注塑机的变频节能调速

1 概述

螺杆式塑料注射成型机从上世纪50 年代推出，至今已有50多年的历史。目前，在工程塑料加工业中，80%采用注射成型。其工艺过程是塑料颗粒(ABS，聚乙烯，改型聚苯乙烯等)在注塑机料筒内通过多段加热器加热融蚀后，经螺杆搅拌增压后注射入模具腔内，保压冷却成型，完成一个工件的加工过程。对于塑料加工，注塑机完整的工艺流程为，合模—锁模—注射—保压—冷却—脱模—开模。其中保压和冷却，脱模和开模是同时进行的，即保压过程中，模具在通水冷却;在开模的过程中，模具内的脱模顶针由隐蔽处逐渐伸出，使附注在模具上的工件脱落, 开模到位后一个加工过程结束。不论大、中、小型注塑机，其工艺流程都是相同的。目前绝大多数的注塑机都是液压传动的注塑机，以上的工艺动作过程所需要的动力，均由液压系统中的油泵提供，油泵又有变量泵和定量泵之分。在注塑机工作时,一个工作周期中各个工序的负荷变化很大，液压系统所要求的流量和压力是不同的，生产油泵时已经考虑了这种变化，当液压系统需要的流量和压力变化时，油泵的供油量自动地增大或减小，这种油泵就是变量泵，不需要再用变频器进行调速控制。广泛使用的另一种油泵是定量泵，它的供油量是恒定的，注塑机工作过程中流量和压力的变化是靠流量比例阀和压力阀来调节的，多余的油量经溢流阀流回油箱。这样，加剧了阀门和油泵的磨损，造成油温升高，电机噪声过大。另外，从注塑机的设计看，通常在设计时油泵都要留有余量，一般考虑10%~15%，但油泵的系列是有限的，往往选不到合适的油泵型号时就往上靠，存在严重的“大马拉小车“现象，造成电能的大量浪费。因此，对定量泵的注塑机进行变频调速改造，节约电能，提高经济效率具有重要的意义。

2 注塑机节能分析

根据注塑机的工艺过程，画出系统油压p 与时间t的关系图，如图1 所示。

由图1 可见，合模和脱模、开模系统所需油压较低，且时间较短;而注射，保压，冷却系统所需油压较高，且时间较长，一般为一个工作周期的40%~60%，时间的长短与加工工件有关;间歇期更短，这也与加工工件的情况有关，有时可以不要间隙期。图1 只是一种简单的近似表示，实际上，如果注射的螺杆用油马达驱动，注射时的系统油压会高一些。注塑机加工工件的重量，从数十g 到数万g 不等，最大注塑机已到92 000 g。因此，注塑机就有中型、小型和大型之分，加工数十g 的小工件和加工数kg 的大工件所需的一个周期的时间也是不相同的;就是对同一台注塑机，加工工件的原料不同，各段工艺流程中所需的压力和时间也是变化的。这些工艺参数的设定，是由现场技术员根据经验数据和试验的情况制定的。

从图1 可见，一个周期的工作流程中，负载的变化导致系统压力变化比较大，但油泵仍在50 Hz运行，其供油量是恒定不变的，多余的液压油经溢流阀流回油箱，做无用功，白白地浪费了电能。对油泵进行变频调速，将定量泵改变为类似变量泵的特性。系统所需压力较高时，油泵电机50 Hz 运行，所需压力较小时，变频器降频运行。电机输出的轴功率与油泵的出口压力和流量的乘积成正比，油泵电机转速降低后，输出轴功率降低，就可以达到有效节能，一般节电率在20%~50%。

3 注塑机变频节能调速改造方案

使用液压系统的注塑机，有立式和卧式之分。

数十g 的立式注塑机，油泵采用一个齿轮泵，电机的容量较小，电气控制电路也较简单。改造时，将变频器接入电机的供电回路，再将流量比例阀的信号(0~1 A)，变换为4~20 mA 或0~10 V 信号送到变频器的相应端口上，这样，随着加工过程的变化，液压油的流量也在变化。一般来说，取相对值变化较大的流量信号作控制信号较好，控制信号变化对变频器频率调节的范围大一些;而压力信号相对值变化较小，对变频器频率调节的范围小一些。如果变频器频率调节的范围不能满足工艺要求，可用变频器的“频率增益”功能来调整。如果使用希望森兰BT40S 变频器的功能码F27，频率增益的调节范围为50%~200%。注塑机专用变频器就是在通用变频器的基础增加了0~1A 信号转换环节，使用起来更方便些。

