注塑機行業變頻器改造應用指南

分類：技術教程日期：2007-01-16 00:00:00

目　錄
前言
第一章：注塑機變頻器改造節能原理
一：注塑機工作過程
二：注塑機變頻器系統的節電分析
三：注塑機變頻改造必要性
第二章：變頻器在注塑機行業的改造方式
一：注塑機專用變頻器特點
二：注塑機變頻改造接線方式
三：變頻器的調試
第三章：變頻器改造后的常見問題及解決方案
一：生產效率問題
二：信號干擾
三：溫度信號受干擾的問題
四：注塑機電機的振動問題
五：電機發熱的問題
六：高次諧波問題
七：工，變頻控制系統
第四章：成功案例及測試數據
結束語
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注塑機作為現代高分子材料的成型設備，廣泛應用于各種熱塑性塑料（聚苯已烯、乙烯、聚丙烯、尼龍、ABC、聚碳酸酯等）、工程塑料的注射成型加工。自五十年代螺桿式注塑機問世以來，至今已有五十年的歷史。縱觀這幾十年注塑機的發展，精密化、高速化、環保節能化仍是當前注塑機發展的主要內容。精密化主要體現在注塑機控制系統的改善方面，高速化的發展主要表現在液壓控制系統的改善方面。
長期追求精密化和高速化的注塑機設計，導致注塑機的能耗的日益增大，因此對于塑料制品行業來說，電耗是其生產成本的主要部分。近年來，一些國內外注塑機制造廠紛紛推出了各式節能型注塑機，包括變量泵注塑機﹑全電動注塑機等等，但由于制造工藝復雜﹑對使用條件要求高和設備價格昂貴等種種原因，在市場上銷售數量不多。對于絕大多數生產廠家使用的定量泵注塑機來說，采用新技術進行節能改造更具有實際意義。經過多年的實踐積累，這個重擔落在了交流變頻調速技術上。
前言
第一章：注塑機變頻器改造節能原理
一：注塑機工作過程
注塑機的工作過程有提壓、加熱、合模、射膠、保壓、開模等環節。
提壓的目的是升高油泵站的壓力，此時要求油泵電動機高速運轉，從而使油壓快速升高，達到要求的工作壓力；同時加熱系統起動，使塑料填料快速熔化。合模則是為塑壓工件提供射膠容腔，其合模力大小直接影響工件尺寸精度和表面光度。射膠過程是工件塑壓的中心環節，其射膠量大小由射膠壓力和射膠時間決定。射膠之后，則要冷卻保壓，即，使工件在規定壓力下冷卻固化，固化保壓時間由控制單元決定。保壓過程要求油泵壓力較低，因此油泵電動機轉速可以很低甚至停轉。注塑機工作過程的最后一個環節是開模取出工件。
由此可見，注塑機的動力源即為油泵電動機，由于注塑機工作過程中所需的油泵壓力高低變化頻繁，而傳統注塑機在低壓維持過程的處理方式是能耗降速、切斷電機電源或瀉壓，系統故障率高，電能的損失非常嚴重，尤其是工頻起動時電流很大，不但浪費電能，系統沖擊也很大。造成電網容量的增加。采用變頻控制或變頻改造注塑機可以很好的解決以上問題。
二：注塑機變頻器系統的節電分析
油泵是注塑機工作的動力來源，利用變頻器對油泵進行控制，主要通過對其流量的控制而有效的節能，這是變頻器最廣泛的一種應用。油泵是一種平方轉矩負載，其轉速 n與流量Q、壓力P及泵的軸功率E的關系如下式所示：Q1/ Q2 ＝n1 /n2； P1／P2 ＝ (n1 /n2 )^2； E1／E2 ＝(n1 /n2 )^3 上式表明，泵的流量與其轉速成正比，泵的壓力與其轉速的平方成正比，泵的軸功率與其轉速的立方成正比。由上面的公式可以看出當壓力下降時，油泵功率呈平方關系下降。對于加熱，保壓，開模過程中壓力并不是滿負荷，電機處于較低轉速即可提供適量的壓力，而此時電機消耗的功率會明顯降低。舉例說明：假設保壓時需要壓力為滿負荷的50％，此時消耗的功率為滿負荷的35％。所以注塑機使用變頻器改造后會有很高的節電率。
使用變頻器后和原注塑機功率消耗比較圖

