1 引言
變頻調(diào)速是基于電力電子、微電子、信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物,是提高電機驅(qū)動設(shè)備性能及節(jié)能的一門優(yōu)異技術(shù)。節(jié)能是注塑機的主要發(fā)展方向，降低動力驅(qū)動的能耗是注塑機節(jié)能的主要措施。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于注塑機上，為注塑機的節(jié)能開辟了又一條有效的途徑。

2 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于注塑機上的節(jié)能原理

2.1 液壓注塑機能耗分析
注塑機從動力驅(qū)動分類，分為液壓驅(qū)動、液電驅(qū)動、全電動驅(qū)動、氣壓驅(qū)動。目前，大量生產(chǎn)和使用的主要是液壓驅(qū)動的液壓注塑機，變頻調(diào)速技術(shù)主要應(yīng)用于液壓注塑機上。注塑機的加工工作循環(huán)周期，一般分為低壓移模、高壓鎖模、高壓開模、變速(壓)注射、多級壓力保壓、多級速度塑化、頂出(退)、制品冷卻、抽芯、制品取出等幾個價段，液壓注塑機的各個階段所需的工作壓力與工作流量相差很大，處于周期性的不斷變化負(fù)載的工況，而且,各個工作階段,各執(zhí)行機構(gòu)所需的流量和壓力相差很大,注塑機的工作循環(huán)周期執(zhí)行機構(gòu)能耗n1可用下式表示:

n1=∑p1?q1/η1 (1)

式中:p1:工作循環(huán)周期各階段工作壓力，mpa;
q1:工作循環(huán)周期各階段工作流量，l/min;
η1:執(zhí)行機構(gòu)效率。
注塑機動力機構(gòu)能耗n2可用下式表示:

n2=∑p2?q2/η2 (2)

式中:p2:提供給工作循環(huán)周期各階段工作壓力和管路損耗壓力，mpa;
q2:輸出流量，l/min;
η2:動力機構(gòu)效率，對液壓驅(qū)動的注塑機而言，包括電機效率和液壓泵效率。

注塑機能耗效率η:

η=(n1/n2) 100% (3)

從(1)、(2)、(3)式可以看出，提高能耗效率，最主要的途徑是使注射成形各個階段動力機構(gòu)輸出的能量與執(zhí)行機構(gòu)所需的能量兩者基本相等，其次是提高執(zhí)行機構(gòu)、液壓元件，動力執(zhí)行機構(gòu)等效率。工作壓力由工作負(fù)載所決定，在設(shè)定的每個階段的壓力下工作，動力機構(gòu)根據(jù)執(zhí)行機構(gòu)所需工作壓力提供壓力，減小系統(tǒng)壓力損失，是提高壓力利用效率的有效措施。提高動力機構(gòu)輸出的流量損失，即使動力機構(gòu)輸出的流量盡量與執(zhí)行機構(gòu)所需的流量相匹配，是提高能量利用率的最有效的措施。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于注塑機節(jié)能分析
由上節(jié)分析可知，注塑機節(jié)能最有效的措施是動力機構(gòu)和執(zhí)行機構(gòu)兩者之間流量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)匹配，變頻調(diào)節(jié)技術(shù)通過調(diào)節(jié)液壓泵的轉(zhuǎn)速，使動力機構(gòu)的性能類似于比例泵節(jié)能系統(tǒng)，達(dá)到動力機構(gòu)輸出的流量與執(zhí)行機構(gòu)的流量相匹配，使流量的損失降到最低，即提高了能量利用率，達(dá)到了十分顯著的效果。

變頻降低能耗的效果顯著。由流體力學(xué)可知，耗電功率與其轉(zhuǎn)速近似成立方關(guān)系，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量q下降時，轉(zhuǎn)速成比例下降，液壓泵的軸輸出功率近似成立方關(guān)系下降，轉(zhuǎn)速下降20%，則功率下降到51.2%;轉(zhuǎn)速下降50%,則功率下降到12.5%。例如，55kw的電機，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時，其耗電量僅為6.75kw; 當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時，其耗電量為28.16kw。
動態(tài)功率因素補償節(jié)能。普通液壓注塑機的電機的功率因素cosφ在0.6至0.8之間,應(yīng)用了變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)濾波電容的作用,使得cosφ≈1,從而減少了無功損耗,增大了電網(wǎng)有功功率。

軟啟動節(jié)能。變頻器的軟啟動功能使電機的啟動電流從零開始，最大值為電機的額定電流的1.5倍，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電容量的要求。
延長密封件使用壽命。應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，液壓油溫下降10~180c，延長了密封件使用壽命。

