變頻注塑機方案（速度+壓力閉環(huán)）
說明：該方案直接面向注塑機生產(chǎn)廠家，目的是將矢量變頻技術(shù)應(yīng)用于注塑機電機驅(qū)動上，通過速度閉環(huán)及壓力閉環(huán)功能完成對注塑機的精確控制。油路上取消了傳統(tǒng)的流量、壓力比例閥，在節(jié)約成本的同時可從源頭上消除油路中的節(jié)流及溢流能量損失，使注塑機獲得最佳的節(jié)能效果。
以下內(nèi)容將針對傳統(tǒng)定量泵注塑機、變頻注塑機及變量泵注塑機的特點做全面分析。
－、流量及壓力控制方式分析
在塑機的液壓系統(tǒng)中，液流的流量、壓力和方向是最基本的控制量，其中流量和壓力直接決定了系統(tǒng)的輸出功率和成型工藝。
按照對工作流量和壓力的不同要求，可將塑機的運行狀態(tài)分為流量控制狀態(tài)和壓力控制狀態(tài)。流量控制狀態(tài)以穩(wěn)定控制工作回路中的流量并使之達(dá)到塑機的設(shè)定值為目的，而工作回路中的壓力將小于塑機設(shè)定壓力，塑機的快速鎖模、射膠、溶膠等階段都屬于該狀態(tài)。壓力控制狀態(tài)以穩(wěn)定控制工作回路中的壓力為目的。在該狀態(tài)下，工作壓力接近或等于塑機設(shè)定壓力，而實際工作流量很小，如塑機的高壓鎖模及保壓階段等，系統(tǒng)過載、油缸推力不足時也屬于該狀態(tài)。
如圖一，該系統(tǒng)采用定量泵供油，油泵轉(zhuǎn)速n及油泵排量Vb都不可調(diào)，其油路中的各流量及壓力分別為：
油泵流量Qb＝Vb×n為定值；
油泵壓力Pb由比例溢流閥設(shè)定；
工作流量Q1由比例調(diào)速閥設(shè)定；
工作壓力P1＝F/A1取決于工作負(fù)載F；
A1：油缸無桿腔活塞面積 F：工作負(fù)載 Q1：工作流量 P1：工作壓力
△p：比例調(diào)速閥兩端的壓力差 Qy：比例溢流閥流量 Pb：油泵壓力
Qb：油泵流量 Vb：油泵排量 n：電動機轉(zhuǎn)速
l 流量控制狀態(tài)
系統(tǒng)在流量控制狀態(tài)時，因油泵流量Qb＝Vb×n為定值，除一部分流量Q1經(jīng)比例調(diào)速閥進(jìn)入工作回路外，其余流量Qy都經(jīng)比例溢流閥排回油箱。
l 壓力控制狀態(tài)
系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時，因工作流量Q1極小，油泵流量Qb＝Vb×n的絕大部分都要經(jīng)比例溢流閥流回油箱，以此維持油泵壓力Pb達(dá)到設(shè)定值，能量浪費巨大。
可以看到，傳統(tǒng)的定量泵油路系統(tǒng)必會存在節(jié)流及溢流能量損失，用公式表示為：
△P×Q1＋Pb×Qy （參見圖二）
上述能量損失的原因究其本質(zhì)有兩個，即流量不適應(yīng)——過多的流量流入了油路系統(tǒng)；壓力不適應(yīng)——供油壓力大于工作壓力，以補償比例調(diào)速閥的節(jié)流壓降。
1． 變頻注塑機
如圖三，該系統(tǒng)采用矢量變頻器驅(qū)動電機及定量泵，取消了傳統(tǒng)油路中的比例調(diào)速閥及比例溢流閥。油路中的調(diào)速功能由矢量變頻器直接控制電機及油泵轉(zhuǎn)速來完成，而壓力控制由壓力傳感器和變頻器的構(gòu)成閉環(huán)PID功能來完成。因此，變頻器的頻率給定信號以塑機流量及壓力信號為準(zhǔn)。另外，根據(jù)產(chǎn)品工藝及成本控制的需要，電機可選用加裝速度編碼器的普通電機或變頻專用電機。
圖三 油路系統(tǒng)原理圖
A1：油缸無桿腔活塞面積
Pb：油泵壓力
n：電動機轉(zhuǎn)速
