一． 塑料行業(yè)在國內(nèi)的發(fā)展形勢
現(xiàn)在人們已公認(rèn)一個國家或地區(qū)塑料的人均年消耗量及塑料工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中所占的地位是反映工業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。中國塑料資源豐富，21世紀(jì)初主要合成樹脂年產(chǎn)量達(dá)1.4萬噸，排世界第4位。并且中國合成樹脂的產(chǎn)量還在以5%~10%的速度增長。中國又是塑料消費(fèi)大國，據(jù)統(tǒng)計(jì)，其年消耗量占世界第二，僅次于美國，而中國的人均消費(fèi)僅為19kg，在世界排名第32位，是工業(yè)發(fā)達(dá)國家的11%~20%，可見中國的塑料工業(yè)還要大發(fā)展，塑料機(jī)械前景廣闊。根據(jù)塑料制品的市場分析，目前中國塑料機(jī)械行業(yè)產(chǎn)值每年約100億元，而國內(nèi)市場需求約200億元，還有很大空間，注塑機(jī)的需求也逐步由南方向北方擴(kuò)散，同時(shí)也帶將帶動塑料工業(yè)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
二． 變頻改造在注塑行業(yè)發(fā)展趨勢
近幾年塑料行業(yè)發(fā)展越來越迅速，其中注塑行業(yè)也正迎來一個飛速發(fā)展的機(jī)遇。但同時(shí)行業(yè)內(nèi)的競爭也日漸激烈，各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外，也越來越重視生產(chǎn)成本的控制。從注塑機(jī)工藝過程知道，在注塑成型產(chǎn)品成本中，電能消耗成本占了很大的比例，因而能否有效減少電能損耗，受到了各注塑機(jī)廠家和用戶的關(guān)注。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的推廣，變頻調(diào)速在傳動控制和節(jié)能領(lǐng)域已日漸得到了廣泛應(yīng)用，尤其在泵類負(fù)載場合采用變頻控制節(jié)能效果顯著。本文以四方注塑機(jī)專用型變頻器為例，介紹了注塑機(jī)變頻改造的可行性和改造中常出現(xiàn)的問題及相應(yīng)處理方法。
三． 注塑機(jī)變頻改造可行性
3.1 注塑機(jī)基本概況及成型工藝過程
普通注塑機(jī)通常采用液壓傳動，其結(jié)構(gòu)包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動裝置和電氣控制裝置，后者的作用是保證注塑機(jī)預(yù)定工序的要求（壓力、速度、溫度、時(shí)間、位置）和動作程序準(zhǔn)確有效地工作。
在傳統(tǒng)的注塑機(jī)中液壓傳動裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動作油缸、油泵電機(jī)及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機(jī)帶動油泵提供。其中，油泵絕大部分是定量油泵，電動機(jī)通常提供額定功率和轉(zhuǎn)速，油泵將電動機(jī)所輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ埽缓笙蛞簤合到y(tǒng)的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動負(fù)載所需能量的要求
注塑機(jī)成型工藝是一個按照預(yù)定的周期性動作過程，即以合模---射嘴前進(jìn)---射膠---保壓---溶膠、冷卻---開模---取出制品---將被注塑件放入模具中—合模等加工工序達(dá)到某件產(chǎn)品成型。
各個過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同，即所需的液壓油流量不同，因而注塑機(jī)整個動作過程對油泵電機(jī)來說是個變負(fù)載過程。在定量泵注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中，油泵電機(jī)始終以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量的液壓油，各個動作中相應(yīng)多余的液壓油則通過溢流閥回流，從而造成電能的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，由電液閥控模式造成電能損耗高達(dá)36～68%；根據(jù)注塑機(jī)設(shè)備工藝，油泵電機(jī)耗電占整個設(shè)備耗電比例高達(dá)65～80%。因此，對閥控電液模式進(jìn)行節(jié)能改造具有很大的潛力。