三：注塑機變頻改造必要性
變量泵型注塑機也節能型注塑機的一種，但是其節電率相對較低。下面就其工作原理進行分析：變量泵與標準定量泵的主要區別是輸出功率不同，變量泵的輸出功率是隨負載的變化而變化，而定量泵的輸出功率相對恒定，在小流量動作情況下，變量泵的輸出功率很低，而定量泵的輸出功率基本恒定。變量泵的工作原理：在轉速不變的情況下，通過改變斜盤與傳動軸的夾角使柱塞和的軸向移動距離發生變化，從而改變排量，同時電機負載也會隨著斜盤的斜度而改變，達到省電的目的。所以變量泵型注塑機在無流量信號時還是存在較高的空載電流，而且維護費用，改造費用較高。而變頻器型注塑機不存在該現象，由于泵類負載的特性，采用變頻技術改造后，節能效果十分顯著。另外，使用變頻調速技術大大減小了注塑機油泵電機的無功損耗，提高電機的功率因素，降低了線路損耗，從而提高了工廠的供電效率，從而達到節能的目的，對于一些供電容量緊張的企業，甚至可以免去昂貴的增容費；油泵電機實現軟起動，減少了機械沖擊。可以說變頻器型注塑機是節能型變量泵注塑機。綜上所訴，三種注塑機比較結果如下。
定（變）量泵注塑機和變頻節能器控制注塑機性能對照表：

名稱	定量泵注塑機	變頻節能注塑機	變量泵注塑機
工作特點	電機轉速恒定，油泵的泵油量恒定，多余的壓力油通過溢流閥回流浪費	調整頻率進而控制電機轉速，使油泵泵油量改變，實現根本性的節能	電機轉速恒定，油泵的泵油量改變。
電機功率補償	無	有	無
電機啟動電流	大	小	大
電網適應性	常規	強	常規
過載保護	常規	好	常規
空載時噪音	有	無	有
滿載時噪音	稍大	一般	稍大
對液壓油的要求	常規	常規	較高
空載電流	有	無	有
液壓油溫度	常規	降低 10—15 ℃	常規
維護費用	一般	一般	高
節電效果	無	30%～65%	一般

第二章：變頻器在注塑機行業的改造方式
惠豐電子有限公司特別推出注塑機一體機專用變頻器ZS2000系列，可對原注塑機動力系統進行變頻改造。變頻器內置2路電流/電壓霍爾傳感模擬輸入口（0～2A或0～10V），提供控制信號與輸出頻率之間的曲線設定和超強的過載能力，使之較通用變頻器更加適用于注塑機工作的特性，可與各種注塑機中使用的油泵馬達進行最佳的匹配，保持高效節能運行，提高改造后注塑機的動態響應速度。
為提高系統工作的可靠性，注塑機一體系統（ZS2000）還保留了原有的工頻控制模式，使得用戶可以根據實際需要，靈活地在變頻與工頻之間自由轉換。
一：注塑機專用變頻器特點
2．1．1．強化電磁兼容（EMC）設計，整機的抗干擾能力得到大大加強。
本公司所用關鍵元器件均采用國際、國內知名專業功率電子專業生產廠家出品的優質產品，
產品均有先進的生產工藝保證其一致性、可靠性.
強化的EMC，EMI設計，增強了設備的穩定性。
2.1.2．功能豐富，適應性強。
隔離型雙通道模擬量輸入通道，可單獨使用，控制靈活，亦可由用戶自由設定為加權比例控制等；具有模擬量輸入輸出補償功能，可以自由設置輸入輸出模擬量調節范圍（及量程補償）；提供豐富多樣的補償方法和補償參數，如轉差補償、電流補償、直流制動、電流電壓顯示、定時操作等功能，操作使用極為方便。
ZS系列變頻器內置模擬量輸入隔離電路、10V備用電源，抗干擾性強。
全程失速調節、端子功能定義等，使ZS系列產品的使用更加方便。
信號采樣板可以采集一路或兩路信號，可以設置為取最大值采樣，也可以利用加權比共同控制。
二：注塑機變頻改造接線方式
2．2．1主回路接線。惠豐變頻器ZS系列安裝簡單,方便。只須將三相輸入線(電源至變頻器連接線)接在變頻器端子R,S,T上。三相輸出線(變頻器至電機連接線)接U,V,W。接地線接PE端子，接地線截面積不小于功率線的2／3，接地電阻不能大于10歐姆。主回路接線示意圖如下。