F：工作負(fù)載
Qb：油泵流量
流量控制狀態(tài)
當(dāng)油泵流量Qb接近或達(dá)到塑機的設(shè)定值時，油路系統(tǒng)進(jìn)入流量控制狀態(tài)，變頻器的輸出頻率與塑機的流量設(shè)定值成正比。在此過程中，油泵流量Qb＝Vb×n始終與工作回路的需要相適應(yīng)，無需比例閥調(diào)速，也沒有多余流量溢出，可從根本上消除節(jié)流及溢流能量損失。
需指出的是，在傳統(tǒng)定量泵油路中（參見圖一），系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時，油泵壓力Pb必定大于工作壓力P1，它們之間需要產(chǎn)生足夠壓力差△P來驅(qū)動比例調(diào)速閥工作，這是調(diào)速閥的工作特性。而變頻注塑機是通過調(diào)節(jié)油泵轉(zhuǎn)速直接控制油泵流量，而油泵壓力Pb取決于工作負(fù)載，即Pb＝ F/A1。由此，負(fù)載需要多少流量、壓力，油泵就相應(yīng)輸出多少，實現(xiàn)了負(fù)載自適應(yīng)控制，無能量損失。
l 壓力控制狀態(tài)
如下圖四，變頻器控制系統(tǒng)配備一塊智能轉(zhuǎn)換卡，可根據(jù)注塑機壓力反饋值的大小，自動轉(zhuǎn)換塑機的流量控制及壓力控制狀態(tài)。當(dāng)油泵壓力Pb接近或達(dá)到塑機設(shè)定值時，油路油路進(jìn)入壓力控制狀態(tài)，這時仍用流量設(shè)定值來控制變頻器頻率顯然是不合適的。
變頻器將通過壓力傳感器實時監(jiān)控到這一壓力變化，并與塑機的壓力設(shè)定值做比較。當(dāng)它們差值很小時，變頻器的智能轉(zhuǎn)換卡會及時將變頻器切換到壓力控制狀態(tài)。此時，變頻器的輸出頻率將與該壓力差值成正比。因差值很小，變頻器的輸出頻率及電機轉(zhuǎn)速將迅速降低，油泵僅維持很小的流量輸出，以彌補油路中的各種泄漏損失，并通過PID功能保持系統(tǒng)壓力恒定。
圖四 變頻器智能轉(zhuǎn)換卡原理圖
1． 變量泵注塑機
目前，變量泵注塑機多采用比例變量泵作驅(qū)動元件，屬于典型的容積式調(diào)速系統(tǒng)，相比傳動定量泵注塑機有較明顯的節(jié)能效果。如圖五，該系統(tǒng)由負(fù)載敏感型比例變量柱塞泵、比例溢流閥、比例調(diào)速閥、壓力反饋閥、流量反饋閥等部分組成。
圖五 油路系統(tǒng)原理圖
A1：油缸無桿腔活塞面積 F：工作負(fù)載 P1：工作壓力 Q1：工作流量
△P：比例調(diào)速閥兩端的壓力差 Pb：油泵壓力 Qb：油泵流量 n：電動機轉(zhuǎn)速
l 流量控制狀態(tài)
系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時，油泵壓力Pb大于工作壓力P1且小于塑機設(shè)定壓力，比例溢流閥將可靠關(guān)閉。當(dāng)負(fù)載變化時，Pb與P1之間的壓力差△P會有相應(yīng)波動，并使工作流量Q1發(fā)生變化。以上變化通過流量、壓力反饋閥傳遞給變量泵的調(diào)整活塞。活塞隨之推動柱塞泵斜盤并改變油泵排量，最終穩(wěn)定泵的輸出流量Qb。由此看出，該系統(tǒng)實現(xiàn)了壓力自適應(yīng)控制，基本上沒有溢流損失，但為了控制工作流量Q1，調(diào)速閥上仍存在一定節(jié)流損失。
l 壓力控制狀態(tài)
系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時，變量柱塞泵的斜盤傾角很小，僅有少量的液壓油流過比例溢流閥，保證形成一定的系統(tǒng)壓力。通過改變比例溢流閥的輸入信號，就可以得到相應(yīng)的油泵輸出壓力。比起傳統(tǒng)定量泵注塑機，該控制方式在一定程度上減小了溢流損失。
