变频器在注塑机节能控制系统应用研究

1、文档从互联网中收集，已重新修正排版，word格式支持编辑，如有帮助欢迎网络教育学院下载支持本科生毕业论文（设计）题目：变频器在注塑机节能控制系统的应用研究学习中心：奥鹏宜宾直属学习中心层次：专升本专业：电气工程及其自动化年级：2012年01春季学号：9675学生：杨光麟指导教师：高国娟完成日期：2013年11月16日2word格式支持编辑，如有帮助欢迎下载支持。 内容摘要2013年节能降耗,保护环境已经成为国家重要发战略。电能做为能源当中最主导能源使用。就当今社会所关心的节能减排与低碳发展问题，本次研究结合塑胶注塑加工行业，论述了采用变频器与注塑机相结合的一种节能增效方案。近几年塑料行业发展越

2、来越迅速，其中注塑行业也正迎来一个飞速发展的机遇。从注塑机加工工艺过程知道，在注塑成型产品成本中电能量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各注塑机厂家和用户关注。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，本文注塑机专用变频器为例介绍了注塑机变频改造可行性和改造中常出现的问题及处理方法，举例说明了注塑机变频改造节电效果及收回情况。关键词：注塑机；变频器；调速；控制。引言习近平总书记指出“大力推进节能减排，积极开发新能源，这是贯彻落实科学发展观、促进经济社会可持续发展的重大举措”。温家宝总理在全国人大十一届三

3、次政府工作报告中明确指出：“要积极应对气候变化，大力开发低碳技术，推广高效节能技术，积极发展新能源和可再生能源，加强智能电网建设”1。目前世界每一个国家都面临着资源溃乏，为了避免可能出现的能源危机，解决日益严重的环境问题，不仅需要大规模开发新能源，而且社会发展过程中更要节约使用能源。因此，本人以所在的塑料加工行业为例，选取变频器在注塑机节能控制的应用研究为课题，在设计这种系统时，在用设备在厂家购买回来并没有任何节能措施，注塑机液压油泵的使用效率只有5060%左右%，而注塑机液压油泵大多又是一些大功率电机来带动，少则几十KW,有的甚至达到上百KW,如果没有任何的节能措施，设备在使用过程中将会造成

4、极大的电源浪费。如上所述，针对目前注塑机行业的这种发展趋势，本文论述的节能方案，在原理上，采用变频技术，降低注塑机在冷却或待机时液压油泵电动机的动转速度降低设备的工作电流，既能保证设备工作时所需的正常压力需求，又提高了电机的运行平稳性，从而实现了三相异步电动机的平稳、低耗的运行，达到了节能的目的。1绪论课题的背景和意义任何一种能源的开发利用都会给环境造成影响，以化石燃料为代表的常规能源造成的环境问题尤为严重，主要表现在大气污染、温室效应、酸雨。当今能源日益紧张，环境日趋恶化。节能减排，改善人类生存的环境，已经成为越来越多人们的所共识。电能是所有能源种类中最易被人类使用的一种能源，也是很多其它能

5、源所转换的一个对象，因此，对电能的节约，也就是相应的节约了其它类型的一次性能源，比如煤、油、气等非再生能源。注塑机加工行业中国内发展现状注塑成型是将热塑性或热固性塑料制成各种塑料制件的主要成型方法之一，它是将粒状或粉装塑料加入注塑机的料斗内进入注塑机机筒，在注塑机机筒的热传递和螺杆剪切热的作用下塑料逐渐熔融塑化，然后在注塑机的螺杆或柱塞的压力推动下，呈粘流态的物料经喷嘴注射到由注塑机锁模机构闭合好的模具型腔内并在注射压力或发泡膨胀的作用力下充满型腔，经冷却定型，由锁模机构打开模具并顶出制品，从而获得具有一定形状和尺寸精度的塑料制品。与其他成型方法相比，注塑机可以一次成型出各种结构复杂，尺寸精确

