微能矢量變頻器應(yīng)用于變量泵注塑機(jī)節(jié)能改造
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(fèi)占據(jù)了相當(dāng)大的比例，而數(shù)量眾多的注塑機(jī)是耗電最多的設(shè)備，因此，很多塑料企業(yè)對定量泵注塑機(jī)進(jìn)行了大量節(jié)能技術(shù)改造來實(shí)現(xiàn)節(jié)約電能、提高企業(yè)的競爭力，但對于變量泵注塑機(jī)很多企業(yè)包括很多專業(yè)的節(jié)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(jī)如何進(jìn)行節(jié)能改造成了眾多塑料企業(yè)關(guān)心的熱點(diǎn)，深圳微能科技有限公司通過對變量泵注塑機(jī)的深入研究，結(jié)合最新的矢量控制變頻技術(shù)成功的實(shí)現(xiàn)變量泵注塑機(jī)的節(jié)能改造，并且取得了10－20％的節(jié)能效果。
目前絕大多數(shù)改造的注塑機(jī)都屬于液壓傳動注塑機(jī)，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機(jī)帶動油泵提供，其液壓油泵為葉片泵，其供油量與油泵的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)油泵馬達(dá)以50HZ恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油泵的供油量是不變的，所以稱為定量泵。其系統(tǒng)圖如下所示：
一般的注塑機(jī)的生產(chǎn)過程中有下面幾個(gè)環(huán)節(jié)：鎖模、射膠、熔膠、保壓、冷卻、開模。注塑機(jī)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(diào)節(jié)不同工序所須的流量和壓力，當(dāng)工作所需流量較小時(shí)，油泵供油量大于執(zhí)行元件所需的油量，多余的處于高壓狀態(tài)下的液壓油全部經(jīng)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(huán)，造成能量的進(jìn)一步浪費(fèi)。所以一般定量泵注塑機(jī)的改造用變頻器來控制油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)泵出的油量，剛好滿足各個(gè)動作環(huán)節(jié)的需要，可以將溢流量控制在最小狀態(tài)，從而節(jié)約了能源。
目前，變量泵注塑機(jī)多采用比例變量泵作驅(qū)動元件，屬于典型的容積式調(diào)速系統(tǒng)，相比傳動定量泵注塑機(jī)有較明顯的節(jié)能效果。如圖二，該系統(tǒng)由負(fù)載敏感型比例變量柱塞泵、比例溢流閥、比例調(diào)速閥、壓力反饋閥、流量反饋閥等部分組成。
A1：油缸無桿腔活塞面積F：工作負(fù)載P1：工作壓力Q1：工作流量
△P：比例調(diào)速閥兩端的壓力差Pb：油泵壓力Qb：油泵流量n：電動機(jī)轉(zhuǎn)速
工作原理
（1）系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時(shí)，油泵壓力Pb大于工作壓力P1且小于塑機(jī)設(shè)定壓力，比例溢流閥將可靠關(guān)閉。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，Pb與P1之間的壓力差△P會有相應(yīng)波動，并使工作流量Q1發(fā)生變化。以上變化通過流量、壓力反饋閥傳遞給變量泵的調(diào)整活塞。活塞隨之推動柱塞泵斜盤并改變油泵排量，最終穩(wěn)定泵的輸出流量Qb。由此看出，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓力自適應(yīng)控制，基本上沒有溢流損失，但為了控制工作流量Q1，調(diào)速閥上仍存在一定節(jié)流損失。
（2）系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時(shí)，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(tǒng)壓力。通過改變比例溢流閥的輸入信號，就可以得到相應(yīng)的油泵輸出壓力。比起傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)，該控制方式在一定程度上減小了溢流損失。
3、變量泵注塑機(jī)的節(jié)能原理
由上面的介紹我們可以知道，變量泵注塑機(jī)與定量泵注塑機(jī)相比，減少了大量的溢流損失，使得油泵電機(jī)負(fù)載變輕，電流減小，處于輕載狀態(tài)。
