匯川變頻器在注塑機上的應用

塑料用合成樹脂與合成橡膠、合成纖維三大類合成高分子新型材料，已經與鋼鐵、木材、水泥一起構成現代社會中的四大基礎材料，是信息、能源、工業、農業、交通運輸乃至宇宙空間和海洋開發等國民經濟各領域不可缺少的新型材料。塑料制品加工行業是輕工行業中近幾年發展速度較快的行業之一，隨著塑膠企業數量的增多，降低生產成本，提高產品競爭力成為許多塑料制品廠共同關心的問題。在加工成本中，電費占據了相當大的比例，而數量眾多的注塑機是耗電最多的設備，因此，對注塑機進行節能技術改造就顯得非常迫切和必要。在注塑機上推廣應用變頻器可以實現節約電能、提高生產率和產品質量，降低油污染和噪聲污染，延長機器使用壽命等優點。因此將逐步推廣使用。
1 注塑機變頻調速系統的方案
1.1注塑機的工作循環如下:
1.1.1 鎖合模:模板快速接近定模板，且確認無異物存在時，系統轉為高壓，將模板鎖合。
1.1.2 注射臺前移:噴嘴與模具緊貼。
1.1.3 注射:注射螺桿以一定的壓力和速度將料筒前端的熔料注入模腔。
1.1.4 保壓、冷卻:通過此動作，使模腔內的塑料制品冷卻成形。
1.1.5 預塑:傳統上應用液壓馬達驅動螺桿并后退，料斗中加入的塑料粒子被前推，并進行預塑。螺桿后退到預定位置，停止轉動，準備下一次注射。
1.1.6 注射臺后退，開模
1.1.7 頂出制品
　　以上這些動作在傳統的注塑機上都是以液壓系統來完成的。由油泵和不同閥門的配合產生不同的壓力方向和流量，提供油缸和液壓馬達所要求的推動力和移動速度。
　　眾所周知，油泵的輸出功率
Pt=p×Qt=p×V×n (1)
而油泵的理論轉矩:
Tt=1/2π×p×V (2)
式中p為壓力，Qt為流量，V為油泵排量(油泵每轉排出的油量)，n為油泵轉速
將(2)式代入(1)式得:
Pt=2π×Tt×n (3)
　　如果忽略機械能到液壓能轉換過程中的能量損失，則可近似認為油泵的輸出功率等于電機的輸出轉矩與電機轉速的乘積。因此可以看出，當系統要求低流量時，系統需要的功率其實是非常低的。但是實際情況卻是，由于電動機始終運行在工頻50Hz狀態上，并不能根據實際的需求來降低其轉速，從而減小流量。因此多余的液壓油只能通過比例流量閥流回油箱，造成能源的白白浪費。
　　根據以上事實，匯川技術有限公司以此為基礎，在多年的實踐應用中積累了許多寶貴經驗，提出了在注塑機械上變頻器應用的多種節能方案，并為此專門推出了MD系列帶有注塑機擴展卡的為注塑機變頻節能量身定做的專用變頻器
1.2 典型的控制方案