6、或带有嵌件的塑料制品，对各种塑料加工的适应性强，成型同期短，可多腔成型，生产效率高，易于实现自动化，所成型的制品经过很少修饰或不修饰即可满足用户的需要。国此，塑料注射成型得到了广泛应用，就世界范围来说，注塑成型的塑料制品占塑料总产量的30%，注塑机的产量占塑料机械总台数的50%以上，所以对注塑机的节能改造迫在眉睫。变频器在注塑机进行节能控制的情况与未来发展趋势变频器节能型液压控制系统采用变频器控制注塑机液压油泵传动三相异步电动机，从而驱动定量液压泵，通过变频器改变电动机转速，达到改变液压油泵的输出流量的目的。在国内，变频液压技术主要用于对原有注塑机液压系统进行改造，其应用降低了原有注塑机的电能

7、损耗。它的优点在于以下三个方面：（1）节能。利用变频器改变液压油泵的转速，使泵的输出流量与注塑机工艺流程所要求的相匹配，可以使溢流损失降至最低，有效地节约了能源。同时，由于，由于注塑机变频调速系统一般选用定量泵，与变量泵相比，定量泵效率更高，故液压系统回路效率更高，与传统的阀控节流调速相比可节能3060%左右，特别是在注塑机冷却时还可以将泵完全停止，降低了电动机与泵的空载损耗，具有比变量泵系统更大的节能潜力，别外，使用变频器液压技术可显著提高使用电流的功率因素，降低无功电流，从而降低线路损耗。（2）对原有注塑机液压系统改造量最小。只需给传统注塑机的液压油泵电动机加装变频器，就可以完成改装，对成

8、熟的液压系统不需进行更改，改造难度较小，并且变频器是一个成熟的技术，维护保养方便。（3）降低噪音。液压油泵电动机和油泵不必在工频情况下长期运行，注塑机工作时大部分时间转速较低，甚至在冷却时可以完全停止，大大减少了噪声污染，改善工作环境。注塑机工作原理注塑机的工作原理与打针用的注射器相似，它是借助螺杆（或柱塞）的推力，将已塑化好的熔融状态（即粘流态）的塑料注射入闭合好的模腔内，经固化定型后取得制品的工艺过程。注塑成型是一个循环的过程，每一周期主要包括：定量加料熔融塑化施压注射充模冷却开模取件。取出塑件后又再闭模，进行下一个循环。2.1注塑机的基本组成注射部件注塑机组成注塑机的工作原理注塑成型机简

9、称注塑机，注塑成型是利用塑料的热物理性质，把塑胶料从料斗加入料筒中，料筒外由加热圈加热，使物料熔融，再由油马达作用下驱动旋转的螺杆，物料在螺杆的作用下，沿着螺槽向前输送并压实，物料在外加热和螺杆剪切的双重作用下逐渐地塑化，熔融和均化，当螺杆旋转时，物料在螺槽摩擦力及剪切力的作用下，把已熔融的物料推到螺杆的头部，与此同时，螺杆在物料的反作用下后退，使螺杆头部形成储料空间，完成塑化过程，然后，螺杆在注射油缸的活塞推力的作用下，以高速、高压，将储料室内的熔融料通过喷嘴注射到模具的型腔中，型腔中的熔料经过保压、冷却、固化定型后，模具在合模机构的作用下，开启模具，并通过顶出装置把定型好的制品从模具顶出落

10、下，注塑成型是一个循环过程。变频器工作原理三相电动机调速方式按照电机学原理，三相异步电动机转速公式3：n=Q(l-s)=60f/p(l-s)(3-1)式中：n步进电动机的转速；f异步电动机的频率；S电动机转差率；p电动机极对数。由三相异步电动机转速公式可见，异步电动机有下列3种调速方式4：变极调速异步电动机正常运行时的转速n接近同步转速n1，由于n1=60f/p，在电源频率一定的情况下，改变定子绕组的极对数p,同步转速n1就发生变化，电机转速n也随之变化，若极对数增加一倍，同步转速就减少一半，电动机减速也减少一半，显然,变极调速只能做到一级一级地调速,而不能平滑调速。变转差率调速这种调速方式由

