戶需求的合理細(xì)分基礎(chǔ)上，推出的為客戶量身定做注塑機專用變頻器，以其優(yōu)異的性能獲得了客戶的青睞。在經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展用電矛盾突出的今天，匯川的MD系列專用變頻器不但為客戶創(chuàng)造了明顯的經(jīng)濟(jì)效益，同時也帶來巨大的社會意義。