通過以上三種控制方式的分析可以看出：
（1）傳統(tǒng)定量泵注塑機存在著相當(dāng)嚴(yán)重的能源浪費情況。據(jù)以往統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，其最高工作效率不會超過40％，對這種注塑機的節(jié)能改造勢在必行；
（2）變量泵注塑機是從液壓元件的角度出發(fā)，挖掘油路上的節(jié)能改造空間，從而提高了油路系統(tǒng)的工作效率。但受其控制方式限制，該系統(tǒng)不能完全消除節(jié)流、溢流損失。
（3）變頻注塑機從電氣控制的角度出發(fā)，從調(diào)速方式上改造傳統(tǒng)油路，利用現(xiàn)代電控系統(tǒng)精確、快速、可靠的特點，可從源頭上消除節(jié)流損失并減少溢流算損失。
二、系統(tǒng)響應(yīng)及加速過程分析
以上三種系統(tǒng)的控制方式差異較大，也決定了它們對指令的響應(yīng)速度有快有慢。下文將對此方面作出具體分析。
如圖六，比例調(diào)速閥的流量Q是由閥兩端的壓力差△P建立起來的。顯然，壓力差△P越大，其油路加速就越快。又由圖七，比例溢流閥的壓力P是隨著溢流Q的增大而提高的。由此得出結(jié)論：在同樣設(shè)定下，溢流量越多，調(diào)速閥兩端的壓力差就越大，加速也就越快。很明顯，定量泵的溢流量總會大于變量泵，其調(diào)速閥兩端的壓力差△P也要大些。所以，同樣設(shè)定下，定量泵系統(tǒng)要比變量泵系統(tǒng)加速快，承受負(fù)載的能力更強。
對變頻注塑機來說，因為比例調(diào)速閥取消，工作負(fù)載通過液壓油直接傳遞到泵體上，其系統(tǒng)加速過程主要由變頻器和電機的加速性能決定。英威騰電氣有限公司生產(chǎn)的CHV系列矢量變頻器具有輸出轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)快等特點。變頻器在PG矢量控制狀態(tài)下0轉(zhuǎn)速仍有180%的額定轉(zhuǎn)矩輸出，而變頻器完全建立額定轉(zhuǎn)矩的時間只需0.1秒。另外，矢量變頻技術(shù)的一個突出優(yōu)點就是可使電機獲得較硬的機械特性，這使電機在負(fù)載突變時仍能保持相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)我公司以往的無PG矢量變頻器在注塑機節(jié)能工程上的應(yīng)用表明，改造后的系統(tǒng)加速性能和改造前的定量泵系統(tǒng)不差上下。
由上得出，三種控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)定量泵注塑機、變頻注塑機的系統(tǒng)加速性能及承受負(fù)載能力要優(yōu)于變量泵系統(tǒng)，其產(chǎn)品成形周期也要短些。
三、節(jié)電率分析
無論是變量泵注塑機還是變頻注塑機，都是為了改變傳統(tǒng)定量泵塑機能耗大、效率低的缺點而發(fā)展起來的，因此節(jié)電率是比較兩個系統(tǒng)優(yōu)劣的至關(guān)重要的參數(shù)。若油泵的輸出流量、輸出壓力、排量、轉(zhuǎn)速分別表示為Q、P、Vb、n，則油泵的輸出功率N用公式表示為：
N = Q*P = Vb*n*P
由前面的分析可知，變量泵塑機是通過改變油泵排量Vb節(jié)省能耗，變頻注塑機則是通過改變油泵轉(zhuǎn)速n達(dá)到節(jié)能目的。
