注塑機的變頻改造節能應用分析
| 一、概述： 注塑機設備在各類加工行業中被廣泛的應用，它使用的是注射成型的方式。 塑料注射成型是利用塑料三種狀態，借助于注塑機和模具，成型出所需要的塑料制品。盡管所用的注塑機不盡相同，但要完成的工藝內容和基本過程還是相同的，下以臥式螺桿注塑機的加工過程為例予以說明。 1、合模與鎖緊 注射成型過程是一個循環工作過程，一般以合模作為過程的始點，合模過程中動模板的移動速度需符合慢–快–慢要求，而且有低壓保護階段。低壓保護的作用一方面是保證模具平穩地合模，減小沖擊，縮短閉模時間，從而縮短成型周期；另一方面是當動模與定模快要接近時，避免模具內有異物或模內嵌件松動脫落損壞模具。最后為高壓低速鎖模階段，該階段的作用是保證模具有足夠的鎖緊力，以免在注射、保壓時產生溢邊等現象。 2、注射裝置前移 當合模機構閉合鎖緊后，注射座整體移動油缸工作，使注射裝置前移，保證噴嘴與模具澆道口貼合，為注射階段作好準備。 3、注射與保壓 完成上述兩個工作過程后，注射裝置的注射油缸工作推動注射機螺桿前移，使料筒前部的熔料以高壓高速注入模腔內。此時螺桿頭部作用于熔料上的壓力稱之為注射壓力，又稱一次壓力。熔料注入模腔后，由于模具的冷熱傳導，使模腔內物料產生體積收縮。為了保證塑料制品的致密性、尺寸精度、強度和剛度，必須使注射系統的模具施加一定的壓力進行補料，直到澆注系統（關鍵是澆口處）的塑料凍結為止。此時螺桿作用于熔料上的壓力稱之為保壓壓力，又稱二次壓力。 4、制品冷卻和預塑化 隨著模具的進一步澮，模具澆注系統內的深料逐漸趨于凍結，尤其當澆口凍結時，保壓已失去了補料作用，此時，可以卸去保壓壓力，使制品在模內充分冷卻定型。 同時，螺桿傳動裝置帶動螺桿傳動，料斗內的塑料經螺桿向前輸送，在料筒加熱系統的外加熱和螺桿的剪切、混煉作用下，塑料逐漸依次熔融塑化，并由螺桿運到料筒端部，產生一定的壓力。這壓力是根據所加工塑料調節注射機液壓系統的背壓閥和克服螺桿后退的運動阻力建立的，統稱為預塑背壓，其目的是保證塑化質量。由于螺桿不停地轉動，熔料也不斷地向料筒端部輸送，螺桿端部產生的壓力迫使螺桿連續向后移動，當后移到一段距離，料筒端部的熔料足以滿足下次注射量時，由于制品冷卻和預塑同時進行一般要求預塑時間不超過制品冷卻時間，以免影響成型周期。 5、注射裝置后退 注射裝置是否后退根據加工塑料的工藝而定。有的在預塑化后退回，有的在預塑化前退回，有的在預化前退回，有的注射裝置根本不退回，如熱流道模具。注射裝置需要退回的目的是避免噴嘴與冷模長時間接觸使噴嘴內料溫過低而影響下次注塑和制品質量。有的為了便于清料，也常使注射裝置退回。 6、開模和頂出制品 模具內的制品冷卻定型后，合模機構就開啟模具。在注射機的頂出系統和模具的頂出機構聯合作用下，將制品自動頂落，為下次成型過程做好準備。 根據上述動作，按時間先后程序可疳注射機工作過程繪成曲線圖（見圖一） |
| 注塑機的變頻改造的可行性： 一臺通用注塑機設備，在一個完整的注塑過程中的鎖模、射膠、充填、熔膠、冷卻 、開模等階段對壓力的要求各不相同，開模階段只需保證較小的壓力即可，但要熔膠、冷卻時卻需要較大的壓力，以保證產品質量及生產率。根據注塑機原理，我們知道電機轉速越高，注射壓力也就越大，所以通過變頻器對注塑機電機進行調速實現變壓節能是完全可行的。 當前大多數注塑機生產商家都未采用節能變頻器技術，還是采用的星形-三角形啟動，由工頻電網直接供電，啟動電流大，且嚴重浪費電能；如果采用變頻調速調壓的方式則可實現注塑機電機的軟啟動 ，并可根據各個不同工藝階段的壓力需求自動改變運行頻率，達到節能增效的目的。這些功能可通過變頻器的流量壓力模擬反饋或多段速度的調節方式來實現。具有投資回收快的特點。 |
方案簡述
目前一些注塑機已采用了變頻節能技術，收到了節能、超靜音、高效和可靠的顯著效果，且能大大減少注塑機的耗電量，這已在眾多注塑機用戶中得到了非常好的評價與信賴。通過一些專家的測試和改良，注塑機的變頻節能技術已日趨完善。
