HL3000注塑機(jī)專用變頻器
1、引言
塑料機(jī)械是塑料工業(yè)發(fā)展的重要支柱，它為塑料行業(yè)提供了先進(jìn)的技術(shù)裝備，它的發(fā)展是塑料工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也受塑料工業(yè)發(fā)展的影響。從世界范圍看，塑料機(jī)械的三大類品種依次是注塑機(jī)、擠出機(jī)：擠出生產(chǎn)線和吹塑機(jī)，它們占了塑料機(jī)械總產(chǎn)值的80%以上，其中注塑機(jī)占這三類機(jī)械總和的一半以上。筆者從切身經(jīng)歷就注塑機(jī)的變頻運(yùn)行，從其特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用作一個(gè)簡(jiǎn)介。
2、注塑機(jī)系統(tǒng)工作簡(jiǎn)介
要作好注塑機(jī)變頻器得首先從注塑說起。注塑過程一般分為以下步驟：鎖模→注射保壓→熔膠加料→冷卻定型→開模頂針。每一動(dòng)作的完成都有時(shí)間、壓力、速度、位置等幾個(gè)參數(shù)的精妙配合，也就是說在某一位置的位移都有相應(yīng)的壓力和速度，且在不同的位置和時(shí)間內(nèi)其壓力和速度都是可變的。同時(shí)每一動(dòng)作完成后發(fā)出終止信號(hào)傳送給程序控制器，程序控制器收到信號(hào)后才發(fā)出執(zhí)行下一動(dòng)作的指令。此外注塑機(jī)系統(tǒng)本身還存在一些弱點(diǎn)：第一、注塑機(jī)動(dòng)作內(nèi)部有著十分劇烈的突變過程：如鎖模過程中，快速鎖模→慢速低壓護(hù)模→高壓高速鎖模的工況突變就很劇烈的；又如注射過程中，慢速注射→快速→慢速→快速→慢速的射膠過程工況也是很劇烈的，對(duì)機(jī)器的沖擊都十分的大，影響了整個(gè)注塑系統(tǒng)的壽命。第二、動(dòng)作油路制動(dòng)達(dá)不到設(shè)計(jì)的精度，油路制動(dòng)的開閉取決于電磁閥，而電磁閥的動(dòng)作又取決于過程控制器提供的電壓和電流，因大多數(shù)注塑機(jī)都沒有死循環(huán)控制，閥的開閉精度就會(huì)大打折扣，尤其是閥的開閉程度在10%以下和90%以上時(shí)，動(dòng)作的重復(fù)精度和穩(wěn)定性都是極差的，某一動(dòng)作在此狀態(tài)下被執(zhí)行很難保證其穩(wěn)定性和重復(fù)精度。第三、執(zhí)行動(dòng)作的油缸本身有油封破損，有內(nèi)泄現(xiàn)象，執(zhí)行動(dòng)作的可靠性和穩(wěn)定性不高。這是由于多數(shù)時(shí)間內(nèi)，負(fù)載的實(shí)際耗油量均小于油泵的供油量，造成高壓狀態(tài)下的液壓油部分經(jīng)溢流閥、比例閥等液壓元件溢出。該溢流部分不僅未作任何有用功，而且產(chǎn)生熱量，造成液壓油發(fā)熱，既耗能，又有害。采用注塑機(jī)的變頻運(yùn)行，就能很好的解決這些問題，既提高了整個(gè)注塑系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，減少了巨大的機(jī)械沖擊，延長了系統(tǒng)使用壽命，又能夠節(jié)約大量的電能。
3、注塑機(jī)的變頻運(yùn)行：
3.1、 變頻運(yùn)行節(jié)能的基本原理
