变频器在注塑机上的应用
弗２０卷第３期
２００１年９月ＣＯＭＰＵＴＩＮＧ计算技术与自动化ＴＥＣＨＮＯＬｏＧＹＡＮＤＶ０１．２０Ｎｏ．３２００１ＡＵＴＯＭＡＴｌ０ＮＳｅｐｔ
文章编号：１００３—６１９９（２００１）０３一０２８１一０４
变频器在注塑机上的应用
文亿丰
（深圳市国方实业有限公司，深圳５１８０００）
摘要：本文介绍了传统油泵式注塑机的变频节能改造的可型性和改造原理。技术成熟，为传统旧设备的变
频节能改造提供了一条可行之路。
关键词：变频器；注塑机；Ｐ运算
中图分类号：ＴＰ３０１文献标识码：Ａ
ＴｈｅＡｐｐｌｉｃａｔｉＯｎｏｆＩｎＶｅｒｔｅｒＵｓｅｎｉｎ
ｔｈｅＰｌａｓｔｉｌ—ｉｎｊｅｃｔｅｄ
（ＳｈｅｎｚｈｅｎｔｏＳａＶｅＥｎｅｒｇｙＹＩＦｃｎｇ一叫ｅｎＳｉｎｍｅｃＰｎｅｕｍａｔｉｃｓＥｑｕｉｐ．Ｉ。ｔｄ）
ｕｓｅｄｉｎｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎｓｌｓｎｄｏｉｌｙｐｌａｓｔｉｃ—Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅａｒｔｉｃｌｅｇｉｖｅｔｈｅｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙａｎｄｐｒｉｎｃｉｐｌｅｏｆｔｈｅｉｎｖｅｒｔｅｒ
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ＫｅｙｗＯｒｄｓ：ｌｎｖｅｒｔｅｒ；Ｐｌａｓｔｉｃ—ｉｎｊｅｃｔ；Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎ
１引言
近年来，随着塑料制品的大量使用，塑胶行业处于一个飞速发展的时期。同时，塑胶行业的竞争也越来越大。如何有效地提高企业的竞争力，怎样让自己企业在竞争中处于有利位置，是每一个具有战略眼光企业领导者正在考虑的问题。在注塑行业中，注塑机是一种通用型机械。在传统设计上，只考虑到其通用性，设计时是以其最大容量为基准。在实际加工时，常常出现大马拉小车的现象。所以，在注塑行业中，电能的消耗相当严重。
注塑机的工艺过程一般分为锁模、射胶、熔胶、保压、冷却、开模等几个工段。随产品和加工工段的不同，各段需要不同的工作压力。对于油泵马达而言，注塑过程的负载是处于变化状态。现有注塑机的液压系统绝大部分为定量泵，其油泵马达以恒定的转速提供恒定的流量，多余的液压油通过溢流阀回流，此过程称高压节流，高压节流效率一般为６０％～７０％，能量损失多达３０％～４０％。同时由于液压油长期的全速循环流动，与液压件、机械件的剧烈摩擦，造成油温过高、噪音达大、机械寿命缩短等现象。
针对高压节流耗能现象，部分注塑机厂家已研究出定量泵加变量泵的注塑机。由于定量泵液压系统改造为两泵液压系统工程浩大、成本过高、技术复杂等多方面原因，欲将注塑机原有的定量泵液压系统改造为两泵液压系统是不切合实际。
收稿日期：２００１一０７—１５作者简介：文亿丰（１９７６一），工程师，研究方向：工程控制及自动化。
２８２计算技术与自动化２００１年９月例如一台ＣＬＦ一６００Ｔ（油泵电机５５ｋｗ）注塑机在生产某种塑件时，整个工艺周期为４３．１秒，经现场实测，其中各工艺段所需时间和油泵电机负载电流如下：