3 變頻調(diào)速應(yīng)用于注塑機的需注意的幾個技術(shù)問題

3.1 變頻器類型的選型
注塑機的負(fù)載性質(zhì)是恒轉(zhuǎn)矩類，機械特性較硬，動態(tài)特性要求較高，所以應(yīng)選用v/f控制、磁通矢量控制高性能變頻器或注塑機專用變頻器。無速度傳感器的矢量控制方法，實現(xiàn)了在不增加硬件的情況下，可根據(jù)電機的數(shù)學(xué)模型，實時計算、調(diào)整電機的即時工作狀態(tài)，達(dá)到較高的控制精度。注塑機專用變頻器是在通用變頻器的基礎(chǔ)上增加了0~1a信號轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了使用性能。變頻器的加速和減速時間一般為1s。

3.2 變頻器容量的選擇
液壓泵驅(qū)動電機工作狀態(tài)的最大負(fù)載電流作為選擇變頻器額定電流的依據(jù)，一般塑化的負(fù)載電流為最大，也可根據(jù)電機額定電流的1.8~2倍作為選擇變頻器額定電流的依據(jù)。變頻器和控制電機兩者的電壓等級應(yīng)相符。矢量變頻器的容量應(yīng)比注塑機專用變頻器的容量大一檔，v/f控制的變頻器選得更大一些。

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3.3 變頻器信號提取點。
取雙比例閥的流量信號(0~1a)，經(jīng)變換為4~20ma或0~10v的信號送到變頻器的相應(yīng)端口上。流量信號取相對值較大的作為控制信號，以擴大調(diào)節(jié)范圍。壓力信號相對值變化較小，對變頻器頻率的調(diào)節(jié)范圍小一點。如果變頻器的調(diào)節(jié)范圍不能滿足成形工藝的需要，可用變頻器的“頻率增益”功能來調(diào)整。

3.4 變頻器的抗干擾措施
變頻器輸出電流中含有高次諧波，會對注塑機的電子電路產(chǎn)生干擾，最易受干擾的是溫度控制儀表，所以，安裝變頻器應(yīng)做好抗干擾措施。變頻器的輸入端加裝變頻器專用濾波器、電抗器。給微機控制板輸入端加裝emi濾波器、共模電感、高頻磁環(huán)等。引入變頻器的控制線要作屏蔽處理。機殼要可靠接地。不要使變頻器的輸入輸出電纜與變頻器的控制信號線平行或捆綁在一起。

3.5 電機散熱
電機用變頻器驅(qū)動后，溫升會增加10%。普通電機轉(zhuǎn)速降低后，自帶的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變慢，散熱效率降低。為提高散熱效率，加裝恒速散熱風(fēng)機。

3.6 變頻調(diào)速對液壓泵的要求
為適應(yīng)低轉(zhuǎn)速的要求,應(yīng)選用高壓齒輪泵。葉片泵在轉(zhuǎn)速低于500r/min，壓力和流量極不穩(wěn)定，使用壽命大大降低，甚至于不能工作，達(dá)不到系統(tǒng)的性能要求。

4 變頻調(diào)速技術(shù)需進(jìn)一步研究的問題
變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于注塑機上是實現(xiàn)節(jié)能的有益的嘗試，并取得了一些成績，但離全面的推廣應(yīng)用，還有一段較大的距離。變頻調(diào)速裝置是用相對較優(yōu)的性能價格比取代比例泵的節(jié)能系統(tǒng)，但從變頻調(diào)速裝置與比例泵節(jié)能系統(tǒng)的兩者的性能來看，兩者的節(jié)能效果相差不多，但兩者對注射成形性能的影響，差別比較大，前者的性能明顯低于后者，這是變頻調(diào)速技術(shù)不能在注塑機上迅速推廣應(yīng)用的主要原因。

提高應(yīng)答反應(yīng)性能。注射成形各階段頻繁的速度變化，使液壓泵驅(qū)動電機頻繁處于加減速工況下，由于磁滯效應(yīng)及轉(zhuǎn)動慣量的影響，響應(yīng)速度慢(比例泵響應(yīng)時間在100ms之內(nèi)，變頻調(diào)速響應(yīng)時間需800ms~1000ms)，導(dǎo)致了注射循環(huán)周期時期的增加，降低了生產(chǎn)效率，對高要求的制品難以成形。電機轉(zhuǎn)子質(zhì)量比比例泵變量的斜板的質(zhì)量大許多，所以前者流量改變的響應(yīng)時間大于后者的響應(yīng)時間，不能適應(yīng)多級速度變化的快速注射。通過實現(xiàn)變頻器的輸出頻率和輸出轉(zhuǎn)矩解耦調(diào)節(jié)，達(dá)到變頻器與注射過程各動作的最佳配合，以達(dá)到提高應(yīng)答反應(yīng)性能。