傳統(tǒng)的注塑機(jī)是采用定量泵供油的，注塑過程的各個(gè)動(dòng)作對(duì)速度、壓力的要求也不一樣，它是通過注塑機(jī)的比例閥采用溢流調(diào)節(jié)的方式將多余的油旁路流回油箱，在整個(gè)過程中，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速是不變的，故供油量也是固定的，而由于執(zhí)行動(dòng)作是間隙性的，也并不可能是滿負(fù)載的，因此定量供油就有很大的浪費(fèi)空間，據(jù)實(shí)測(cè)至少有50%左右。變頻節(jié)能正是針對(duì)這一浪費(fèi)空間，根據(jù)注塑機(jī)發(fā)出的各個(gè)動(dòng)作信號(hào)，適時(shí)適量調(diào)整各個(gè)動(dòng)作所需的馬達(dá)轉(zhuǎn)速(即流量調(diào)節(jié))，讓泵出的油量剛好能滿足動(dòng)作的需要，而在非動(dòng)作狀態(tài)時(shí)讓馬達(dá)停止下來，這樣節(jié)能空間就進(jìn)一步地增大了，故對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造能夠帶來巨大的節(jié)能效果。
塑料機(jī)械是塑料工業(yè)發(fā)展的重要支柱，它為塑料行業(yè)提供了先進(jìn)的技術(shù)裝備，它的發(fā)展是塑料工業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)，也受塑料工業(yè)發(fā)展的影響。從世界范圍看，塑料機(jī)械的三大類品種依次是注塑機(jī)、擠出機(jī)：擠出生產(chǎn)線和吹塑機(jī)，它們占了塑料機(jī)械總產(chǎn)值的80%以上，其中注塑機(jī)占這三類機(jī)械總和的一半以上。筆者從切身經(jīng)歷就注塑機(jī)的變頻運(yùn)行，從其特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用作一個(gè)簡(jiǎn)介。
2、注塑機(jī)系統(tǒng)工作簡(jiǎn)介
要作好注塑機(jī)變頻器得首先從注塑說起。注塑過程一般分為以下步驟：鎖模→注射保壓→熔膠加料→冷卻定型→開模頂針。每一動(dòng)作的完成都有時(shí)間、壓力、速度、位置等幾個(gè)參數(shù)的精妙配合，也就是說在某一位置的位移都有相應(yīng)的壓力和速度，且在不同的位置和時(shí)間內(nèi)其壓力和速度都是可變的。同時(shí)每一動(dòng)作完成后發(fā)出終止信號(hào)傳送給程序控制器，程序控制器收到信號(hào)后才發(fā)出執(zhí)行下一動(dòng)作的指令。此外注塑機(jī)系統(tǒng)本身還存在一些弱點(diǎn)：第一、注塑機(jī)動(dòng)作內(nèi)部有著十分劇烈的突變過程：如鎖模過程中，快速鎖模→慢速低壓護(hù)模→高壓高速鎖模的工況突變就很劇烈的；又如注射過程中，慢速注射→快速→慢速→快速→慢速的射膠過程工況也是很劇烈的，對(duì)機(jī)器的沖擊都十分的大，影響了整個(gè)注塑系統(tǒng)的壽命。第二、動(dòng)作油路制動(dòng)達(dá)不到設(shè)計(jì)的精度，油路制動(dòng)的開閉取決于電磁閥，而電磁閥的動(dòng)作又取決于過程控制器提供的電壓和電流，因大多數(shù)注塑機(jī)都沒有死循環(huán)控制，閥的開閉精度就會(huì)大打折扣，尤其是閥的開閉程度在10%以下和90%以上時(shí)，動(dòng)作的重復(fù)精度和穩(wěn)定性都是極差的，某一動(dòng)作在此狀態(tài)下被執(zhí)行很難保證其穩(wěn)定性和重復(fù)精度。第三、執(zhí)行動(dòng)作的油缸本身有油封破損，有內(nèi)泄現(xiàn)象，執(zhí)行動(dòng)作的可靠性和穩(wěn)定性不高。這是由于多數(shù)時(shí)間內(nèi)，負(fù)載的實(shí)際耗油量均小于油泵的供油量，造成高壓狀態(tài)下的液壓油部分經(jīng)溢流閥、比例閥等液壓元件溢出。該溢流部分不僅未作任何有用功，而且產(chǎn)生熱量，造成液壓油發(fā)熱，既耗能，又有害。采用注塑機(jī)的變頻運(yùn)行，就能很好的解決這些問題，既提高了整個(gè)注塑系統(tǒng)的精度和穩(wěn)定性，減少了巨大的機(jī)械沖擊，延長了系統(tǒng)使用壽命，又能夠節(jié)約大量的電能。