11、三相异步电动机、电磁转差离合器、测速发电机和控制装置组,电动机本身并不调速,通过改变电磁转差离合器的励磁电流来实现调速,此类调速平滑,可以进行无级调速,当负载或电机受到突然的冲击时,离合器可以起到缓冲作用,结构简单,造行可靠。但因传递效率低,故最大输出功率达不到电机的额定功率,并且随着输出转速的降低,传递效率相应降低,由于剩磁的存在,当负载转矩小于10%的额定转矩时可以失控,不适用于恒功率负载。变频调速转速n于频率f成正比,只要改变频率f即可改变电动机的转速,当频率f在050Hz的范围内变化，电动机转速调节范围非常宽。变频器就是通过改变电动机电源频率实现速度调节的一种理想的高效率、高性能的调速

12、手段。其作用是通过改变电源频率来改变电机的转速，变频调速效率高，调速过程中没有附加损耗；应用范围广，可用于笼型异步电动机；调速范围大，特性硬，精度高；适用于要求精度高、调速性能较好场合。变频器的基本组成变频器通常分为4部分：整流单元、高容量电容、逆变器和控制器。整流单元：将工作频率固定的交流电转换为直流电。高容量电容：存储转换后的电能。逆变器：由大功率开关晶体管阵列组成电子开关，将直流电转化成不同频率、宽度、幅度的方波。控制器：按设定的程序工作，控制输出方波的幅度与脉宽，使叠加为近似正弦波的交流电，驱动交流电动机。图3.1变频器基本组成变频器主电路是给异步电动机提供调压调频电源的电力变换部分，

13、变频器的主电路大体上可分为两类:电压型是将电压源的直流变换为交流的变频器，直流回路的滤波是电容。电流型是将电流源的直流变换为交流的变频器，其直流回路滤波是电感。它由三部分构成，将工频电源变换为直流功率的“整流器”，吸收在变流器和逆变器产生的电压脉动的“平波回路”，以及将直流功率变换为交流功率的“逆变器”。（1）整流器：最近大量使用的是二极管的变流器，它把工频电源变换为直流电源。也可用两组晶体管变流器构成可逆变流器，由于其功率方向可逆，可以进行再生运转。（2）平波回路：在整流器整流后的直流电压中，含有电源6倍频率的脉动电压，此外逆变器产生的脉动电流也使直流电压变动。为了抑制电压波动，采用电感和电

14、容吸收脉动电压（电流）。装置容量小时，如果电源和主电路构成器件有余量，可以省去电感采用简单的平波回路。（3）逆变器：同整流器相反，逆变器是将直流功率变换为所要求频率的交流功率，以所确定的时间使6个开关器件导通、关断就可以得到3相交流输出。以电压型pwm逆变器为例示出开关时间和电压波形。控制电路是给异步电动机供电（电压、频率可调）的主电路提供控制信号的回路，它有频率、电压的“运算电路”，主电路的“电压、电流检测电路”，电动机的“速度检测电路”，将运算电路的控制信号进行放大的“驱动电路”，以及逆变器和电动机的“保护电路”组成。（1）运算电路：将外部的速度、转矩等指令同检测电路的电流、电压信号进行比

15、较运算，决定逆变器的输出电压、频率。（2）电压、电流检测电路：与主回路电位隔离检测电压、电流等。（3）驱动电路：驱动主电路器件的电路。它与控制电路隔离使主电路器件导通、关断。（4）速度检测电路：以装在异步电动机轴机上的速度检测器（tg、plg等）的信号为速度信号，送入运算回路，根据指令和运算可使电动机按指令速度运转。（5）保护电路：检测主电路的电压、电流等，当发生过载或过电压等异常时，为了防止逆变器和异步电动机损坏，使逆变器停止工作或抑制电压、电流值。变频器输出调节方式变频器对输出波形的调制既要变频，又要变压，变频是由逆变器完成的。而变压按输出电压调节方式不同，变频器有PAM、PWM和SPWM

