莊璧瑛

摘要：能耗是影響塑料注射成型的瓶頸之一。本文通過(guò)對(duì)液壓系統(tǒng)動(dòng)力源電能消耗進(jìn)行分析，外加上對(duì)變頻控制系統(tǒng)的了解，結(jié)合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則，采取變頻改造的方法，大大降低了能耗。通過(guò)應(yīng)用案例，驗(yàn)證了該改造的可行性。

關(guān)鍵詞：能耗 變頻系統(tǒng) 注射成型

隨著煤炭、石油等可再生能源的日益減少和全球能源消耗大增的背景下，在可預(yù)測(cè)的將來(lái)，能源問(wèn)題必將是制約一個(gè)國(guó)家發(fā)展的主要因素之一。再者，隨著全球經(jīng)濟(jì)危機(jī)的逐漸復(fù)蘇與世界新型經(jīng)濟(jì)體強(qiáng)勁的發(fā)展勢(shì)頭，中國(guó)作為世界新興經(jīng)濟(jì)體的一員，能源消耗量世界第一位，而且主要依靠能源進(jìn)口來(lái)滿(mǎn)足我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，所以提高能源的利用率優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、減少能耗是我國(guó)現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。其中塑料等高分子化合物作為主要的能耗之一，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，其能耗占全國(guó)總能耗的30%以上[3]，在歐美一些發(fā)達(dá)國(guó)家節(jié)能型塑料機(jī)械已占到全部市場(chǎng)的50%以上，我國(guó)是注塑機(jī)的生產(chǎn)大國(guó)，但還不是強(qiáng)國(guó)，每年以經(jīng)濟(jì)持續(xù)增長(zhǎng)的速度發(fā)展，目前普遍使用的注塑機(jī)的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)主要由異步電動(dòng)機(jī)和定量泵搭配使用，由于注塑機(jī)完成各個(gè)動(dòng)作需要的能耗不同，所以造成能量浪費(fèi)。能量大量消耗的同時(shí)也對(duì)環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，因此研究注塑機(jī)在成型過(guò)程中的節(jié)能技術(shù)勢(shì)在必行。注塑機(jī)能耗的本質(zhì)，就是注塑機(jī)加工同一個(gè)制品，輸出的能量較少即所謂的節(jié)能[1]

1.液壓系統(tǒng)動(dòng)力源電能消耗

液壓系統(tǒng)動(dòng)力源是注塑機(jī)消耗電能最多的一個(gè)部分，經(jīng)測(cè)試一個(gè)單臺(tái)傳統(tǒng)注塑機(jī)的能耗占總能耗的65%～80%[2]。該部分的能耗主要跟它的回路形式和控制方式有關(guān)。液壓系統(tǒng)把原動(dòng)機(jī)的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為液壓能再轉(zhuǎn)換為機(jī)械能驅(qū)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)，在這轉(zhuǎn)換過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)如：電機(jī)、液壓泵、馬達(dá)等轉(zhuǎn)換效率都不是百分之百的，都在不同程度上有一定的能量損失，而且液壓系統(tǒng)不可避免地存在節(jié)流和溢流損失以及管路阻尼損失[3]。其次，由于負(fù)載需求功率與動(dòng)力源的功率不匹配也會(huì)造成很大的能量損失。

2.變頻控制系統(tǒng)

變頻控制系統(tǒng)通過(guò)改變供電的頻率來(lái)調(diào)節(jié)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，從而改變定量泵的排量，使負(fù)載所需的流量或壓力與系統(tǒng)相適應(yīng)，基本沒(méi)有溢流和節(jié)流損失，大量減少各種液壓閥的使用?？稍诓桓淖円簤夯芈纷枇Φ那闆r下通過(guò)對(duì)系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)來(lái)達(dá)到對(duì)系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)。圖2-1是變頻控制注塑機(jī)系統(tǒng)的原理圖。

圖2-1 變頻控制注塑機(jī)系統(tǒng)

學(xué)者權(quán)龍、彭勇鋼、彭天好、黃方平等[4-7]都對(duì)變頻調(diào)速的液壓系統(tǒng)的響應(yīng)、效率作了研究，并且對(duì)應(yīng)用在注塑機(jī)上的情況做了分析，指出了變頻調(diào)速系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度與節(jié)能效果。文獻(xiàn)[8]對(duì)變頻調(diào)速控制、變量泵系統(tǒng)控制和變頻調(diào)速配合變量泵系統(tǒng)做了仿真，得出變頻調(diào)速的響應(yīng)是最慢的。又由于自身的功率因素問(wèn)題節(jié)能效果仍然有界限，該系統(tǒng)一般用于對(duì)現(xiàn)有注塑機(jī)系統(tǒng)的節(jié)能改造，因?yàn)閷⒃到y(tǒng)改造成變頻系統(tǒng)要比改造成變量泵系統(tǒng)要簡(jiǎn)單。表2-1在海天型號(hào)為HTB240B的閥控注塑機(jī)上改裝變頻器后得的系統(tǒng)能耗。

3.變頻改造

一臺(tái)通用注塑機(jī)設(shè)備在一個(gè)完整的注塑過(guò)程中包括鎖模、射膠、充填、熔膠、冷卻 、開(kāi)模等階段，其對(duì)壓力的要求各不相同，開(kāi)模階段只需保證較小的壓力即可，但要熔膠、冷卻時(shí)卻需要較大的壓力，以保證產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)率。根據(jù)注塑機(jī)原理，我們知道電機(jī)轉(zhuǎn)速越高，注射壓力也就越大，所以通過(guò)變頻器對(duì)注塑機(jī)電機(jī)進(jìn)行調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)變壓節(jié)能是完全可行的。