變量泵注塑機(jī)是從液壓元件的角度出發(fā)，挖掘油路上的節(jié)能改造空間，從而提高了油路系統(tǒng)的工作效率。但受其控制方式限制，該系統(tǒng)不能完全消除節(jié)流、溢流損失。
1)變量泵注塑機(jī)仍然有浪費(fèi)的空間，從油泵上出來的油仍然要經(jīng)過比例調(diào)速閥和比例溢流閥的的調(diào)節(jié)，在閥門上仍然有一定的功率損失。
2)油泵的電機(jī)速度依然不能調(diào)節(jié)，雖然比起定量泵其負(fù)載輕了很多，但和通過調(diào)節(jié)速度來調(diào)節(jié)油量相比，顯然前者要更耗能。特別是系統(tǒng)處于壓力控制時(shí)，系統(tǒng)需要的壓力很大但是流量很小，而油泵電機(jī)的速度不能調(diào)節(jié)。若油泵的輸出流量、輸出壓力、排量、轉(zhuǎn)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(jī)是通過機(jī)械裝置調(diào)整油泵排量Vb的，顯然其可調(diào)節(jié)的線性范圍有限，不能實(shí)現(xiàn)零排量輸出。且任何情況下，電機(jī)都是全速運(yùn)轉(zhuǎn)，有很多無謂的能量損失。
3)油泵電機(jī)的啟動仍然是星三角啟動，功率因素較低。
4、微能公司節(jié)電系統(tǒng)
微能公司是將矢量變頻技術(shù)應(yīng)用于注塑機(jī)電機(jī)驅(qū)動上，通過速度調(diào)節(jié)及壓力PID閉環(huán)控制功能完成對注塑機(jī)的精確控制。油路上將比例調(diào)速閥人為硬性的將流量調(diào)至最大并保持或者拆除，同時(shí)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(shí)現(xiàn)了壓力自適應(yīng)控制，這樣系統(tǒng)從源頭上消除油路中的節(jié)流及溢流能量損失，使注塑機(jī)獲得最佳的節(jié)能效果。系統(tǒng)如下所示：
工作原理：
當(dāng)油泵流量Qb接近或達(dá)到塑機(jī)的設(shè)定值時(shí)，油路系統(tǒng)進(jìn)入流量控制狀態(tài)，變頻器的輸出頻率與塑機(jī)的流量設(shè)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(yīng)，無需比例閥調(diào)速，也沒有多余流量溢出，可從根本上消除節(jié)流及溢流能量損失。
當(dāng)油泵工作在壓力狀態(tài)下，如下圖所示：
變頻器控制系統(tǒng)配備一塊智能轉(zhuǎn)換卡，變頻器將通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控到這一壓力變化，并與塑機(jī)的壓力設(shè)定值做比較。當(dāng)它們差值很小時(shí)，變頻器的智能轉(zhuǎn)換卡會及時(shí)將變頻器切換到壓力控制狀態(tài)。，啟動PID控制并通過PID功能保持系統(tǒng)壓力恒定。此時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)速將迅速降低，油泵僅維持很小的流量輸出，以彌補(bǔ)油路中的各種泄漏損失。
微能WIN-PSS-IV變頻器為開環(huán)矢量方式，起動轉(zhuǎn)矩大，0.5HZ可以達(dá)到150%的額定轉(zhuǎn)矩；動態(tài)響應(yīng)快，階躍轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于200MS；穩(wěn)速精度為0.5%。通過變頻器的閉環(huán)矢量調(diào)速功能，變頻注塑機(jī)的油泵轉(zhuǎn)速n可實(shí)現(xiàn)0到額定轉(zhuǎn)速之間線性調(diào)節(jié)范圍，尤其是在塑機(jī)待機(jī)及無動作情況下（如冷卻階段），電機(jī)及油泵轉(zhuǎn)速可降至0，基本無能耗損失。值得注意的是，油泵在低轉(zhuǎn)速時(shí)的容積效率會下降，這在一定程度上會影響了節(jié)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(shí)際生產(chǎn)中流量低于20％的情況是極少的，所以油泵轉(zhuǎn)速也不可能出現(xiàn)過低的情況。
5、成本及維護(hù)保養(yǎng)分析
從公司的在東莞某塑膠廠一些的變量泵塑機(jī)節(jié)能改造實(shí)例來看，對鎖模力120噸的臥式變量泵塑機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造仍有20%的節(jié)電率。由此可見，變頻注塑機(jī)的節(jié)電率要高于變量泵注塑機(jī)，并對維護(hù)保養(yǎng)分析如下：