5 變頻調(diào)速技術(shù)在注塑機上的應(yīng)用
5.1 在注塑機節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用
(1) 單泵驅(qū)動液壓注塑機上應(yīng)用
從雙比例閥上取出0~1a的流量信號作為變頻器的速度調(diào)節(jié)信號，由于調(diào)節(jié)回路中沒有給定信號，所以控制還是屬于開環(huán)控制方式。

附表[1]是某一公司的一臺4500kn合模力注塑機安裝變頻器前后的能耗比較情況。驅(qū)動液壓泵電機功率45kw,成形制品為音箱外殼,制品重量200g,一模二件,合模為28s,開模為3s,注射為8s,頂出為5s,頂退為4s,冷卻為38s,整個成形周期為58s。選用安邦信amb-g7系列高性能通用變頻器。

(2) 多泵驅(qū)動液壓注塑機上應(yīng)用
中、大型注塑機多為多泵驅(qū)動，以達(dá)到節(jié)能。一個電機驅(qū)動二個泵共用一個雙比例閥的系統(tǒng)，其變頻調(diào)速控制同單泵驅(qū)動的注塑機。多電機驅(qū)動的多泵組合疊加系統(tǒng)，一般一個小泵為比例流量控制，其余泵根據(jù)各工作階段流量需要與比例小泵組合工作，這種系統(tǒng)，用一臺變頻器驅(qū)動比例小泵，變頻器的調(diào)節(jié)信號取自小泵的流量比例閥，其余驅(qū)動液壓泵的電機，分別用另外的變頻器控制，不過這些變頻器對電機不作調(diào)速控制，僅起到起動及停止的控制。

5.2 提高特種注塑機性能上的應(yīng)用
寧波海航塑料機械制造有限公司自主開發(fā)了kh-50000節(jié)能托盤注塑機。該特種注塑機的注射塑化機構(gòu)不同于常規(guī)的同規(guī)格的注塑機的注射塑化機構(gòu)，塑化為一獨立機構(gòu)，在整個成形周期過程中不間斷工作，要求塑化量與制品成形周期相匹配。為達(dá)到這一性能，有兩種方案，一種是通用的低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動螺桿塑化，另一種是電機帶動減速機驅(qū)動螺桿塑化，前一種機構(gòu)塑化轉(zhuǎn)速控制精確，但需增加液壓系統(tǒng)裝載功率，能耗效率不高，后一種機構(gòu)能耗效率高，采用變頻調(diào)速后能達(dá)到更精確地控制塑化轉(zhuǎn)速，并能根據(jù)加工不同的塑料更方便快速地調(diào)節(jié)塑化轉(zhuǎn)速，并大幅度降低了整機裝載功率及液壓油的供給量。采用了變頻調(diào)速技術(shù)后，達(dá)到了塑化量與注射量相匹配的性能要求。

6 變頻調(diào)速技術(shù)在注塑機上適用范圍
注塑機是否采用變頻調(diào)速，主要看加工制品的要求。變頻調(diào)速節(jié)能的本質(zhì)就是在電機轉(zhuǎn)速低于設(shè)置的最高轉(zhuǎn)速情況下起到節(jié)能效果，低速的運轉(zhuǎn)時間越長，節(jié)能的效果越明顯。厚壁制品的保壓時間及冷卻時間長，是應(yīng)用變頻調(diào)速設(shè)備的首選。相反，高速注射成形，薄壁制品，不用保壓，冷卻的同時進(jìn)行塑化，低速運轉(zhuǎn)的時間很少，應(yīng)用變頻調(diào)速的節(jié)能有限，采用工頻定量泵進(jìn)行生產(chǎn)。
變頻調(diào)速很適用于舊機改造,由數(shù)控提供所需頻率,安裝變頻調(diào)速裝置比定量泵改為變量泵要簡單得多,改裝成本也不高，而且能迅速取得顯著的節(jié)能效果與經(jīng)濟效益。

7 結(jié)束語
變頻調(diào)速運行可靠，操作簡便，成本低，經(jīng)濟效益和社會效益顯著，值得在注塑機行業(yè)推廣使用，當(dāng)然，還有一些問題需要我們?nèi)ミM(jìn)一步研究解決。