变频器在注塑机节能改造中的应用2008

变频器在注塑机节能改造中的应用 2008 03 18 20 18 一 塑料行业在国内的发展形势 现在人们已公认一个国家或地区塑料的人均年消耗量及塑料工业在国民经济中所占的地位 是反映工业发展与进步的重要标志之一 中国塑料资源丰富 21 世纪初主要合成树脂年产 量达 1 4 万吨 排世界第 4 位 并且中国合成树脂的产量还在以 5 10 的速度增长 中 国又是塑料消费大国 据统计 其年消耗量占世界第二 仅次于美国 而中国的人均消费 仅为 19kg 在世界排名第 32 位 是工业发达国家的 11 20 可见中国的塑料工业还要 大发展 塑料机械前景广阔 根据塑料制品的市场分析 目前中国塑料机械行业产值每年 约 100 亿元 而国内市场需求约 200 亿元 还有很大空间 注塑机的需求也逐步由南方向 北方扩散 同时也带将带动塑料工业关联产业的发展 二 变频改造在注塑行业发展趋势 近几年塑料行业发展越来越迅速 其中注塑行业也正迎来一个飞速发展的机遇 但同时行 业内的竞争也日渐激烈 各厂家除了重视产品质量和品牌外 也越来越重视生产成本的控 制 从注塑机工艺过程知道 在注塑成型产品成本中 电能消耗成本占了很大的比例 因 而能否有效减少电能损耗 受到了各注塑机厂家和用户的关注 随着变频调速技术的推广 变频调速在传动控制和节能领域已日渐得到了广泛应用 尤其在泵类负载场合采用变频控 制节能效果显著 本文以四方注塑机专用型变频器为例 介绍了注塑机变频改造的可行性 和改造中常出现的问题及相应处理方法 三 注塑机变频改造可行性 3 1 注塑机基本概况及成型工艺过程 普通注塑机通常采用液压传动 其结构包含注射装置 开合模装置 液压传动装置 和电气控制装置 后者的作用是保证注塑机预定工序的要求 压力 速度 温度 时间 位置 和动作程序准确有效地工作 在传统的注塑机中液压传动装置主要由油泵 液压控制阀 压力电磁比例阀 流量 电磁比例阀 各种不同的动作油缸 油泵电机及其它液压附件和管道组成 液压传动系统 中的动力由电机带动油泵提供 其中 油泵绝大部分是定量油泵 电动机通常提供额定功 率和转速 油泵将电动机所输入的机械能转变为压力能 然后向液压系统的液压元件输送 具有一定压力和流量的液压油 满足液压执行机构驱动负载所需能量的要求 注塑机成型工艺是一个按照预定的周期性动作过程 即以合模 射嘴前进 射胶 保压 溶胶 冷却 开模 取出制品 将被注塑件放入模具中 合模等加工工序达到某件产品成 型 各个过程所需的速度和压力因不同工艺而不同 即所需的液压油流量不同 因而注 塑机整个动作过程对油泵电机来说是个变负载过程 在定量泵注塑机液压系统中 油泵电 机始终以恒定转速提供恒定流量的液压油 各个动作中相应多余的液压油则通过溢流阀回 流 从而造成电能的浪费 据统计 由电液阀控模式造成电能损耗高达 36 68 根据注 塑机设备工艺 油泵电机耗电占整个设备耗电比例高达 65 80 因此 对阀控电液模式 进行节能改造具有很大的潜力 3 2 普通注塑工艺中的主要损耗 第一为溢流损耗 随产品及加工工序不同 各工序所需液压 流量 压力不同 见附图 1 对于油泵马达而言 注塑机在注塑过程的负载是处于变化状态 而泵的流量是按照所需的 最大流量来设计的 其原注塑油泵马达以恒定的转速提供的液压流量 当注塑机所需的流 量小于最大流量时 多余的液压将通过溢流阀回流 这一部分能量就损耗掉了 第二为节流损耗 当液压油流经阀的节流口时会有一定的压降 这就是节流损耗 由于方 向阀的节流面积比较大 所以大部分的节流损耗发生在比例阀上 同时由于液压长期全速 循环流动与液压件机械剧烈磨擦 造成油温过高 噪音过大 机械寿命缩短等不良现象 第三为设计余量损耗 通常在设计中 一般会考虑到共用性 设计时以最大容量为基础 因此用户油泵电机设计的容量比实际需要高出很多 存在 大马拉小车 的现象 造成电 能的大量浪费 图一 注塑机工序图和能耗对照图 四 变频器在注塑机节能改造中的优点 