原注塑機控制系統圖

改造后的電氣接線圖
2．2．2信號線接線。將流量，壓力比例電磁閥的控制電流信號，串接在信號采樣板上，即可實現變頻器跟隨注塑機所需的壓力而自動調速的目的。下圖所示為霍爾傳感器使用的接線圖（圖2－1）。

圖2－1
客戶接線說明：注塑機上流量閥電流信號經I1+輸入，I1-輸出。壓力閥電流信號經I2+輸入，I2-輸出。如果只有一個信號輸入則由當前輸入信號控制頻率。如果有兩路信號控制，則由兩路信號設定的加權比來決定頻率的高低。
流量信號，壓力信號采樣點及改造方式見圖2－2，圖2－3．

2.2.3 控制線的接入
因注塑機多為改造設備需要與原設備配合。所以預留了OP2,OP3端子（啟動信號控制端子）為方向控制端子，需要接注塑機主電機馬達控制接觸器的三角形切換接觸器上的一組獨立的常開觸點對啟動信號進行控制。（即：保證馬達接觸完全后才可以啟動變頻器）
三：變頻器的調試
　2.3.1 控制方式設定。接線完成，檢查無誤后給變頻器供電，進行控制方式設定。
根據注塑機的特性設置為端子控制，模擬量調速方式。
2.3.2 加減速時間的設置。加減速時間的設定可以更好的保證您的生產效率和節電率。推薦時間如下：

變頻器功率	11／15KW	18.5／22KW	30－５５KW	75KW
加速時間（S）	1	1.5	2	2
減速時間（S）	1.5	2	2.5	3

　2.3.4 信號參數的調整。
在使用時我們將信號采樣器串接到比例流量，壓力控制回路中，通過霍爾傳感器檢測輸入電流信號并輸出0－10V的實時電壓信號（對應于０－2A信號輸入）。
因此對于０－１A，０－２A電流信號輸入的注塑機需要修改模擬量上限參數（F801）。即０－１A電流信號輸入時，模擬量上限為5V。０－２A輸入時模擬量上限為10V。

2.3.5變頻器試運行。以上步驟完成后可以進行變頻器試運行。控制流量，壓力閥給變頻器0.1A左右的信號，此時變頻器運行在５HZ左右，觀察電機的轉向。如果反轉請調整變頻器參數或調整電機接線。
2.3.6變頻器運行及整機參數配合。變頻器轉向正確后可以開始運行試機，觀測整個工藝過程中各個工藝階段的壓力，速度，時間。如果時間較長則應修改工藝適當提高壓力或流量或稍微降低加，減速時間。注意不能無限制降低，那樣變頻器會頻繁保護影響正常使用。如果壓力或速度跟不上可以適當降低模擬量上限的電壓值。
2.3.7參數的記錄。變頻器調試正常后，應該把該模具加工時各工藝段的數據記錄下來，以便其他人參考使用。更換模具時，出現時間和工藝不匹配現象請技術人員修改并記錄數據。
具體參數設置：
ZS2000系列出廠為注塑機專用參數，只需要調整加減速時間及模擬量上限即可。
端子接線需要接OP1與CM（方向信號），I1+，I1-電流信號。
如果采用電壓信號控制需將控制板上J2，J3插接件改為IN－V輸入模式。同時模擬量輸入上限變為１０V。