一般的注塑機的變頻節能改造通常是：將用來控制調節比例調節閥的電量信號，進行轉換處理后作為變頻器輸出頻率的給定信號，或是將注塑機的鎖模、射膠、熔膠、冷卻、開模等工藝過程控制信號進行處理后作為變頻器的多段速或程序控制信號（也是變頻器輸出頻率的給定信號），以此調節方式來滿足注塑機各種工藝對供油壓力和流量的要求，并達到節能的目的。(見圖二)
為了實現注塑機在變頻調節時的最佳工況，我公司特別研究開發了針對注塑機壓力，流量雙信號控制回路自動切換電路，它能根據注塑機各個不同工作環節的流量，壓力要求不同而自動選擇信號，這樣在加工一些高、精度的塑料產品時使用更是得心應手。 
塑機節能的原理及可行性分析
1.理論原理
油泵的輸出功率：pt=p×Qt=p×v×n (1)
油泵的理論轉矩：Tt=1/2π×p×V (2)
P為壓力,Qt為流量,V為油泵排量,n為油泵的轉速，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換過程中的能量損失，則可近似認為油泵的輸出功率等于電機的輸出轉矩與電機轉速的乘積。因此可以看出，當系統要求低流量時，系統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狀態上，并不能根據實際的需求來降低其轉速，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。
2、油泵變頻調速節電運行
從圖1注塑機的P=f(t)工序過程中看出，在不同時間段，它的主油泵壓力是變化的，而且起伏較大，這就存在節能的可能性，且潛力較大。據統計，注塑機節電率一般可達25%-60%。眾所周知注塑機未使用變頻器時，主泵的電動機始終恒速運行，是極不經濟的運行的方式。
采用注塑機節電控制器，將控制比例流量閥的電流信號（0-1A），按每個生產工藝階段設定的流量比例，得到0-1A的比例信電表去打開電磁閥的比例開度，以提供系統所需的壓力。多余的流量通過溢流閥溢流掉。把比例流量信號連接到注塑機節電控制器作為驅動指令，控制油壓驅動電機的轉速，油泵只補充油路中所消耗的部份，油泵電機按比例指令運轉相應轉速，輸出相應的流量，以提供系統所需的壓力。即需要多少提供多少，在源頭上讓它不產生浪費。因此用變頻節電系統在注塑機的整過生產過程中都具有明顯的節電效果，從而能夠較大幅度節能省電，為用戶帶來可觀的經濟效益。
應用案例
工程案例一：廣東南海新豐塑料廠大型注塑機改造
深圳市日業電氣有限公司同東莞市某節能設備科技開發有限公司合作，對廣東南海新豐塑料廠四臺主泵55KW大型注塑機（東華800）進行了變頻改造，該機最大壓力可達2000噸，最大投料量可達16000克，約1-2分鐘生產6個中、大型水管接頭。這是應用變頻器的技術改造成功的典范，現已投產使用達半年之久，工作正常，平均節電率達35％以上，深受用戶歡迎，經長達半年之久的應用對比，該廠已確定對另6臺注塑機也使用變頻器進行技術改造。充分說明應用變頻器對大型注塑機實行節能的技術改造方案是正確的有效的，值得向大家推薦。
1． 工頻、變頻主電路及變頻器的選用
主油泵55KW，選用深圳市日業電氣有限公司ZY3200-ZY055T4變頻器四臺，經半年來使用，證明變頻器的性能良好，工作可靠，節電率高，主電路采用工頻-變頻二套電源供電方式，（即變頻、工頻互鎖互換的雙回路控制）,以確保不間斷的工作。
2． 變頻改造應用中注意的事項
① 必需是采用比例流量控制的注塑機才可進行變頻節能改造。
② 變量泵不用進行變頻節能改造。因為變量泵本身已帶有一定的節能效果，增加變頻器不能體現出它的優勢。
③ 有些繼電器控制的注塑機速度是采用手調節流量閥控制速度的，進行變頻節能改造的效果并不理想。對小型注塑機也輥對變頻器響應速度的特別要求，需慎進行變頻節能改造。
④ 一般情況下,安裝節能變頻器不會影響注塑機的操作使用方式,為保證生產效率,某些工藝參數卻需要作調整
（4）如何正確取得控制信號，實現變頻器與注塑機的最優結合是十分重要的。我們采用方案的原理框圖（見圖3）
1． 經濟效益分析
注塑機及生產情況表 表（1）
|
注塑機型號 |
主電機功率 |
制品名稱 |
制品材質 |
節電器型號 |
|
東華800 |
55＋55KW |
水管接頭 |
PVC |
SY3200-ZY55T4 |