通過變頻器的閉環(huán)矢量調(diào)速功能，變頻注塑機的油泵轉(zhuǎn)速n可實現(xiàn)0到額定轉(zhuǎn)速之間線性調(diào)節(jié)范圍，尤其是在塑機待機及無動作情況下（如冷卻階段），電機及油泵轉(zhuǎn)速可降至0，基本無能耗損失。值得注意的是，油泵在低轉(zhuǎn)速時的容積效率會下降，這在一定程度上會影響了節(jié)電效果。對此，我們將通過提高變頻器低頻增益的方法來改善這種情況。而且，實際生產(chǎn)中流量低于20％的情況是極少的，所以油泵轉(zhuǎn)速也不可能出現(xiàn)過低的情況。
變量泵注塑機是通過機械裝置調(diào)整油泵排量Vb的，顯然其可調(diào)節(jié)的線性范圍有限，不能實現(xiàn)零排量輸出。且任何情況下，電機都是全速運轉(zhuǎn)，有很多無謂的能量損失。從我公司的一些塑機節(jié)能改造實例來看，對變量泵塑機進(jìn)行變頻節(jié)能改造仍會有5%～20%的節(jié)電率。由此可見，變頻注塑機的節(jié)電率要高于變量泵注塑機。
四、成本及維護保養(yǎng)分析
以下比較均以鎖模力120噸的臥式注塑機為基礎(chǔ)。
1．成本比較
控制方式 比較項目 | 定量泵注塑機 | 變量泵注塑機 | 變頻注塑機 |
油泵 | 葉片定量泵 50cc/r,16MPa ￥ | 柱塞變量泵 50cc/r,16MPa ￥ | 葉片定量泵 50cc/r,16MPa ￥ |
壓力比例閥 | 通用比例溢流閥 ebg-03-c ￥1330 | 配套比例溢流閥 ￥ | |
流量比例閥 | 通用比例調(diào)速閥 efg-03-c ￥2330 | 配套比例調(diào)速閥 ￥ | |
Y/Δ接觸器 | 三相交流接觸器（*3） ￥ | 三相交流接觸器（*3） ￥ | |
變頻器 | 矢量變頻器 英威騰15KW，PG反饋 ￥ | ||
壓力傳感器 | 液壓壓力傳感器 0～1Mpa ￥ | ||
電機 | 普通異步電機 15kw ￥ | 普通異步電機 15kw ￥ | 普通異步電機（配編碼器） ￥ 變頻專用電機（配編碼器） ￥ |
2．維護保養(yǎng)分析
控制方式 比較項目 | 定量泵注塑機 | 變量泵注塑機 | 變頻注塑機 |
啟動方式 | Y/Δ啟動，啟動電流大 電機功率因數(shù)低 對電網(wǎng)及油路沖擊大 | Y/Δ啟動，啟動電流大 電機功率因數(shù)低 對電網(wǎng)及機械沖擊大 | 變頻軟啟動，啟動電流小 改善電機功率因數(shù) 對電網(wǎng)及機械沖擊小 |
維修保養(yǎng) | 定量泵及通用比例閥 故障率低 維修成本低 | 變量泵及配套比例閥 故障率中 泵體維修費用高 | 定量泵、變頻器及比例閥 故障率中 維修費用中 |
機械元件損耗 | 電機、油泵始終全速運行 流量及壓力供應(yīng)過剩 機械元件損耗大 | 電機、油泵始終全速運行油泵排量自適應(yīng)調(diào)節(jié) 機械元件損耗中 | 電機、油泵變速及停止運行 加減速斜坡可調(diào) 機械元件損耗小 |
油溫及冷卻水 | 液壓油始終大量循環(huán) 油溫高，冷卻水消耗大 | 液壓油變量循環(huán) 油溫中，冷卻水消耗中 | 液壓油變量及停止循環(huán) 油溫低，冷卻水消耗低 |
平均噪音 | 電機及油泵運行平穩(wěn) 平均噪音中 | 油泵有機械調(diào)節(jié)裝置 平均噪音高 | 電機軟啟動 無動作時不轉(zhuǎn)動 平均噪音低 |
液壓油成本 | 對液壓油要求低 更換頻率低 | 對液壓油要求高 更換頻率高 | 對液壓油要求低 更換頻率低 |
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