圖 1變頻節能電氣原理圖

圖 2 變頻器運行信號

此種方案將控制比例流量閥的電流信號同時輸入給變頻器的模擬量輸入端(AI1,GND)，通過控制油泵電機的轉速，油泵的實際流量正比于電機的轉速，油泵的輸出功率因此也正比于電機的轉速(見公式3)，起到了節能的目的。根據塑料制品和工藝要求的不同，其整體節能效果從35%至70%的范圍內不等。
從電氣原理圖1可知，工頻與變頻用SA及KM3、KM1進行電氣互鎖，確保工頻運行與變頻運行不能同時進行，保護系統安全運行；當選擇開關SA在中間位置，即在0檔時，電路不工作；SA轉至左邊，即在1檔時，KM1得電（變頻運行指示燈HL2亮），其常閉輔助觸頭先斷開，切斷工頻控制回路。KM1常開輔助觸頭后閉合，KM2得電吸合。KM1、KM2主觸頭先后閉合，接通變頻器主電路。此時如果有運行信號（見圖2：原系統星三角啟動切換完，且控制線路選擇到變頻運行，即KM2線圈得電，這時DI1-COM閉合，變頻器運行，注塑機開始工作。變頻器根據注塑機電腦板給出的及流量信號(，經內部處理后，輸出不同的頻率，調節馬達轉速，即：輸出功率與壓力和流量同步自動跟蹤控制，故可以大大減輕合模、開模的震動，穩定生產工藝、提高產品質量，減少機械故障，延長機器使用壽命。
當檢測有異常時，TA-TB斷開，切斷變頻器輸出信號及輸出回路。TA-TC后閉合，HL1故障指示燈亮。排除故障后，按故障復位鍵后，既可繼續工作。當SA轉換至右邊時，工頻運行，即與原系統工作時一樣，確保變頻器出現異常時，不影響生產。
1.3 功能代碼的設定
F0-00 0
F0-01 1
F0-02 3
F0-05 現場調整
F0-06 現場調整
F0-09 1
F0-10 9
F3-02至F3-09現場調整
變頻器相關功能端子說明及其它功能碼的設定請參見匯川的相關用戶手冊。
2 匯川注塑機用系列變頻器特點
該系列變頻器是適用于注塑機節能與自動化改造的專用變頻器，采用優良的矢量控制策略使其具有較快的動態響應，先進的電流限制技術和硬件優化設計，能保證在負載頻繁波動的情況下，變頻器不跳閘。并具有以下特點：
2.1 可靠性
完善的可靠性設計方案：如冗余設計，降額設計等，所有元器件全部采用工業或軍工等級；專業化的制作平臺，從而保證整機的可靠性。
2.2 高節電率：保留注塑機原有控制方式油路不變，采用先進的微電腦控制技術，使定量泵變為節能型變量泵，注塑機液壓系統與整機運行所需要的功率匹配，無高壓節流溢流能量之損失，提高油泵電機功率因素至0.96以上，節電率一般可達25%~65%，所有投資6~12個月便可收回。
2.2 軟啟動
相比工頻起動方式，采用變頻器控制可以減小開鎖模震動，延長模具的使用壽命，同時系統發熱量減小，油溫穩定，延長液壓系統的使用壽命，為用戶節省了維護的費用，由于運行穩定，對塑膠制品的品質穩定性有較大提高。
2.3完善的EMC設計，變頻器采用完善的EMC設計方案，內部布局優化設計，采用多種EMI對策，確保對注塑機電氣系統的干擾減小到最小，保證其工作的穩定性。
3 節能改造后的測試
總的來講，節能效果是肯定的，節電率達25%-65%，且運行穩定可靠。
3.1 工變頻對比方面：在不改變注塑機和變頻器參數的前提下作比較：射出成型品的品質方面無影響，周期在變頻工作時會慢0.3-1.2秒（變頻器功率越大，產品工況越復雜，周期就會相應的增加），在射出的穩定性和重復精度方面，變頻狀況較工頻狀態穩定，因為變頻狀況注塑機壓力油溫度可降至35-40℃左右，在此狀況下的油溫最能保證液壓執行件的重復精度和穩定性，壓力油的使用壽命也會延長，也減輕了中央運水系統的負荷，油溫較工頻狀態降低15-18℃。
3.2 增加了電力系統的裝機容量。電力系統本身預留一定的容量供用電設施激活用，工頻狀況下激活馬達是采用的星三角形降壓延時激活，此激活電流是電機額定電流的4-7倍，若多臺大功率的電機同時激活，將對電網造成很大的沖擊。為經得起激活沖擊，只有加大系統的容量，故先前的用電容量很大，而采用變頻時激活馬達屬軟起動，只需在額定電流下就可以激活，且起動平滑無沖擊，這樣可以減小激活時對馬達和電網的沖擊，從另外的角度來講可以算是增加了系統的裝機容量。
3.3變頻狀態下工作時有很強的保護功能。變頻器的保護可從以下三個方面去認識：第一，可以保護變頻器本身；第二，可以保護馬達；第三，保護注塑機免受錯誤操作。在此保護功能下，可以保證注塑機在標準的系統壓力和系統速度下工作，若所執行的動作需要的壓力和速度超過系統壓力和速度，此時變頻器就將進入保護狀態，比如：未到熔融溫度強行熔膠，因注塑機過負載工作，變頻器就會通過恒速過電流進行保護，若是工頻狀態下，注塑機可以借助強大的動力，扭斷火箭頭、炮筒、螺桿或者損壞熔膠液壓馬達。又比如超過140bar的鎖模壓力強行高壓鎖模，變頻器會對超過140bar的鎖模力的執行動作進行保護，也會出現恒速過電流，工頻時其鎖模力還可大幅度地提高，這樣機械系統將會受到致命的打擊。若保證所有執行動作所需的壓力和速度都在標準的系統壓力和速度之內，變頻器也就不會頻繁保護，對注塑機本身也有很大的好處。
4 結束語
匯川技術代表未來變頻器發展方向的新一代矢量型、模塊化高性能變頻器，在對客戶需求的合理細分基礎上，推出的為客戶量身定做注塑機專用變頻器，以其優異的性能獲得了客戶的青睞。在經濟高速發展用電矛盾突出的今天，匯川的MD系列專用變頻器不但為客戶創造了明顯的經濟效益，同時也帶來巨大的社會意義。