如有異常請按以下參數設置。（有兩種控制方式）
（一）１．F200=1,F208=0
２．F204=3
3．F408=13(正轉.如果設為反轉將F408設為14)
建議:更改電機運行方向時通過調整電機接線實現，因為F408的出廠值定義為正轉，恢復出廠時參數直接變更為13．
４．F800,F801用于調整模擬量的上下限.
端子接線：
OP1作為運行命令的給定可直接和ＣＭ短接，上電變頻器直接運行．
（二）
１。F204＝3，F139＝1。
２．F114，F115根據現場情況決定加減速時間。
３．F207根據電機轉向決定是否更改，0為正向，１為反向。
４．根據實際情況決定模擬量輸入偏移量F801，模擬量輸入下限F800。
５．如果客戶需要底線頻率請設置F807為您需要的頻率。
（三）
ZS2000注塑一體機也可以按照以上方式進行設置。但是一體機切換控制方式時，必須停止電機。停止模擬量信號輸入。
第三章：變頻器改造后的常見問題及解決方案
一：生產效率問題。變頻器的啟動（加速）、停機（減速）均須一定的時間，這樣勢必會影響生產的效率。可以通過改進生產工藝的方式使生產效率接近于工頻運轉。
二：信號干擾。變頻器作為干擾源容易干擾別的設備，同時作為精密設備又容易被別的設備干擾。
例如靜電干擾保護。如原注塑機沒有可靠的接地系統，建議重新設計接地回路，以保證注塑機、電機、變頻器以及其他需接地的電路有良好的接地回路。接地系統的設計請參考有關資料，這是抑制干擾，防止靜電的關鍵措施。
三：溫度信號受干擾的問題
對于某些品牌的注塑機，在經過變頻改造后會發生溫度信號受干擾的現象，溫度信號大幅度偏移。不僅如此，改造后的注塑機還會對鄰近的一定距離內的其他注塑機產生干擾，影響溫度控制。
經過實際觀察與測試，在有可靠接地系統的情況下，改造后的注塑機只對本身的溫度信號有干擾，而對于鄰近的其他注塑機不會造成干擾。這說明，良好的接地系統可以吸收掉來自同一電網內其他用電設備對其本身的干擾。
安裝變頻器后，溫度控制受干擾的解決方式大致有三種：
一，在變頻器輸出端加裝輸出電抗器來減小變頻器對周圍環境的影響。
推薦電抗器型號見表3－1。
二，如果控制加熱線圈的功率器件為固態繼電器，而非接觸器。固態繼電器的控制信號極易受到變頻器的干擾，具體處理辦法為可以在固態繼電器的控制端加裝阻容吸收電路（阻容吸收推薦參數：電容－0.1uF～1.5uF／耐壓大于50V；電阻幾歐姆～幾十歐姆／功率1～5W）。
三，注塑機溫感探頭的型號，在早期的產品中，其外殼（屏蔽層）與信號的負端“－”是接在一起的，極容易受到外界的干擾。在注塑機變頻改造后如溫度控制受到干擾，可采取如下的辦法：
a．將溫感探頭更換為屏蔽層與接地線完全分開的型號，幾路溫感探頭的“－”端共同與大地相連。或將原來的普通熱電偶更換為絕緣型熱電偶會有明顯的效果。
ｂ．在溫控儀及電腦的電源側加裝輸出濾波器。

變頻器功率	11／１５KW	18.5／22KW	30KW	37KW
電抗器型號	NF323A36	NF323A50	NF323A80	NF323A80
變頻器功率	45KW	55KW	75KW	90KW
電抗器型號	NF323A100	NF323A100	NF323A150	NF323A200

表3－1
四：注塑機電機的振動問題。
電機振動問題一般由兩種原因引起。第一：電動機的機械共振，當電機在某一頻率附近共振比較嚴重時可以通過設置共振頻率回避點來解決。惠豐變頻器提供了兩個共振頻率回避點，完全可以避免由于機械原因引起的共振現象。第二：變頻器頻率的快速波動引起電機轉速突變，導致油泵，油管振動。可以根據3.2.1提供的措施解決。如果以上措施仍不能解決請于本公司聯系或更換變頻專用電機。
五：電機發熱的問題
由于變頻改造后，電機運行在低頻段的時間較長，電機溫升會比原來升高5－6℃屬于正常情況，建議加裝脫離電機而獨立工作大風量冷卻風機，以加強電機的散熱效果。
六：高次諧波問題。高次諧波的產生是變頻器不可避免的問題，一般都不會影響電網的質量，對于電網供電質量有特殊要求的企業可以加裝交流輸入電抗器以及直流平波電抗器。
推薦交流輸入電抗器型號見表3－2。

變頻器功率	11／15KW	18.5／22KW	30KW	37KW
電抗器型號	NF311C36	NF311C50	NF311C80	NF311C80
變頻器功率	45KW	55KW	75KW	90KW
電抗器型號	NF311C100	NF311C100	NF311C150	NF311C200

　　表3－2
推薦直流平波電抗器型號見表3－3。

變頻器功率	11／15KW	18.5／22KW	30KW	37KW
電抗器型號	K424-051	K424-059	K424-059	K424-081
變頻器功率	45KW	55KW	75KW	90KW
電抗器型號	K424-081	K424-081	K425-007	K425-008