16、等多种方式。晶闸管型逆变器一般采用变幅调制方式，脉宽调制型逆变器更多的是采用恒幅脉宽调制方式，由二极管整流桥输出恒定不变的直流电压，经中间环节送到逆变桥，通过调节逆变桥输出电压脉冲的宽度和频率，实现既调压又调频的目的。这种脉宽调制型逆变器主回路简单，而且由于逆变器输出电压的大小和频率直接由逆变器决定，所以调节速度快，系统的动态性能好，而且电源侧输入功率因数高。由于它具有这些优点，所以目前应用相当广泛。因为PWM型逆变器是通过改变脉冲宽度控制其输出电压大小，通过改变脉冲周期控制其输出电压频率，所以脉宽调制方式对PWM逆变器的性能有根本性的影响。3.3.1PAM方式PAM即脉冲幅值调节方式是通过改

17、变直流侧的电压幅值进行调压的。在变频器中，逆变器只负责调节输出频率，而输出电压则由相控整流器或直流斩波器通过调节直流电压去实现。采用相控整流器调压时，网侧的功率因数随调节深度的增加而变低；而采用直流斩波器调压时，网侧的功率因素在不考虑谐波影响时，可以达到1。PAM调制方式一般应用于晶闸管逆变器的中大功率变频器中。变频器的特点与应用近年来，随着电力电子技术、计算机技术、自动控制技术的迅速发展，交流传动与控制技术成为目前发展最为迅速的技术之一，电气传动技术面临着一场历史革命，即交流调速取代直流调速和计算机数字控制技术取代模拟控制技术已成为发展趋势。电机交流变频调速技术是当今节电、改善工艺流程以提高

18、产品质量和改善环境、推动技术进步的一种主要手段。变频调速以其优异的调速和起制动性能，高效率、高功率因数和节电效果，广泛的适用范围及其它许多优点而被国内外公认为最有发展前途的调速方式。变频调速已被公认为是最理想、最有发展前途的调速方式之一，采用通用变频器构成变频调速传动系统的主要目的，一是为了满足提高劳动生产率、改善产品质量、提高设备自动化程度、提高生活质量及改善生活环境等要求；二是为了节约能源、降低生产成本。3.4.1变频器的特点（1）变频调速节能由于采用变频调速后，风机、泵类负载的节能效果最明显，节电率可达到20%60%，这是因为风机水泵的耗用功率与转速的三次方成比例，当用户需要的平均流量较

19、小时，风机、水泵的转速较低，其节能效果也是十分可观的。而传统的挡板和法门进行流量调节时，耗用功率变化不大。由于这类负载很多，约占交流电动机总容量的20%30%，它们的节能就具有非常重要的意义。对于一些在低速运行的恒转矩负载，如传送带等，变频调速也可节能。除此之外，原有调速方式耗能较大者（如绕线转子电动机等），原有调速方式比较庞杂，效率较低者（如龙门刨床等），采用了变频调速后，节能效果也很明显。（2）变频调速在电动机运行方面的优势变频调速很容易实现电动机的正、反转。只需要改变变频器内部逆变管的开关顺序，即可实现输出换相，也不存在因换相不当而烧毁电动机的问题。变频调速系统起动大都是从低速开始，频率

20、较低。加、减速时间可以任意设定，故加、减速时间比较平缓，起动电流较小，可以进行较高频率的起停。变频调速系统制动时，变频器可以利用自己的制动回路，将机械负载的能量消耗在制动电阻上，也可回馈给供电电网，但回馈给电网需增加专用附件，投资较大。除此之外，变频器还具有直流制动功能，需要制动时，变频器给电动机加上一个直流电压，进行制动，则无需另加制动控制电路。以提高工艺水平和产品质量为目的的应用变频调速除了在风机、泵类负载上的应用以外，还可以广泛应用于传送、卷绕、起重、挤压、机床等各种机械设备控制领域。它可以提高奇特的产成品率，延长设备的正常工作周期和使用寿命，使操作和控制系统得以简化，有的甚至可以改变原