3、注塑機(jī)的變頻運(yùn)行：
3.1、 變頻運(yùn)行節(jié)能的基本原理
傳統(tǒng)的注塑機(jī)是采用定量泵供油的，注塑過程的各個(gè)動(dòng)作對(duì)速度、壓力的要求也不一樣，它是通過注塑機(jī)的比例閥采用溢流調(diào)節(jié)的方式將多余的油旁路流回油箱，在整個(gè)過程中，馬達(dá)的轉(zhuǎn)速是不變的，故供油量也是固定的，而由于執(zhí)行動(dòng)作是間隙性的，也并不可能是滿負(fù)載的，因此定量供油就有很大的浪費(fèi)空間，據(jù)實(shí)測(cè)至少有50%左右。變頻節(jié)能正是針對(duì)這一浪費(fèi)空間，根據(jù)注塑機(jī)發(fā)出的各個(gè)動(dòng)作信號(hào)，適時(shí)適量調(diào)整各個(gè)動(dòng)作所需的馬達(dá)轉(zhuǎn)速(即流量調(diào)節(jié))，讓泵出的油量剛好能滿足動(dòng)作的需要，而在非動(dòng)作狀態(tài)時(shí)讓馬達(dá)停止下來，這樣節(jié)能空間就進(jìn)一步地增大了，故對(duì)注塑機(jī)進(jìn)行節(jié)能改造能夠帶來巨大的節(jié)能效果。
3.2、HL3000系列注塑機(jī)專用變頻器的現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行
3.2.3、 變頻器的安裝：
HL3000系列注塑機(jī)專用變頻器采用柜式結(jié)構(gòu)。所以安裝十分簡(jiǎn)單，除了通常的三根線輸入、三根線輸出以外，變頻器的接地也十分重要，必須安全可靠。注塑機(jī)的流量信號(hào)、壓力信號(hào)需接至變頻器內(nèi)部的（0～1A）專用信號(hào)接口。
3.2.4、變頻器的調(diào)試：
(1) 加減速時(shí)間的設(shè)置：變頻器為了滿足節(jié)能的目的，控制馬達(dá)隨反饋量的變化適時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因其加減速必須有一定的時(shí)間，若加速時(shí)間設(shè)定過長，會(huì)影響動(dòng)作的響應(yīng)速度，導(dǎo)致某些動(dòng)作緩慢甚至無法完成；加速時(shí)間過短，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)加速時(shí)過電流等，變頻器就可能會(huì)頻繁地進(jìn)行過載保護(hù)，故此時(shí)間的設(shè)置應(yīng)適當(dāng)才能保證變頻器的正常使用，又不至于影響生產(chǎn)。減速時(shí)間的設(shè)定也是如此，過長會(huì)影響動(dòng)作響應(yīng)及節(jié)能效果；過短會(huì)出現(xiàn)直流母線過電壓、過電流，變頻器同樣會(huì)進(jìn)行保護(hù)。華藍(lán)變頻器的加減速時(shí)間設(shè)定范圍寬，從0.1～999.9秒之間可任意設(shè)置，調(diào)試人員可根據(jù)具體的工況設(shè)置，如有特殊工況可采用能耗制動(dòng)。
(2) 過載保護(hù)是變頻器的一項(xiàng)基本功能，過載能力的高低直接影響到注塑生產(chǎn)的連續(xù)性。一般來講，過載保護(hù)是衡量變頻器可靠性的重要指標(biāo)，過載能力的強(qiáng)弱與允許過載的時(shí)間和允許過載的百分比有關(guān)，呈反時(shí)限特征。一般的通用變頻器的過載保護(hù)設(shè)置為150% 1分鐘。而華藍(lán)注塑機(jī)專用變頻器的過載能力強(qiáng)，其過流保護(hù)拓寬到額定電流的180% 1分鐘；短路保護(hù)電流也設(shè)計(jì)為額定電流的300%。