3.2 普通注塑工藝中的主要損耗
第一為溢流損耗。隨產(chǎn)品及加工工序不同，各工序所需液壓、流量、壓力不同（見附圖1）。對于油泵馬達(dá)而言，注塑機(jī)在注塑過程的負(fù)載是處于變化狀態(tài)。而泵的流量是按照所需的最大流量來設(shè)計(jì)的，其原注塑油泵馬達(dá)以恒定的轉(zhuǎn)速提供的液壓流量，當(dāng)注塑機(jī)所需的流量小于最大流量時(shí)，多余的液壓將通過溢流閥回流，這一部分能量就損耗掉了。
第二為節(jié)流損耗。當(dāng)液壓油流經(jīng)閥的節(jié)流口時(shí)會有一定的壓降，這就是節(jié)流損耗。由于方向閥的節(jié)流面積比較大，所以大部分的節(jié)流損耗發(fā)生在比例閥上。同時(shí)由于液壓長期全速循環(huán)流動與液壓件機(jī)械劇烈磨擦，造成油溫過高，噪音過大，機(jī)械壽命縮短等不良現(xiàn)象。
第三為設(shè)計(jì)余量損耗。通常在設(shè)計(jì)中，一般會考慮到共用性，設(shè)計(jì)時(shí)以最大容量為基礎(chǔ)，因此用戶油泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費(fèi)。
圖一：注塑機(jī)工序圖和能耗對照圖
四． 變頻器在注塑機(jī)節(jié)能改造中的優(yōu)點(diǎn)
4.1 調(diào)速節(jié)能
根據(jù)注塑機(jī)的工藝要求,把總壓閥、低壓閥、一壓閥、二壓閥的開關(guān)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后加在變頻器的輸入端作為變頻器的頻率給定信號，變頻器通過對其進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并通過CPU處理，使輸出頻率隨比例閥的模擬信號成線形變化，在需要壓力和流量較小的工藝過程中使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低，從而降低電機(jī)的輸出功率，在冷卻和半成品置入過程中可以讓電機(jī)停轉(zhuǎn)，使電機(jī)在整個負(fù)載范圍內(nèi)的能量損耗達(dá)到最小程度。
4.2 提高功率因數(shù)節(jié)能
無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是因?yàn)楣β室驍?shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低。由公式S²=P²+Q²，Q=S*SINφ，P=S*COSφ，其中：S-視在功率。Q-無功功率，P-有功功率，COSφ-功率因數(shù)。可知，當(dāng)COSφ越大，有功功率 P越大。普通定量泵注塑機(jī)COSφ值在0.6-0.8之間，而使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)濾波電容的補(bǔ)償作用，使得COSφ≈1，從而減小了無功損耗，增大了電網(wǎng)的有功功率。
4.3 軟啟動節(jié)能
由于原電機(jī)為直接啟動或Y/△啟動，啟動電流等于(3-7)倍額定電流，這樣會對機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊，而且還會增加電網(wǎng)容量要求，啟動時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動對設(shè)備的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值被限制在變頻器設(shè)置的加速中電流限幅水平以內(nèi)，一般不超過1.7倍額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對電網(wǎng)容量的要求，延長了設(shè)備和模具的使用壽命。
五． 變頻器節(jié)能改造原理
由泵類負(fù)載的工作特性可知，泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比,如下述公式所示:
Q2/Q1=N2/N1 ；H2/H1=(N2/N1)2 ；P2/P1=(N2/N1)3
其中Q為流量、N為轉(zhuǎn)速、H為揚(yáng)程。
圖2：閥門控制與變頻控制節(jié)能比較