表3－3
七：工，變頻控制系統

需要工頻，變頻切換時，可采用轉換開關，控制輸出端接觸器在變頻器維護時手動進行變頻工頻切換。也可以利用變頻器提供的報警繼電器在變頻器維護時自動進行變頻工頻切換。變頻器及其它所需元器件可統一封裝在一個電氣控制柜內，控制柜依據現場實際情況確定尺寸大小。電控柜原理圖如上圖（僅供參考）。
第四章：成功案例及測試數據。
一：宏達塑業有限公司
宏達塑業公司使用歐亞注塑機，生產PVC管材。注塑機采用單通道流量信號（０－１A）控制。調試過程中發現當流量信號低于１A時，油泵輸油管抖動。例如０。６A時變頻器工作頻率應該在30HZ，而實際上變頻器在28－31HZ快速，反復波動。把頻率固定沒有出現電機抖動現象。經測試流量閥輸出流量信號發現其發出的波形為3.8ｍS為周期的鋸齒波，導致變頻器模擬量采樣也跟著頻繁變化。輸出量的變化引起電機轉速變化，造成油泵抖動。經調整變頻器濾波時間，采用在5ｍS內取有效值的方式后一切正常。實際電流波形如圖４－１。

設備資料:

注塑機型號	制品名稱	制品材質	主電機功率	變頻器型號
F3880	水管彎頭	PVC	30KW	ZS1500－030T3C

現場數據記錄：

成型工藝	鎖模	射膠	保壓	熔膠	冷卻	開模	頂針	待機	電耗	節電率
工頻時間（S）	10	10	5	20	10	13	1	5		34％
變頻時間（S）	10	9	5	20	10	14	1	5
工頻電流（A）	31	100	26	47	22	43	45	20	17ＫＷ／ｈ
變頻電流（A）	22	80	15	34	0	32	38	0	11.2ＫＷ／ｈ

二：利發達鞋業
利發達鞋業生產運動鞋附件注塑機為東莞臺裕塑料機械，安裝調試比較順利。測試數據如下：
設備資料：

注塑機型號	制品名稱	制品材質	主電機功率	變頻器型號
YT－１３８T	TPU－３５３５	乙烯	18.5KW	ZS500－0180T3C

現場數據記錄：

成型工藝	鎖模	射膠	保壓	熔膠	冷卻	開模	頂針	退針	節電率
流量（A）	0.52	0.7	0.15	0.3	0	0.3	0.3	0.3	31％
變頻時間（S）	2	6	15	17	10	2	6	6
變頻器頻率（HZ）	38	47	14	24	0	27	20	20
變頻電流（A）	21	25	15	23	0	20	18	19

三：貝發筆業
　　貝發筆業使用寧波海天公司的注塑機，公司采用雙信號輸入控制．使變頻運行時生產周期僅比原來慢0.2S．測試節電率為42％．變頻器最高工作頻率為36HZ．加減速時間分別為0.5S，0.6S。如果適當提高工作頻率生產周期可以完全等效于工頻狀態．

設備資料：

注塑機型號	制品名稱	制品材質	主電機功率	變頻器型號
HTB－150X／１	圓珠筆桿	乙烯	15KW	ZS1500－0150T3C

現場數據記錄：

成型工藝	鎖模	射膠	保壓	熔膠	冷卻	開模	頂針	待機	電耗	節電率
工頻時間（S）	13	10	1.8	36	3	5.2	1	1		42％
變頻時間（S）	13	10	1.8	36	3	5	1	1
工頻電流（A）	29	25	18	25	18	22	27	18	8KW／ｈ
變頻電流（A）	18	15	5	15	0	14	15	0	4.7ＫＷ／ｈ

四：范市純凈水桶廠
范市純凈水桶廠注塑機為海天HTK3600－F3，采用ZS500－３７KW變頻器使用過程中發現變頻器工作時會干擾注塑機顯示屏．分析原因為信號輸入線沒有采用屏蔽線，而是用普通0.75平方的導線連接，與三相電機輸出線距離太近。產生耦合干擾更換屏蔽線后正常。
五：寧波市某燈具廠
該廠使用海天生產的注塑機HTB80，使用ZS1500變頻器時發現變頻運行時油溫信號不穩定，現場測試發現油溫信號受到干擾，由于無法采用屏蔽線，我們在油溫信號線兩端并接了１０４／４００V滌綸電容，解決了該問題。
信號波形附后：