當(dāng)前大多數(shù)注塑機(jī)生產(chǎn)商家都未采用節(jié)能變頻器技術(shù)，還是采用的星形—三角形啟動(dòng)，由工頻電網(wǎng)直接供電，啟動(dòng)電流大，故浪費(fèi)電能?chē)?yán)重；如果采用變頻調(diào)速調(diào)壓的方式則可實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)電機(jī)的軟啟動(dòng) ，并可根據(jù)各個(gè)不同工藝階段的壓力需求自動(dòng)改變運(yùn)行頻率，達(dá)到節(jié)能增效的目的，這些功能可通過(guò)變頻器的流量壓力模擬反饋或多段速度的調(diào)節(jié)方式來(lái)實(shí)現(xiàn)，具有投資回收快的特點(diǎn)。

目前一些注塑機(jī)已采用了變頻節(jié)能技術(shù)，得到了節(jié)能、超靜音、高效和可靠的顯著效果，且能大大減少注塑機(jī)的耗電量，這已在眾多注塑機(jī)用戶(hù)中得到了非常好的評(píng)價(jià)與信賴(lài)。通過(guò)一些專(zhuān)家的測(cè)試和改良，注塑機(jī)的變頻節(jié)能技術(shù)已日趨完善。

一般注塑機(jī)的變頻節(jié)能改造通常是：將用來(lái)控制調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥的電量信號(hào)、進(jìn)行轉(zhuǎn)換處理后，作為變頻器輸出頻率的給定信號(hào)，或是將注塑機(jī)的鎖模、射膠、熔膠、冷卻、開(kāi)模等工藝過(guò)程控制信號(hào)進(jìn)行處理后，作為變頻器的多段調(diào)速或程序控制信號(hào)（也是變頻器輸出頻率的給定信號(hào)），以此調(diào)節(jié)方式來(lái)滿(mǎn)足注塑機(jī)各種工藝對(duì)供油壓力和流量的要求，并達(dá)到節(jié)能的目的，如圖3-1所示。

圖3-1 變頻改造示意圖

為了實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)在變頻調(diào)節(jié)時(shí)的最佳工況，一些公司特別研究開(kāi)發(fā)了針對(duì)注塑機(jī)壓力，流量雙信號(hào)控制回路自動(dòng)切換電路，它能根據(jù)注塑機(jī)各個(gè)不同工作環(huán)節(jié)的流量，壓力要求不同而自動(dòng)選擇信號(hào)，這樣在加工一些高精度的塑料產(chǎn)品時(shí)使用更是得心應(yīng)手。

理論原理：油泵的輸出功率： Pt=P+Qt=P×V×n（1）；油泵的理論轉(zhuǎn)矩：Tt=0.5π×P×V（2）；P為壓力，Qt為流量，V為油泵排量，n為油泵的轉(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(guò)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(lái)降低其轉(zhuǎn)速，以減小流量。因此多余的液壓油只能通過(guò)比例流量閥流回油箱，造成能源的白白浪費(fèi)。

油泵變頻調(diào)速節(jié)電運(yùn)行：從前注塑機(jī)的P=f（t）工序過(guò)程中看出，在不同時(shí)間段，注塑機(jī)的主油泵壓力是變化的，而且起伏較大，這就存在節(jié)能的可能性，且潛力較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，注塑機(jī)節(jié)電率一般可達(dá)25%～60%。眾所周知注塑機(jī)未使用變頻器時(shí)，主泵的電動(dòng)機(jī)始終恒速運(yùn)行，是極不經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行的方式。

采用注塑機(jī)節(jié)電控制器，將控制比例流量閥的電流信號(hào)（0-1A），按每個(gè)生產(chǎn)工藝階段設(shè)定的流量比例，得到0-1A的比例信號(hào)電表去打開(kāi)電磁閥的比例開(kāi)度，以提供系統(tǒng)所需的壓力。多余的流量通過(guò)溢流閥溢流掉。把比例流量信號(hào)連接到注塑機(jī)節(jié)電控制器作為驅(qū)動(dòng)指令，控制油壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，油泵只補(bǔ)充油路中所消耗的那部份，油泵電機(jī)按比例指令運(yùn)轉(zhuǎn)相應(yīng)轉(zhuǎn)速，輸出相應(yīng)的流量，以提供系統(tǒng)所需的壓力。即需要多少提供多少，在源頭上讓它不產(chǎn)生浪費(fèi)。因此用變頻節(jié)電系統(tǒng)在注塑機(jī)的整個(gè)生產(chǎn)過(guò)程中都具有明顯的節(jié)電效果，從而能夠較大幅度節(jié)省電能，為用戶(hù)帶來(lái)可觀的經(jīng)濟(jì)效益。

4.應(yīng)用案例

深圳市某公司同東莞市某節(jié)能公司合作，對(duì)廣東南海新豐塑料廠4臺(tái)主泵55kw大型注塑機(jī)（由東華800）進(jìn)行了變頻改造，該機(jī)最大壓力可達(dá)2000t，最大投料量可達(dá)16000g，約1～2min生產(chǎn)6個(gè)中、大型水管接頭。這是應(yīng)用變頻器的技術(shù)改造成功的典范，現(xiàn)已投產(chǎn)使用達(dá)半年之久，工作正常平均節(jié)電率達(dá)35%以上，深受用戶(hù)歡迎，經(jīng)長(zhǎng)達(dá)半年之久的應(yīng)用對(duì)比，該廠已確定對(duì)另6臺(tái)注塑機(jī)也使用變頻器進(jìn)行技術(shù)改造。這充分說(shuō)明應(yīng)用變頻器對(duì)大型注塑機(jī)實(shí)行節(jié)能的技術(shù)改造方案是正確的有效的，值得向大家推薦。

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