6、結(jié)束語
深圳市微能科技有限公司在多年的實(shí)踐應(yīng)用中積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出在注塑機(jī)械上變頻器應(yīng)用的多種節(jié)能方案，此次又開發(fā)出變量泵注塑機(jī)變頻節(jié)能專用變頻器，必將引領(lǐng)塑機(jī)節(jié)能改造的新潮流。
目前絕大多數(shù)改造的注塑機(jī)都屬于液壓傳動注塑機(jī)，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機(jī)帶動油泵提供，其液壓油泵為葉片泵，其供油量與油泵的轉(zhuǎn)速成正比，當(dāng)油泵馬達(dá)以50HZ恒速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，油泵的供油量是不變的，所以稱為定量泵。其系統(tǒng)圖如下所示：
一般的注塑機(jī)的生產(chǎn)過程中有下面幾個(gè)環(huán)節(jié)：鎖模、射膠、熔膠、保壓、冷卻、開模。注塑機(jī)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(diào)節(jié)不同工序所須的流量和壓力，當(dāng)工作所需流量較小時(shí)，油泵供油量大于執(zhí)行元件所需的油量，多余的處于高壓狀態(tài)下的液壓油全部經(jīng)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(huán)，造成能量的進(jìn)一步浪費(fèi)。所以一般定量泵注塑機(jī)的改造用變頻器來控制油泵馬達(dá)轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)泵出的油量，剛好滿足各個(gè)動作環(huán)節(jié)的需要，可以將溢流量控制在最小狀態(tài)，從而節(jié)約了能源。
目前，變量泵注塑機(jī)多采用比例變量泵作驅(qū)動元件，屬于典型的容積式調(diào)速系統(tǒng)，相比傳動定量泵注塑機(jī)有較明顯的節(jié)能效果。如圖二，該系統(tǒng)由負(fù)載敏感型比例變量柱塞泵、比例溢流閥、比例調(diào)速閥、壓力反饋閥、流量反饋閥等部分組成。
A1：油缸無桿腔活塞面積F：工作負(fù)載P1：工作壓力Q1：工作流量
△P：比例調(diào)速閥兩端的壓力差Pb：油泵壓力Qb：油泵流量n：電動機(jī)轉(zhuǎn)速
工作原理
（1）系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時(shí)，油泵壓力Pb大于工作壓力P1且小于塑機(jī)設(shè)定壓力，比例溢流閥將可靠關(guān)閉。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，Pb與P1之間的壓力差△P會有相應(yīng)波動，并使工作流量Q1發(fā)生變化。以上變化通過流量、壓力反饋閥傳遞給變量泵的調(diào)整活塞。活塞隨之推動柱塞泵斜盤并改變油泵排量，最終穩(wěn)定泵的輸出流量Qb。由此看出，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓力自適應(yīng)控制，基本上沒有溢流損失，但為了控制工作流量Q1，調(diào)速閥上仍存在一定節(jié)流損失。
（2）系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時(shí)，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(tǒng)壓力。通過改變比例溢流閥的輸入信號，就可以得到相應(yīng)的油泵輸出壓力。比起傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)，該控制方式在一定程度上減小了溢流損失。
3、變量泵注塑機(jī)的節(jié)能原理
由上面的介紹我們可以知道，變量泵注塑機(jī)與定量泵注塑機(jī)相比，減少了大量的溢流損失，使得油泵電機(jī)負(fù)載變輕，電流減小，處于輕載狀態(tài)。
變量泵注塑機(jī)是從液壓元件的角度出發(fā)，挖掘油路上的節(jié)能改造空間，從而提高了油路系統(tǒng)的工作效率。但受其控制方式限制，該系統(tǒng)不能完全消除節(jié)流、溢流損失。
1)變量泵注塑機(jī)仍然有浪費(fèi)的空間，從油泵上出來的油仍然要經(jīng)過比例調(diào)速閥和比例溢流閥的的調(diào)節(jié)，在閥門上仍然有一定的功率損失。