4 1 调速节能 根据注塑机的工艺要求 把总压阀 低压阀 一压阀 二压阀的开关信号经转换后加在变频 器的输入端作为变频器的频率给定信号 变频器通过对其进行实时采样并通过 CPU 处理 使输出频率随比例阀的模拟信号成线形变化 在需要压力和流量较小的工艺过程中使电机 转速降低 从而降低电机的输出功率 在冷却和半成品置入过程中可以让电机停转 使电 机在整个负载范围内的能量损耗达到最小程度 4 2 提高功率因数节能 无功功率不但增加线损和设备的发热 更主要的是因为功率因数的降低导致电网有功功率 的降低 由公式 S P Q Q S SIN P S COS 其中 S 视在功率 Q 无功功率 P 有功功率 COS 功率因数 可知 当 COS 越大 有功功率 P 越大 普通定量 泵注塑机 COS 值在 0 6 0 8 之间 而使用变频调速装置后 由于变频器内滤波电容的补 偿作用 使得 COS 1 从而减小了无功损耗 增大了电网的有功功率 4 3 软启动节能 由于原电机为直接启动或 Y 启动 启动电流等于 3 7 倍额定电流 这样会对机电设备和 供电电网造成严重的冲击 而且还会增加电网容量要求 启动时产生的大电流和震动对设 备的使用寿命极为不利 而使用变频节能装置后 利用变频器的软启动功能将使启动电流 从零开始 最大值被限制在变频器设置的加速中电流限幅水平以内 一般不超过 1 7 倍额 定电流 减轻了对电网的冲击和对电网容量的要求 延长了设备和模具的使用寿命 五 变频器节能改造原理 由泵类负载的工作特性可知 泵的流量与转速成正比 泵的扬程与转速的平方成正比 泵电机轴功率与转速的立方成正比 如下述公式所示 Q2 Q1 N2 N1 H2 H1 N2 N1 2 P2 P1 N2 N1 3 其中 Q 为流量 N 为转速 H 为扬程 图 2 阀门控制与变频控制节能比较 图 2 给出了阀门控制与变频控制两种模式下的节能效果比较 原有注塑机系统采用阀 门控制 当流量由 QA 减少到 QB 时 由于管阻特性 工作点由 A 点转移 B 点 消耗的功 率与 0EBF 的面积成正比 若采用变频控制 这时因阀门全开 其管阻特性不变 工作点 由 A 点转移到 C 点 消耗的功率与 0ECH 的面积成正比 因此 从图 2 中可以看出 采用 变频调速比阀门控制更加节能 且随着转速的降低 电机输出功率成立方关系减少 这样 根据注塑工艺适时地调节油泵电机的转速 即可达到节能的目的 目前三相异步电动机大多采用变频调速 由电机同步转速公式 n 60 1 S f p 其中 n 为电机转速 s 为转差率 f 为供电频率 p 为极对数 由上式可知 改变电源频率即可改变电机转速 因此 采用注塑机比例流量阀及比例压力 阀的控制信号同步控制油泵马达的变频器 使油泵电机的转速与注塑机工作所需的压力 流量成正比 从而使溢流阀的回流量减到最小 液压系统输出与注塑机生产所需功率相匹 配 便可达到节能目的 据统计 其单机节电率可达 25 65 六 四方变频器的应用 6 1 四方注塑机专用变频器的特点 四方注塑机专用变频器 E520 系列 是根据注塑机工作特性专门设计的变频调速器 通过对阀控电流 电压信号的采集 经 CPU 处理后对油泵电机进行相应的调速 从而满足 注塑机工艺要求 它具有以下特点 1 具有适合注塑机专用的频率给定信号通道 通用变频器的频率给定信号标准为 0 10V 电压信号或 4 20mA 电流信号 但注塑机专用 变频器则需具有 0 1A 10V 信号接收通道 四方 E520 系列变频器可直接入 0 1A 电流信 号 而不需要另外加装信号转换电路 2 过载能力强 响应速度快 一般注塑产品的工艺周期相对较短 从 10 几秒到几分钟不等 一个成型产品从开模 到合模 要求各个过程动作迅速 采用变频控制时 油泵电机负载频繁变化 这就要求变 频器有很强的过载能力 四方 E520 系列变频器根据阀控信号进行快速升降速 加减速时 间可达 0 5 1s 6 2 变频改造电路 