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(huì)中的四大基礎(chǔ)材料，是信息、能源、工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸乃至宇宙空間和海洋開發(fā)等國(guó)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(jìng)爭(zhēng)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，對(duì)注塑機(jī)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(jī)上推廣應(yīng)用變頻器可以實(shí)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(zhǎng)機(jī)器使用壽命等優(yōu)點(diǎn)。因此將逐步推廣使用。
1 注塑機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)的方案
1.1注塑機(jī)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(shí)，系統(tǒng)轉(zhuǎn)為高壓，將模板鎖合。
1.1.2 注射臺(tái)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(dòng)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(dòng)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(dòng)，準(zhǔn)備下一次注射。
1.1.6 注射臺(tái)后退，開模
1.1.7 頂出制品
以上這些動(dòng)作在傳統(tǒng)的注塑機(jī)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(dòng)力和移動(dòng)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(jī)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(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩與電機(jī)轉(zhuǎn)速的乘積。因此可以看出，當(dāng)系統(tǒng)要求低流量時(shí)，系統(tǒng)需要的功率其實(shí)是非常低的。但是實(shí)際情況卻是，由于電動(dòng)機(jī)始終運(yùn)行在工頻50Hz狀態(tài)上，并不能根據(jù)實(shí)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(fèi)。
根據(jù)以上事實(shí)，匯川技術(shù)有限公司以此為基礎(chǔ)，在多年的實(shí)踐應(yīng)用中積累了許多寶貴經(jīng)驗(yàn)，提出了在注塑機(jī)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(jī)擴(kuò)展卡的為注塑機(jī)變頻節(jié)能量身定做的專用變頻器
圖 1變頻節(jié)能電氣原理圖
1.2典型的控制方案
圖 2 變頻器運(yùn)行信號(hào)
此種方案將控制比例流量閥的電流信號(hào)同時(shí)輸入給變頻器的模擬量輸入端（AI1,GND），通過控制油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，油泵的實(shí)際流量正比于電機(jī)的轉(zhuǎn)速，油泵的輸出功率因此也正比于電機(jī)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(yùn)行與變頻運(yùn)行不能同時(shí)進(jìn)行，保護(hù)系統(tǒng)安全運(yùn)行；當(dāng)選擇開關(guān)SA在中間位置，即在0檔時(shí)，電路不工作；SA轉(zhuǎn)至左邊，即在1檔時(shí)，KM1得電（變頻運(yùn)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(shí)如果有運(yùn)行信號(hào)（見圖2：原系統(tǒng)星三角啟動(dòng)切換完，且控制線路選擇到變頻運(yùn)行，即KM2線圈得電，這時(shí)DI1-COM閉合，變頻器運(yùn)行，注塑機(jī)開始工作。變頻器根據(jù)注塑機(jī)電腦板給出的及流量信號(hào)（，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(dòng)跟蹤控制，故可以大大減輕合模、開模的震動(dòng)，穩(wěn)定生產(chǎn)工藝、提高產(chǎn)品質(zhì)量，減少機(jī)械故障，延長(zhǎng)機(jī)器使用壽命。
當(dāng)檢測(cè)有異常時(shí)，TA-TB斷開，切斷變頻器輸出信號(hào)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(shí)，工頻運(yùn)行，即與原系統(tǒng)工作時(shí)一樣，確保變頻器出現(xiàn)異常時(shí)，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(chǎng)調(diào)整
F0-06 現(xiàn)場(chǎng)調(diào)整
F0-09 1
F0-10 9
F3-02至F3-09現(xiàn)場(chǎng)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(qǐng)參見匯川的相關(guān)用戶手冊(cè)。
2 匯川注塑機(jī)用系列變頻器特點(diǎn)
該系列變頻器是適用于注塑機(jī)節(jié)能與自動(dòng)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(dòng)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(jì)，能保證在負(fù)載頻繁波動(dòng)的情況下，變頻器不跳閘。并具有以下特點(diǎn)：
2.1 可靠性
完善的可靠性設(shè)計(jì)方案：如冗余設(shè)計(jì)，降額設(shè)計(jì)等，所有元器件全部采用工業(yè)或軍工等級(jí)；專業(yè)化的制作平臺(tái)，從而保證整機(jī)的可靠性。
2.2 高節(jié)電率：保留注塑機(jī)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(jī)液壓系統(tǒng)與整機(jī)運(yùn)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(jī)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(gè)月便可收回。
2.2 軟啟動(dòng)
相比工頻起動(dòng)方式，采用變頻器控制可以減小開鎖模震動(dòng)，延長(zhǎng)模具的使用壽命，同時(shí)系統(tǒng)發(fā)熱量減小，油溫穩(wěn)定，延長(zhǎng)液壓系統(tǒng)的使用壽命，為用戶節(jié)省了維護(hù)的費(fèi)用，由于運(yùn)行穩(wěn)定，對(duì)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(jì)，變頻器采用完善的EMC設(shè)計(jì)方案，內(nèi)部布局優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用多種EMI對(duì)策，確保對(duì)注塑機(jī)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(cè)試
總的來講，節(jié)能效果是肯定的，節(jié)電率達(dá)25%-65%，且運(yùn)行穩(wěn)定可靠。
3.1 工變頻對(duì)比方面：在不改變注塑機(jī)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(shí)會(huì)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(huì)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?yàn)樽冾l狀況注塑機(jī)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(huì)延長(zhǎng)，也減輕了中央運(yùn)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(jī)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(shí)激活，此激活電流是電機(jī)額定電流的4-7倍，若多臺(tái)大功率的電機(jī)同時(shí)激活，將對(duì)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(shí)激活馬達(dá)屬軟起動(dòng)，只需在額定電流下就可以激活，且起動(dòng)平滑無沖擊，這樣可以減小激活時(shí)對(duì)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(jī)容量。
3.3變頻狀態(tài)下工作時(shí)有很強(qiáng)的保護(hù)功能。變頻器的保護(hù)可從以下三個(gè)方面去認(rèn)識(shí)：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(jī)免受錯(cuò)誤操作。在此保護(hù)功能下，可以保證注塑機(jī)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(dòng)作需要的壓力和速度超過系統(tǒng)壓力和速度，此時(shí)變頻器就將進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)，比如：未到熔融溫度強(qiáng)行熔膠，因注塑機(jī)過負(fù)載工作，變頻器就會(huì)通過恒速過電流進(jìn)行保護(hù)，若是工頻狀態(tài)下，注塑機(jī)可以借助強(qiáng)大的動(dòng)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(qiáng)行高壓鎖模，變頻器會(huì)對(duì)超過140bar的鎖模力的執(zhí)行動(dòng)作進(jìn)行保護(hù)，也會(huì)出現(xiàn)恒速過電流，工頻時(shí)其鎖模力還可大幅度地提高，這樣機(jī)械系統(tǒng)將會(huì)受到致命的打擊。若保證所有執(zhí)行動(dòng)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(huì)頻繁保護(hù)，對(duì)注塑機(jī)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(duì)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(jī)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(shí)也帶來巨大的社會(huì)意義。