(3) 過壓失速的功能選擇和過壓保護(hù)也是變頻器的一個(gè)保護(hù)功能，若選擇設(shè)定不當(dāng)會(huì)影響正常生產(chǎn)。這主要是因?yàn)樽冾l器在減速運(yùn)行過程中由于負(fù)載慣性的作用，會(huì)出現(xiàn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于變頻器輸出同步速度的情況，此時(shí)電機(jī)向變頻器回饋電能，造成變頻器直流母線電壓升高，華藍(lán)變頻器由于其內(nèi)部采用自激式開關(guān)電源，工作電壓范圍寬，為額定電壓的±20%，當(dāng)然由于電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)所回饋的能量也只有超過額定工作直流電壓的20%以后才會(huì)過壓保護(hù)。
以上這些功能參數(shù)的選擇和設(shè)定直接影響到變頻器本身的性能及與注塑工況的匹配性，若選擇或設(shè)定不當(dāng)，變頻器就可能處于頻繁的保護(hù)，注塑機(jī)的正常生產(chǎn)就會(huì)受到影響。除此之外，HL3000 系列變頻器還有一些特點(diǎn)：（1）采用西門子第三代大功率模塊IGBT作為主要控制器件。16位電機(jī)專用微電腦處理器，采用最新的空間電壓矢量調(diào)制方式（SVPWM）以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，噪音小，低速高轉(zhuǎn)矩輸出。（2）采用先進(jìn)的載波頻率隨機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，（即：在啟動(dòng)時(shí)，變頻器采用低載波頻率高轉(zhuǎn)矩輸出，在運(yùn)行過程中則采用高載波頻率靜音化運(yùn)行，當(dāng)工作溫度變高時(shí)則降低載波頻率以減少開關(guān)器件的損耗）從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)最優(yōu)運(yùn)行。（3）外控端口，可實(shí)現(xiàn)軟件編程，功能齊全，提高了廣泛的適用性。（4）保護(hù)功能齊全，其中短路保護(hù)采用Vce電壓檢測(cè)短路保護(hù)+電流超值短路保護(hù)，雙重保護(hù)更加可靠。（5）具有先進(jìn)的注塑機(jī)專用輸入接口（0～1A）（即：流量信號(hào)、壓力信號(hào)），可實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)跟蹤控制，操作極為方便。（6）工變頻轉(zhuǎn)換靈活，為了確保生產(chǎn)的長期正常運(yùn)行，原有的工頻運(yùn)行不變，在HL3000系列注塑機(jī)專用變頻器的控制柜上可以方便的相互切換。這些特點(diǎn)都對(duì)注塑機(jī)有很大的好處。
4、市場(chǎng)前景分析：
隨著塑料制品的廣泛應(yīng)用及其產(chǎn)量的迅猛增長，塑料機(jī)械已成為建材、包裝、電子電氣、汽車、石化、機(jī)械等行業(yè)的重要技術(shù)裝備，需求量激增，塑機(jī)行業(yè)已成為21世紀(jì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的朝陽產(chǎn)業(yè)隨著我國塑料工業(yè)的發(fā)展，塑料機(jī)械工業(yè)近幾年來的增長率都在30％左右，是增長最快的產(chǎn)業(yè)之一。2001年我國塑機(jī)行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值81億元，利潤5.9億元，利潤率增長遠(yuǎn)高于工業(yè)總產(chǎn)值的增長。2001年塑機(jī)工業(yè)總產(chǎn)值為1995年的2.3倍，而利潤率則為1995年的4.5倍。在全國機(jī)械工業(yè)的194個(gè)行業(yè)中，塑機(jī)行業(yè)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均居前列。