注塑机变频改造时采用变频 工频控制方式 其控制柜主电路由电度表 四方变频器 和工频旁路接触器等构成 控制电路由工频 变频切换开关 启动 复位开关 指示灯等构 成 1 变频控制柜主电路 图 3 给出了注塑机变频节能改造的主电路图 图中 QF 为断路器 KM1 KM2 KM3 为接触器 在改造注塑机时仍保留注塑机原有控制电路中的星 三角转 换电路 这样可方便改造同时保持注塑原来的控制特性 采用工频旁路目的是为了在变频 器出故障时可直接切换到工频运行 而不影响生产 图 3 注塑机变频节能改造主电路图 2 变频控制柜控制电路 图 4 为注塑机变频柜的控制电路框图 图中 SB 为工频 变频转换开关 选用三级开关 SB1 为变频器停止按钮 SB2 为变频器启动按钮 L1 为总电源指示灯 L2 为工频运行指 示灯 L3 变频运行指示灯 L4 为变频器故障指示灯 其故障信号由变频器 TA TC 输出 KM1 KM2 变频运行接触器 KM3 为工频运行接触器 图 4 注塑机变频柜控制电路框图 3 变频主要参数设置 以四方 E520 系列变频器在注塑机中的应用为例 变频器采用比例流量 比例压力两 路信号控制 主要参数设定如表 1 所示 F0 0 1 F0 1 1 F0 7 1 F3 19 2 F0 8 0 7 F0 9 1 8 F3 1 0 12 F3 2 0 76 F3 3 0 12 F3 4 0 70 F3 5 0 5 F3 6 0 5 表 1 四方 E520 系列的主要参数设定 4 E520 系列注塑机专用变频器的特点 1 与注塑机同步运行 调试完成投用后无需任何调节 即使更换模具和改变加工参数 均 无需对变频节能控制器进行调整 2 改造后注塑机液压油发热明显降低 一般比改造前平均油温降低 15 20 以上 液压油 使用寿命可得到延长 注塑机冷却用水量可节省 30 以上 3 对整个系统的保护功能 1 变频器自身的保护 2 对电机的保护 如 电流 限制 过载 输出短路或输出接地等 3 对因误操作引起的机械损伤进行保护 如 未 到熔融温度强行溶胶引起火箭头 炮筒 螺杆或溶胶马达的损坏等 4 注塑机运行噪音明显降低 开 锁模振动减轻 延长设备和模具的使用寿命 改善 工作环境 用电功率因数提高 油泵主电机平滑启动 启动时无大电流冲击并可减少配电 设备容量 5 延长油路密封组件的使用寿命 减少停机维修几率 节省大量维护费用 6 注塑件加工周期越长 节能效果越好 七 调试中常出现的问题及处理方法 7 1 调试前注意事项 注塑机变频节能电气改造相对比较简单 但在改造前应详细了解注塑机工况 熟悉注 塑机工艺流程 调试时应注意以下事项 安装前查清注塑机原有电路接线方式 包括主电 路和控制电路 仔细观察注塑机工频运行是否正常 油泵马达是否经常处于过载状态 根 据注塑机的模具及注塑工艺观察注塑机节电改造的潜能 控制信号线路注意正负极性不要 接反 信号线与主回路线要分开布线等 7 2 调试常见问题及处理方法 由于注塑机工艺的特殊性 在改造中会遇到各种故障 以下为在注塑机变频改造中常 遇到的问题及处理方法 1 变频器频率无变化 由于变频器采用注塑机阀控电流信号进行调速 变频器运行后可能出现频率显示为 0 0 有 的变频器显示为 0 现象 其主要原因包括 信号极性接反 信号取错 信号接线端口与 参数设定不符 注塑机辅助电源故障等 出现这种故障时 应先查明注塑机阀控制的类别 是电流信号 电压信号还是脉冲控制信号 部分机型 及信号正负极性是否与变频器控制 端子对应 2 油泵噪音大 变频器运行后有些注塑机会发出异常的噪音 这时应判断噪声源在何处 是来自电机还是 油泵 若为油泵的噪音 则可能原因有 注塑机液压油过少 有空气吸入 注塑机滤油器 或油路阻塞 注塑机油泵叶片磨损较严重 遇到该情况应先检查注塑机油泵 排除故障后 方可运行 另外 当注塑机处于低速高压工作状态时 也会出现油泵噪音异常情况 这时 应适当提高速度给定 3 温度控制干扰 另一个注塑机变频器改造中常遇见的问题 是