21、有的工艺规范，从而提高了整个设备控制水平。控制系统硬件的电路设计注塑机变频器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，其公式如下所示：TOC o 1-5 h zQ2/Q1=N2/N1(4-1)H2/H1=(N2/N1)2(4-2)P2/P1=(N2/N1)3(4-3)其中Q为流量、N为转速、H为扬程。图4.1阀门控制与变频节能比较图中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点转移到B点，消耗的功率与0EBF的面积成正比，若采用变频控制

22、，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0ECK的面积成正比，因此，从图4.1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。变频器控制柜主电路以海天HTW300型注塑机为例，下表为该机型油泵参数：表4.1注塑机油泵参数数泵机注三相电机型号功率转数50HP37.5KW980r/min油泵型号类型排量动力流量双联叶片泵207cc/rev206.8L/min在改造注塑机时使用康活CVF-ZS-4T0150注塑机专用变频器，保留注塑机原有控制电路中的星-三角转换电路

23、，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4.2给出了注塑机变频节能改造的主电路图。图中，ZD为断路器，KM1、KM2、KM3为接触器，SB3为故障复位按钮5。比例阀控制信号T1RsTFWPTARSTTCCM11E2WLC2CuVwJJJ接注塑机图4.2注塑机变频节能改造主电路图图4.3为注塑机变频柜的控制电路框图。图中，SB1为工频/变频转换开关，选用三级开关；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

24、变频运行接触器；KM3为工频运行接触器6。图4.3注塑机变频柜控制电路图变频器控制主要参数设置以康沃CVF-ZS-4T0150变频器在在海注塑机HTW300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，变频器主要参数应当根据现场调试的实际情况来分析决定。变频器改造后的常见问题及解决方案生产效率问题变频器的启动(加速)、停机(减速)均须一定的时间，这样势必会影响生产的效率。可以通过改进生产工艺的方式使生产效率接近于工频运转。信号干扰变频器作为干扰源容易干扰别的设备，同时作为精密设备又容易被别的设备干扰。如原注塑机没有可靠的接地系统，建议重新设计接地回路，以保证注塑机、电机、变频器以及其他

25、需接地的电路有良好的接地回路。接地系统设计需参考抑制干扰，防止静电的关键措施。温度信号受干扰的问题某些注塑机，在经过变频改造后会发生温度信号受干扰的现象，温度信号大幅度偏移。不仅如此，改造后的注塑机还会对邻近的一定距离内的其他注塑机产生干扰，影响温度控制。经过实际观察与测试，在有可靠接地系统的情况下，改造后的注塑机只对本身的温度信号有干扰，而对于邻近的其他注塑机不会造成干扰。这说明，良好的接地系统可以吸收掉来自同一电网内其他用电设备对其本身的干扰。注塑机电机的振动问题。电机振动问题一般由两种原因引起。第一：电动机的机械共振，当电机在某一频率附近共振比较严重时可以通过设置共振频率回避点来解决。变频器提供了两个共振频率回避点，完全可以避免由于机械原因引起的共振现象。第二：变频器频率的快速波动引起电机转速突变，导致油泵，油管振动。电机发热的问题由于变频改造后，电机运行在低频段的时间较长，电机温升会比原来升高56C属于正常情况，加装脱离电机而独立工作大风量冷却风机，以加强电机的散热效果。高次谐波问题高次谐波的产生是变频器不可避免的问题，一般都不会影响电网的质量，对于电网供电质量有特殊要求的企业可以加装交流输入电抗器以及直流平波电抗器。注塑机变频改造后运行