塑料加工工業(yè)良好的發(fā)展前景仍將是我國塑料機(jī)械制造工業(yè)高速發(fā)展的源動(dòng)力，預(yù)計(jì)2001-2010年，我國對(duì)塑料機(jī)械需求量的年均增長率為6%左右，預(yù)計(jì)至2010年為145億元。也就是說，我國塑機(jī)行業(yè)的發(fā)展?jié)摿艽螅髣藕茏恪Ｔ谖覈芰瞎I(yè)長遠(yuǎn)規(guī)劃中，2000-2005年塑料制品的年均增長率約為10%，2006-2015年的年均增長率將達(dá)到8%。即到2005年塑料制品的產(chǎn)量將達(dá)到2500萬噸，預(yù)計(jì)2015年塑料制品總產(chǎn)量翻一番，達(dá)到5000萬噸。
HL3000系列注塑機(jī)專用變頻器采用柜式結(jié)構(gòu)。所以安裝十分簡(jiǎn)單，除了通常的三根線輸入、三根線輸出以外，變頻器的接地也十分重要，必須安全可靠。注塑機(jī)的流量信號(hào)、壓力信號(hào)需接至變頻器內(nèi)部的（0～1A）專用信號(hào)接口。
3.2.4、變頻器的調(diào)試：
(1) 加減速時(shí)間的設(shè)置：變頻器為了滿足節(jié)能的目的，控制馬達(dá)隨反饋量的變化適時(shí)調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速。因其加減速必須有一定的時(shí)間，若加速時(shí)間設(shè)定過長，會(huì)影響動(dòng)作的響應(yīng)速度，導(dǎo)致某些動(dòng)作緩慢甚至無法完成；加速時(shí)間過短，會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)加速時(shí)過電流等，變頻器就可能會(huì)頻繁地進(jìn)行過載保護(hù)，故此時(shí)間的設(shè)置應(yīng)適當(dāng)才能保證變頻器的正常使用，又不至于影響生產(chǎn)。減速時(shí)間的設(shè)定也是如此，過長會(huì)影響動(dòng)作響應(yīng)及節(jié)能效果；過短會(huì)出現(xiàn)直流母線過電壓、過電流，變頻器同樣會(huì)進(jìn)行保護(hù)。華藍(lán)變頻器的加減速時(shí)間設(shè)定范圍寬，從0.1～999.9秒之間可任意設(shè)置，調(diào)試人員可根據(jù)具體的工況設(shè)置，如有特殊工況可采用能耗制動(dòng)。
(2) 過載保護(hù)是變頻器的一項(xiàng)基本功能，過載能力的高低直接影響到注塑生產(chǎn)的連續(xù)性。一般來講，過載保護(hù)是衡量變頻器可靠性的重要指標(biāo)，過載能力的強(qiáng)弱與允許過載的時(shí)間和允許過載的百分比有關(guān)，呈反時(shí)限特征。一般的通用變頻器的過載保護(hù)設(shè)置為150% 1分鐘。而華藍(lán)注塑機(jī)專用變頻器的過載能力強(qiáng)，其過流保護(hù)拓寬到額定電流的180% 1分鐘；短路保護(hù)電流也設(shè)計(jì)為額定電流的300%。
(3) 過壓失速的功能選擇和過壓保護(hù)也是變頻器的一個(gè)保護(hù)功能，若選擇設(shè)定不當(dāng)會(huì)影響正常生產(chǎn)。這主要是因?yàn)樽冾l器在減速運(yùn)行過程中由于負(fù)載慣性的作用，會(huì)出現(xiàn)電機(jī)的實(shí)際轉(zhuǎn)速高于變頻器輸出同步速度的情況，此時(shí)電機(jī)向變頻器回饋電能，造成變頻器直流母線電壓升高，華藍(lán)變頻器由于其內(nèi)部采用自激式開關(guān)電源，工作電壓范圍寬，為額定電壓的±20%，當(dāng)然由于電機(jī)處于發(fā)電狀態(tài)所回饋的能量也只有超過額定工作直流電壓的20%以后才會(huì)過壓保護(hù)。