2)油泵的電機(jī)速度依然不能調(diào)節(jié)，雖然比起定量泵其負(fù)載輕了很多，但和通過調(diào)節(jié)速度來調(diào)節(jié)油量相比，顯然前者要更耗能。特別是系統(tǒng)處于壓力控制時(shí)，系統(tǒng)需要的壓力很大但是流量很小，而油泵電機(jī)的速度不能調(diào)節(jié)。若油泵的輸出流量、輸出壓力、排量、轉(zhuǎn)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(jī)是通過機(jī)械裝置調(diào)整油泵排量Vb的，顯然其可調(diào)節(jié)的線性范圍有限，不能實(shí)現(xiàn)零排量輸出。且任何情況下，電機(jī)都是全速運(yùn)轉(zhuǎn)，有很多無謂的能量損失。
3)油泵電機(jī)的啟動仍然是星三角啟動，功率因素較低。
4、微能公司節(jié)電系統(tǒng)
微能公司是將矢量變頻技術(shù)應(yīng)用于注塑機(jī)電機(jī)驅(qū)動上，通過速度調(diào)節(jié)及壓力PID閉環(huán)控制功能完成對注塑機(jī)的精確控制。油路上將比例調(diào)速閥人為硬性的將流量調(diào)至最大并保持或者拆除，同時(shí)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(shí)現(xiàn)了壓力自適應(yīng)控制，這樣系統(tǒng)從源頭上消除油路中的節(jié)流及溢流能量損失，使注塑機(jī)獲得最佳的節(jié)能效果。系統(tǒng)如下所示：
工作原理：
當(dāng)油泵流量Qb接近或達(dá)到塑機(jī)的設(shè)定值時(shí)，油路系統(tǒng)進(jìn)入流量控制狀態(tài)，變頻器的輸出頻率與塑機(jī)的流量設(shè)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(yīng)，無需比例閥調(diào)速，也沒有多余流量溢出，可從根本上消除節(jié)流及溢流能量損失。
當(dāng)油泵工作在壓力狀態(tài)下，如下圖所示：
變頻器控制系統(tǒng)配備一塊智能轉(zhuǎn)換卡，變頻器將通過壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控到這一壓力變化，并與塑機(jī)的壓力設(shè)定值做比較。當(dāng)它們差值很小時(shí)，變頻器的智能轉(zhuǎn)換卡會及時(shí)將變頻器切換到壓力控制狀態(tài)。，啟動PID控制并通過PID功能保持系統(tǒng)壓力恒定。此時(shí)，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(jī)轉(zhuǎn)速將迅速降低，油泵僅維持很小的流量輸出，以彌補(bǔ)油路中的各種泄漏損失。
微能WIN-PSS-IV變頻器為開環(huán)矢量方式，起動轉(zhuǎn)矩大，0.5HZ可以達(dá)到150%的額定轉(zhuǎn)矩；動態(tài)響應(yīng)快，階躍轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時(shí)間小于200MS；穩(wěn)速精度為0.5%。通過變頻器的閉環(huán)矢量調(diào)速功能，變頻注塑機(jī)的油泵轉(zhuǎn)速n可實(shí)現(xiàn)0到額定轉(zhuǎn)速之間線性調(diào)節(jié)范圍，尤其是在塑機(jī)待機(jī)及無動作情況下（如冷卻階段），電機(jī)及油泵轉(zhuǎn)速可降至0，基本無能耗損失。值得注意的是，油泵在低轉(zhuǎn)速時(shí)的容積效率會下降，這在一定程度上會影響了節(jié)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(shí)際生產(chǎn)中流量低于20％的情況是極少的，所以油泵轉(zhuǎn)速也不可能出現(xiàn)過低的情況。
5、成本及維護(hù)保養(yǎng)分析
從公司的在東莞某塑膠廠一些的變量泵塑機(jī)節(jié)能改造實(shí)例來看，對鎖模力120噸的臥式變量泵塑機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造仍有20%的節(jié)電率。由此可見，變頻注塑機(jī)的節(jié)電率要高于變量泵注塑機(jī)，并對維護(hù)保養(yǎng)分析如下：
6、結(jié)束語
深圳市微能科技有限公司在多年的實(shí)踐應(yīng)用中積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，開發(fā)出在注塑機(jī)械上變頻器應(yīng)用的多種節(jié)能方案，此次又開發(fā)出變量泵注塑機(jī)變頻節(jié)能專用變頻器，必將引領(lǐng)塑機(jī)節(jié)能改造的新潮流。
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