１）锁模／射台前进：
２）射胶：
３）保压：
４）冷却／储料：
５）开模／射台后退：４．１秒５．５秒９秒４６秒３．７秒７５Ａ５２Ａ５２Ａ２３秒５２Ａ（前９．１秒）４６Ａ（后１３．９秒）７５Ａ
由此可见，系统各工段油泵实际所需功率变化很大，特别是在射胶后的保压和冷却段。设备所用的５５ｋｗ油泵电机利用率很低，并且在设备运行中，系统有大量的时间处于待机状态，电机空转。相当部分电能变成了无功功率，降低了电网质量，造成了电能损失，增加了企业的生产成本。因此，对注塑机进行节能改造，必定会产生良好的节能效果。
我们根据变量泵液压系统相似原理研制出的注塑机世能控制系统，可广泛应用于各种规格、各种品牌，以液压传动的定量泵注塑机。对注塑机进行改造后，整体的节能效果可达３０％～６０％，并具有安全可靠，操作简易，成本较低等优点。
２节能原理
功率低不但降低了电网的利用率，增加了生产成本，还增加线损和设备的发热量，更主要２．１功率因数补偿的是因为功率因数的降低导致有功功率的降低。
根据公式：
Ｓ一（Ｐ２＋Ｑ２）“２，Ｑ—Ｓ×ｓｉｎ夺，Ｐ＝Ｓ×ｃｏｓ夺
Ｓ——视在功率，Ｑ——无功功率；Ｐ——有功功率；ｃｏｓ中——功率因数
可知，功率因数（ｃｏｓ事）越大，有功功率（Ｐ）值越大。普通定量泵注塑机ｃＯｓ圣值在ｏ．６～ｏ．８之间，在改造时我们使用了先进的变频控制技术，变频器的交一直一交工作方式，使得ｃｏｓ巾值接近１。从而减小了无功损耗，增大了电网的有功功率，同时也避免了因功率因数据低于有关标准而必须进行的电网功率因素补偿。
２．２动态调节功率输出’
系统中，我们从注塑机原有控制系统中采集注塑机的流量与压力信号，通过Ｐ运算，生成一个标准的模拟信号，给变频器的模拟量输入接口，通过调节变频器的输出频率来调整电机的转速，人而使电杨在整个变化的负荷范围的能耗达到所需的最小程度，并确保电机平稳，精确的运行。
根据定理：
Ｑ。ＣＮ，Ｍ。ＣＮ２，Ｐ。ＣＮ３
Ｑ——流体的流量，Ｎ——泵轴转速，Ｍ——轴转矩，Ｐ——Ｌ轴功率
传统定量泵注塑机通常在需要改变负载流量的压力时，是用阀门调节功率变化，大量能量以压力差的形式损耗在阀门上。由上面公式可知，只要改变转速（Ｎ），则流量（Ｑ）成比例变化，而功率（Ｐ）更以立方的形式显著变化。
第２０卷第３期文亿丰：变频器在注塑机上的应用２８３例如：Ｑ’一１／２Ｑ，则Ｐ”一１／８Ｐ，轴上功率仅为额定时的１２．５％，理论节能率可达８７．５％。２．３电机软启动一
本系统采用先进的变频控制技术，使电机启动达到软启动方式，并且在设备工作的待机状态时，变频器可以远行在低频状态，最低可达１０Ｈｚ，节能相当可观。减轻了设备之间的机械冲击，同时减轻了噪音，并可延长设备和模具的使用寿命。没有了电机在通常启动方式时较大的冲击电流，使用相同功率的电机，在省电的同时，还可以大幅度降低由于电机通常方式运行时冲击电流对供电变压器容量的要求。。
２．４无高压节流能量损失
根据注塑成型机的工艺要求，利用注塑机同步信号及电气控制来调节注塑机的压力比例阀和流量比例阀，将传统的定量泵改变成节能型变量泵，将通过溢流阀的回流流量降到最少，液压系统输出与整机运行所需功率匹配，减少了高压节流溢流能量损失。
３控制系统原理
３．１系统原理图
系统的核心是控制器，能将原有系统的同步信
号：压力信号和流量信号进行Ｐ运算，生成的标准