以上這些功能參數(shù)的選擇和設(shè)定直接影響到變頻器本身的性能及與注塑工況的匹配性，若選擇或設(shè)定不當(dāng)，變頻器就可能處于頻繁的保護(hù)，注塑機(jī)的正常生產(chǎn)就會(huì)受到影響。除此之外，HL3000 系列變頻器還有一些特點(diǎn)：（1）采用西門子第三代大功率模塊IGBT作為主要控制器件。16位電機(jī)專用微電腦處理器，采用最新的空間電壓矢量調(diào)制方式（SVPWM）以實(shí)現(xiàn)對(duì)電機(jī)的精確控制，噪音小，低速高轉(zhuǎn)矩輸出。（2）采用先進(jìn)的載波頻率隨機(jī)自動(dòng)調(diào)節(jié)方式，（即：在啟動(dòng)時(shí)，變頻器采用低載波頻率高轉(zhuǎn)矩輸出，在運(yùn)行過程中則采用高載波頻率靜音化運(yùn)行，當(dāng)工作溫度變高時(shí)則降低載波頻率以減少開關(guān)器件的損耗）從而實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)最優(yōu)運(yùn)行。（3）外控端口，可實(shí)現(xiàn)軟件編程，功能齊全，提高了廣泛的適用性。（4）保護(hù)功能齊全，其中短路保護(hù)采用Vce電壓檢測(cè)短路保護(hù)+電流超值短路保護(hù)，雙重保護(hù)更加可靠。（5）具有先進(jìn)的注塑機(jī)專用輸入接口（0～1A）（即：流量信號(hào)、壓力信號(hào)），可實(shí)現(xiàn)全程自動(dòng)跟蹤控制，操作極為方便。（6）工變頻轉(zhuǎn)換靈活，為了確保生產(chǎn)的長期正常運(yùn)行，原有的工頻運(yùn)行不變，在HL3000系列注塑機(jī)專用變頻器的控制柜上可以方便的相互切換。這些特點(diǎn)都對(duì)注塑機(jī)有很大的好處。
4、市場(chǎng)前景分析：
隨著塑料制品的廣泛應(yīng)用及其產(chǎn)量的迅猛增長，塑料機(jī)械已成為建材、包裝、電子電氣、汽車、石化、機(jī)械等行業(yè)的重要技術(shù)裝備，需求量激增，塑機(jī)行業(yè)已成為21世紀(jì)我國經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的朝陽產(chǎn)業(yè)隨著我國塑料工業(yè)的發(fā)展，塑料機(jī)械工業(yè)近幾年來的增長率都在30％左右，是增長最快的產(chǎn)業(yè)之一。2001年我國塑機(jī)行業(yè)工業(yè)總產(chǎn)值81億元，利潤5.9億元，利潤率增長遠(yuǎn)高于工業(yè)總產(chǎn)值的增長。2001年塑機(jī)工業(yè)總產(chǎn)值為1995年的2.3倍，而利潤率則為1995年的4.5倍。在全國機(jī)械工業(yè)的194個(gè)行業(yè)中，塑機(jī)行業(yè)的主要經(jīng)濟(jì)指標(biāo)均居前列。
塑料加工工業(yè)良好的發(fā)展前景仍將是我國塑料機(jī)械制造工業(yè)高速發(fā)展的源動(dòng)力，預(yù)計(jì)2001-2010年，我國對(duì)塑料機(jī)械需求量的年均增長率為6%左右，預(yù)計(jì)至2010年為145億元。也就是說，我國塑機(jī)行業(yè)的發(fā)展?jié)摿艽螅髣藕茏恪Ｔ谖覈芰瞎I(yè)長遠(yuǎn)規(guī)劃中，2000-2005年塑料制品的年均增長率約為10%，2006-2015年的年均增長率將達(dá)到8%。即到2005年塑料制品的產(chǎn)量將達(dá)到2500萬噸，預(yù)計(jì)2015年塑料制品總產(chǎn)量翻一番，達(dá)到5000萬噸。
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