圖2給出了閥門控制與變頻控制兩種模式下的節(jié)能效果比較。原有注塑機(jī)系統(tǒng)采用閥門控制，當(dāng)流量由QA減少到QB時(shí)，由于管阻特性，工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移B點(diǎn)，消耗的功率與0EBF的面積成正比。若采用變頻控制，這時(shí)因閥門全開，其管阻特性不變，工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn)，消耗的功率與0ECH的面積成正比。因此，從圖2中可以看出，采用變頻調(diào)速比閥門控制更加節(jié)能，且隨著轉(zhuǎn)速的降低，電機(jī)輸出功率成立方關(guān)系減少。這樣，根據(jù)注塑工藝適時(shí)地調(diào)節(jié)油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速，即可達(dá)到節(jié)能的目的。
目前三相異步電動機(jī)大多采用變頻調(diào)速，由電機(jī)同步轉(zhuǎn)速公式：
n=60（1-S）f/p
其中，n為電機(jī)轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率；f為供電頻率；p為極對數(shù)。
由上式可知，改變電源頻率即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此，采用注塑機(jī)比例流量閥及比例壓力閥的控制信號同步控制油泵馬達(dá)的變頻器，使油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與注塑機(jī)工作所需的壓力、流量成正比，從而使溢流閥的回流量減到最小，液壓系統(tǒng)輸出與注塑機(jī)生產(chǎn)所需功率相匹配，便可達(dá)到節(jié)能目的。據(jù)統(tǒng)計(jì)，其單機(jī)節(jié)電率可達(dá)25～65%。
注塑機(jī)工序過程
不論大、中、小型注塑機(jī)，分析它的工序過程是相同的，大致是五個工序過程，見圖1。
從圖1可知注塑機(jī)工序過程是：
①送模具過程，需低壓力，時(shí)間較短。
②合模具過程，左右兩個模具相接，直至完全閉合，需略高壓力，時(shí)間不長。
③射膠、保壓、冷卻過程，送料至模腔，直到成型，固化完需較高壓力，時(shí)間長約占40-60%。
④脫模具過程，加工成型，可開啟模具，到脫模完，可取出加工件，時(shí)間不長，壓力略高。
⑤退模具過程，加工件取出，模具后退原位，進(jìn)行輔助工作后，待再次加工，這時(shí)需低壓力，時(shí)間較短。
對同一臺注塑機(jī)，加工不同的塑料件，其壓力（p）與時(shí)間長短是各不相同的。它與加工件的型體復(fù)雜性，使用何種塑料，一個加工件的總料量，有否嵌件等有關(guān)，具體參數(shù)設(shè)定，一般由工藝技術(shù)人員給出的，并經(jīng)試驗(yàn)加工后，最后定案的。
3 注塑機(jī)節(jié)能的可能性分析
從圖1注塑機(jī)的P=f(t)工序過程中看出，隨著不同時(shí)間段，它的主油泵壓力是變化的，而且起伏較大，這就存在節(jié)能的可能性，且潛力較大，所以注塑機(jī)節(jié)電率可達(dá)20%-50%，甚至更大些。在未使用變頻器的注塑機(jī)，其主泵壓力調(diào)整是靠壓力卸荷來調(diào)節(jié)傍路油路的開度，來實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)壓力的方式，這種主泵調(diào)壓力的方式，對主泵的電動機(jī)轉(zhuǎn)速不變，依傍路閥門開度來調(diào)節(jié)壓力，實(shí)踐證明節(jié)能是很小的，還有一種使用變量泵的注塑機(jī)，節(jié)能效果達(dá)百分之十幾，但設(shè)備維護(hù)成本較高，泵容易損壞，因此也不是經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行的方式，采用變頻器調(diào)速來調(diào)節(jié)主泵的轉(zhuǎn)速，從而改變流量和壓力是較經(jīng)濟(jì)的運(yùn)行方式（這時(shí)閥門的開度要全開
100%），這就是注塑機(jī)主泵采用變頻器的原因所在，從而有較大幅度節(jié)電的道理，至于模具移動的動力源也是液壓的，它有二種方法：
①另配一臺小功率的低壓油泵。
② 由主泵分路經(jīng)減壓閥作動力源
又關(guān)于各段時(shí)間的定位控制，常見的有四種方法：
① 依靠移動平臺的滑桿，用行程直接點(diǎn)
開關(guān)（小型的）
② 依靠時(shí)
繼電器定時(shí)控制（中型的）
③ 依靠單片機(jī)或
PLC控制（大型的），我公司的方案即如此。
④ 利用變頻器本身多段速度與時(shí)間的控制（小、中型的）。