信号给变频器的模拟量输入口。例如：在设备开始运
行时，通过流量信号的Ｐ运算，系统提供合适的系
统锁模／射台前进能量。由如，在系统中采用了技术
领先的变频器，所以系统工作快速，动作准确，低速
转矩大，运行更稳定，效率更高。还具有欠压、过流、
过载、缺相和瞬间停电保护等功能，能有效延长设备图１系统流程图
使用寿命，同时还能增加电网的实际容量。
３．２系统功能
（１）系统采用闭环控制方法，压力和流量自动跟随，能方便地满足注塑工艺，产品工艺比以前有所提高。
（２）本系统和原有系统共存，原有系统具备的功能仍然存在，操作上和原有操作方式一样。本系统只在原有系统的马达控制部分起作用，系统能跟随原有控制系统的工艺要求，调整马达工作状态。使电机在不同的流程下有不同的工作状态，从而满足模具在不同工艺下的不同控制要求，使整个操作系统处于最佳工作状态。当系统故障时，能方便地将系统切换到市电状态，不影响正常的生产加工。
（３）工频与变频能相互切换，能够动态地调节系统，具有软启功能，大大减轻合模、开模时的震动，提高了产品的质量。
（４）同步运行，调节简单。
４能耗对照图
以某厂ＣＬＦ一６００Ｔ（油原电机５５ｋｗ）注塑机在生产某种塑件时，使用本系统前后的能耗图为例如下图所示：
２８４计算技术与自动化２００１年９月
图２能源对照图
注释：
１——锁模／射台前进；２——射胶；３——保压；４，５——冷却／储料；６——开模／射台后退；
耗能计算：
依公式：ｗ＝１２ＲＴ，可知：
节能前：耗能ｗ一（４８２×Ｒ×４．１＋７７２×Ｒ×５．５＋６８２×Ｒ×９＋６５２×Ｒ
×９．１＋４８２×Ｒ×１３．９＋４８２×Ｒ×３．７）／３６００
Ｗ一４５Ｒ
节能后：耗能ｗ’＝１５２×Ｒ×４．１＋４５２×Ｒ×５．５＋５５２×Ｒ×９＋５０２×Ｒ
×９．１＋３５２×Ｒ×１３．９＋１５２×Ｒ×３．７）／３６００
Ｗ’一２３Ｒ
节能率一（ｗ—ｗ’）／ｗ一５０％
每小时节电量一５５×５０％×１—２７．５度
设节能改造投入资金为４００００万元，每月２８个工作日，每度电ｏ．８０元，以下面三种情况进行核算：
（１）如果每天开机１２小时，则：
每月节约量；２７．５×１２×２８×ｏ．８０—７３９２元
这样５．３个月可全部收回投入资金。
（２）如果每天开机１６小时，则：
每月节约量一２７．５×１６×２８×Ｏ．８０一９８５６元
这样４个月可全部收回投入资金。
（３）如果每天开机２４小时，则：
每月节约量一２７．５×２４×２８×ｏ．８０一１４７８４元
这样２．７个月可全部收回投入资金。
通过以上的计算和分析，我们可以看到，经过变频节能改造后，一般在２～５个月内即可收回投入资金。变频节能改造，确实是一个降低能耗，节约成本，提高企业经济效益和竞争能力的可行之路。
参考文献
［１］陶永华等．新型ＰＩＤ控制应用［Ｍ］．北京：机械工业出版社，１９９９
［２］ＦｕＫｓ．Ｉ．ｅａｒｎｉｎｇＣｏｎｔｒｏＩｓｙｓｔｅｍａｎｄＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍ：ＡｎＩｎｔｅｒｓｅｃｔｉｏｎｏｆＡｒｃｉｆｉｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔａｎｄＡｕｔｏｎｌａｔｉｃ
Ｃｏｎｔｒｏ［Ｊ］＞ＩＥＥＥ
Ｔｒａｎｓ，１９７１．ＡＣ一１６（１）：７０一７２．