60 g 以上的都是卧式注塑机，60 g~500 g的注塑机，有的是一个油泵，也有的是两个油泵。其中带有一个油泵的卧式注塑机的改造和立式注塑机的改造是相同的。仍然是从流量比例阀取出0~1 A的信号作为变频器的速度调节信号，虽然速度调节信号是由液压回路元件反馈到变频器，但调节回路中没有给定信号，因此控制还是属于开环控制方式。也是因为节能的原因，大中型注塑机的油泵可能不止一个，如三菱850-MM、1300-MM、1800-MM、2000-MM 注塑机均有3 个油泵。

对应注塑工艺流程，在合模阶段，所需的系统压力较低，这时只有1# 油泵工作，到锁模阶段所需的系统压力较高时，2#油泵再投入工作，在注射阶段所需的压力最高，3台油泵同时投入工作，脱模开模所需的压力较低，再分别停止3#，2#油泵工作。只要开机，1#油泵就一直运行。用3台小油泵按不同的工艺阶段间断工作，比用1 台大泵一直在运行要节能。具有两个以上油泵的注塑机如何改造?

这里以三菱1800-MM 注塑机的改造为例加以说明。三菱1800-MM 注塑机有3 个45 kW 油泵电机，用1 台变频器驱动1# 油泵电机，变频器的调节信号取自注塑机流量比例阀，这样，此变频器的频率就随注塑机液压油的流量的改变而变化。另外两个油泵电机，可以分别用两台变频器驱动。不过这两台变频器对电机不进行调速，只作两位式的控制，即起动和停止。控制变频器的起动和停止信号，取自于原来该油泵电机的起动和停止信号。

变频器的上限频率设定在50 Hz 以下，具体设定值与加工的工件尺寸，材料，料筒的温度等因素有关。如果变频器运行频率低于50 Hz，就可以节能。实际上，注塑机在设计时都留有余量，所以加工工件尺寸，材料的变化所需的油压也要随之变化。如果注射的压力过大而锁模力不足，会使工件出现飞边;若注射力不足，模具腔内塑料会注不满，工件报废;保压力不足时，工件中塑料比较厚的地方会出现收缩。本例两台变频器的运行频率为37 Hz，注塑机的节能率达23%。

4 注意事项

4.1 变频器的选型

注塑机的油泵普遍使用的是叶片泵和柱塞泵，机械特性为恒转矩，所以选用具有恒转矩特性的变频器，V/f控制或矢量控制变频器均可，也可选用注塑机专用型。考虑到注塑工艺各阶段的时间有一定要求，变频器的加速和减速时间要短，一般为1 s，这样变频器的容量就要适当加大。根据经验，矢量控制变频器选大一档，V/f 控制的变频器会选得更大一些。为防止过载烧电机，调试变频器时，注意设定好电子热继电器功能。

4.2 备用系统

注塑机进行变频节能改造时，保留原有的工频起动回路作备用，这样一旦变频器有故障，还能用工频起动油泵电机继续运行。

4.3 变频器对注塑机数字仪表的干扰

现在在注塑机上广泛使用的是交-直-交变频器，其输出电流中含有谐波成分，可能会对注塑机产生干扰，最易受干扰的是温度控制仪表，因此，在安装变频器时需要注意：

1)变频器需加装输入和输出电抗器;

2)为了避免相互造成干扰，引入变频的控制线要作屏蔽处理，最好采用4~20 mA电流信号;

3)变频器机壳要可靠接地;

4)变频器安装在注塑机内部时，特别要关注通风散热问题。

4.4 电机转速降低后的温升

电机用变频器驱动后，温升会增加10%，电机速度又降低后，自带的风机转速变慢，散热效率减低，温升还会增加;但是，考虑到油泵是间歇工作的，温升也不会增加多少。在我们做过的注塑机改造中，有的在电机上加了恒速风机，有的没加，所以加不加恒速风机，要根据电机工作时的温度来决定。

5 结语

对注塑机进行变频调速，主要的目的在于节能。从小型，中型到大型注塑机都可以加装变频器进行节能改造。改造之初，涉及到节能效率的估算。注塑机节能主要与注塑工艺过程相关，要做出一个准确的计算比较困难，一般来说，经过改造，一个油泵电机的注塑机节能在30%~50%之间，多个油泵电机的注塑机节能在15%~30%之间。另外，油泵速度的降低减少了机械的磨损，间接的经济效益也不可小视。