工頻、變頻運行耗用電能表 表（2）
|
電度表初值 |
電度表終值 |
時間 |
耗電量 |
節電 |
節電率 | |
|
工頻運行 |
28 |
78．6 |
1小時 |
50．6 |
||
|
變頻運行 |
78．6 |
108．7 |
1小時 |
30．1 |
20．5 |
40．52% |
投資回報分析：
每月節電: 20.5度/小時×22小時/天×28天=12628度/月
每月節約電費: 12628度×0.6元/度=7576.8元
每年節約電費: 7576.8元/月×12月=90921.6元
投資回收期: 63800元÷7576.8元/月×28天/月=235天
工程案例二：某注塑廠仁興塑機進行節能改造
我公司于2004年3月1日對某玩具廠進行注塑節能改造，節電率達到35.86％，現就改造過程分析如下：
1. 對象：
注塑機及生產情況表 表（3）
|
注塑機型號 |
主電機功率 |
制品名稱 |
制品材質 |
節電器型號 |
|
仁興塑機 |
45KW |
塑膠桶 |
ABS |
SY3200-ZY045T4 |
2．改造前后電流、電度表讀數比較
（1）改造前后運行電流的比較
改造前后電流比較圖 表（4）
|
動作順序 |
合模 |
注塑 |
保壓 |
回料 |
冷卻 |
開模 |
頂針 |
|
電流(改前) |
63.2 |
90.7 |
67 |
80 |
55.4 |
63 |
75 |
|
電流(改后) |
16.5 |
80 |
15.4 |
65 |
12 |
18 |
37 |
|
節電率 |
73.89% |
11.8% |
77.01% |
18.75% |
78.34% |
71.42% |
50.66% |
根據表(4)的比較結果可以得知采用變頻器調速后電流有了明顯的下降
（2）改造前后的有功電度表讀數比較
工頻下有功表以及用電容量的計算結果 表(5) 日期：2004.3.9
|
具體時間 |
產量 |
小時 |
電度表 |
用電量 |
每小時用電 |
單位產品用電 |
|
09:30-13:30 |
670 |
4 |
0-162.7 |
162.7 |
40.675 |
0.2429 |
|
13:31-17:30 |
700 |
4 |
326.9 |
164.2 |
41.05 |
0.2326 |
|
合計數 |
1370 |
8 |
326.9 |
|||
|
平均數 |
171.25 |
40.8625 |
0.2387 |
由上表可計算單位產品的耗電量：
單件產品平均耗電量=326.9/1370=0.2387
變頻下有功表以及用電容量的計算結果 表(6) 日期：2004.3.10
|
具體時間 |
產量 |
小時 |
電度表 |
用電量 |
每小時用電 |
單位產品用電 |
|
09:30-13:30 |
663 |
4 |
326.9-430.5 |
103.6 |
25.9 |
0.1563 |
|
13:31-17:30 |
695 |
4 |
534.8 |
104.3 |
26.075 |
0.1501 |
|
合計數 |
1358 |
8 |
207.9 |
|||
|
平均數 |
169.75 |
25.98 |
0.1531 |
由上表可計算出單位產品的耗電量：
單件產品平均耗電量=207.9/1358=0.1531
使用變頻節電器后效率=169.75/171.25=99.13%
根據以上耗量可以計算出改造后節電百分比：
節電率=(P工頻- P變頻)/ P工頻=（0.2387-0.1531）/0.2387=35.86％
3. 改造后對生產穩定性、產品質量、機器性能的影響
改造前后的生產數量的對比 表(7)
|
8小時產量 |
每小時產量 |
影響產量 |
效率 | |
|
改造前 |
1370 |
171．25 |
-1.5 |
-0.88% |
|
改造后 |
1358 |
169．75 |
（1）生產量的穩定性
變頻調速運行后單位小時生產量沒有明顯變化，每小時減產1.5只,生產效率下降僅0.88%,具體數據見表（7）。
（2）產品質量：經工廠FQC檢驗，未發現質量問題
（3）機器性能：經測量采用變頻調速后，電機的表面溫度有所提高，工頻運行電機溫度為53.6℃，變頻運行時電機最高溫度為57.5℃，仍在電機安全范圍內，這是由于電機在整個周期內，根據生產工藝的不同運轉，電機的散熱風扇風力減小的緣故。建議保持散熱風扇及電機的清潔。
現場改造的幾點技術問題
目前市場上各種注塑機變頻節能器種類繁多，技術含量和產品質量參差不齊，因此在現場改造中出現了一些具體問題，有的是屬于采用變頻調速技術后的正常現象，而有的則是屬于產品或應用中應該克服的缺點。
6.1 電機高頻噪聲較市電時尖銳
由于變頻器輸出電壓是由許多脈沖列組成，存在著高次諧波，使電機運行時轉速不同時會發出不同響度且稍尖銳的聲音，這是正常現象，并可以通過提高變頻載波頻率來降低尖嘯聲。
6.2 電機溫度略高于市電運行時的溫度 由于輸出諧波的存在，增加了電機的銅損和鐵損，因此，電機在變頻節電運行時的溫度要稍高于市電運行時的溫度。同時，在中低速運轉階段，電機冷卻風扇轉速下降，散熱能力降低，溫升可能上升3～5℃左右。由于普通油泵電機絕緣等級均在B級或F級以上，故電機溫升仍在允許的范圍內，不會影響電機的使用和壽命。
6.3 對注塑機的正常運行產生干擾, 變頻裝置產生的諧波對注塑機的一些控制回路會有一定干擾，影響注塑機的正常動作，特別是一些制造工藝粗糙、諧波含量大的變頻器用在工藝不穩定的注塑機表現的更明顯，這就需要我們在現場采取一些對策解決干擾問題。干擾源主要有下面兩個方面:
(1) 高次諧波通過導線產生的射頻干擾,對這類干擾可以通過在變頻裝置的輸入或輸出側加裝抑制射頻干擾的設備加以解決，例如磁環或濾波器等;
(2) 輸入諧波通過電源耦合到其他用電設備形成干擾, 對這類干擾可以在變頻裝置的輸入側加裝濾波器解決，或者安裝進線側交流電抗器也有一定效果;另外，同一電源下的其他設備最好能做到隔離供電。
6.4 影響注塑生產的效率
變頻節能器在控制油泵電機速度的過程中存在著一定的加減速時間，相比原來的電磁閥開通速度有一定的滯后，導致單位加工周期延長，生產效率受到一定影響，由于日業SY3200變頻節能器能夠采用流量和壓力兩路信號控制，同時根據情況修改部分注塑機參數，就能夠較好地解決這個問題。
6.1 電機高頻噪聲較市電時尖銳
由于變頻器輸出電壓是由許多脈沖列組成，存在著高次諧波，使電機運行時轉速不同時會發出不同響度且稍尖銳的聲音，這是正常現象，并可以通過提高變頻載波頻率來降低尖嘯聲。
6.2 電機溫度略高于市電運行時的溫度 由于輸出諧波的存在，增加了電機的銅損和鐵損，因此，電機在變頻節電運行時的溫度要稍高于市電運行時的溫度。同時，在中低速運轉階段，電機冷卻風扇轉速下降，散熱能力降低，溫升可能上升3～5℃左右。由于普通油泵電機絕緣等級均在B級或F級以上，故電機溫升仍在允許的范圍內，不會影響電機的使用和壽命。
6.3 對注塑機的正常運行產生干擾, 變頻裝置產生的諧波對注塑機的一些控制回路會有一定干擾，影響注塑機的正常動作，特別是一些制造工藝粗糙、諧波含量大的變頻器用在工藝不穩定的注塑機表現的更明顯，這就需要我們在現場采取一些對策解決干擾問題。干擾源主要有下面兩個方面:
(1) 高次諧波通過導線產生的射頻干擾,對這類干擾可以通過在變頻裝置的輸入或輸出側加裝抑制射頻干擾的設備加以解決，例如磁環或濾波器等;
(2) 輸入諧波通過電源耦合到其他用電設備形成干擾, 對這類干擾可以在變頻裝置的輸入側加裝濾波器解決，或者安裝進線側交流電抗器也有一定效果;另外，同一電源下的其他設備最好能做到隔離供電。
6.4 影響注塑生產的效率
變頻節能器在控制油泵電機速度的過程中存在著一定的加減速時間，相比原來的電磁閥開通速度有一定的滯后，導致單位加工周期延長，生產效率受到一定影響，由于日業SY3200變頻節能器能夠采用流量和壓力兩路信號控制，同時根據情況修改部分注塑機參數，就能夠較好地解決這個問題。
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：鞏經理
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：南京塞姆泵業有限公司
