1 引言
變頻調(diào)速是基于電力電子、微電子、信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物,是提高電機(jī)驅(qū)動(dòng)設(shè)備性能及節(jié)能的一門(mén)優(yōu)異技術(shù)。節(jié)能是注塑機(jī)的主要發(fā)展方向，降低動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的能耗是注塑機(jī)節(jié)能的主要措施。變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于注塑機(jī)上，為注塑機(jī)的節(jié)能開(kāi)辟了又一條有效的途徑。

2 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于注塑機(jī)上的節(jié)能原理

2.1 液壓注塑機(jī)能耗分析
注塑機(jī)從動(dòng)力驅(qū)動(dòng)分類(lèi)，分為液壓驅(qū)動(dòng)、液電驅(qū)動(dòng)、全電動(dòng)驅(qū)動(dòng)、氣壓驅(qū)動(dòng)。目前，大量生產(chǎn)和使用的主要是液壓驅(qū)動(dòng)的液壓注塑機(jī)，變頻調(diào)速技術(shù)主要應(yīng)用于液壓注塑機(jī)上。注塑機(jī)的加工工作循環(huán)周期，一般分為低壓移模、高壓鎖模、高壓開(kāi)模、變速(壓)注射、多級(jí)壓力保壓、多級(jí)速度塑化、頂出(退)、制品冷卻、抽芯、制品取出等幾個(gè)價(jià)段，液壓注塑機(jī)的各個(gè)階段所需的工作壓力與工作流量相差很大，處于周期性的不斷變化負(fù)載的工況，而且,各個(gè)工作階段,各執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的流量和壓力相差很大,注塑機(jī)的工作循環(huán)周期執(zhí)行機(jī)構(gòu)能耗n1可用下式表示:

n1=∑p1?q1/η1 (1)

式中:p1:工作循環(huán)周期各階段工作壓力，mpa;
q1:工作循環(huán)周期各階段工作流量，l/min;
η1:執(zhí)行機(jī)構(gòu)效率。
注塑機(jī)動(dòng)力機(jī)構(gòu)能耗n2可用下式表示:

n2=∑p2?q2/η2 (2)

式中:p2:提供給工作循環(huán)周期各階段工作壓力和管路損耗壓力，mpa;
q2:輸出流量，l/min;
η2:動(dòng)力機(jī)構(gòu)效率，對(duì)液壓驅(qū)動(dòng)的注塑機(jī)而言，包括電機(jī)效率和液壓泵效率。

注塑機(jī)能耗效率η:

η=(n1/n2) 100% (3)

從(1)、(2)、(3)式可以看出，提高能耗效率，最主要的途徑是使注射成形各個(gè)階段動(dòng)力機(jī)構(gòu)輸出的能量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的能量?jī)烧呋鞠嗟?，其次是提高?zhí)行機(jī)構(gòu)、液壓元件，動(dòng)力執(zhí)行機(jī)構(gòu)等效率。工作壓力由工作負(fù)載所決定，在設(shè)定的每個(gè)階段的壓力下工作，動(dòng)力機(jī)構(gòu)根據(jù)執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需工作壓力提供壓力，減小系統(tǒng)壓力損失，是提高壓力利用效率的有效措施。提高動(dòng)力機(jī)構(gòu)輸出的流量損失，即使動(dòng)力機(jī)構(gòu)輸出的流量盡量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)所需的流量相匹配，是提高能量利用率的最有效的措施。

2.2 變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于注塑機(jī)節(jié)能分析
由上節(jié)分析可知，注塑機(jī)節(jié)能最有效的措施是動(dòng)力機(jī)構(gòu)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)兩者之間流量的自適應(yīng)調(diào)節(jié)匹配，變頻調(diào)節(jié)技術(shù)通過(guò)調(diào)節(jié)液壓泵的轉(zhuǎn)速，使動(dòng)力機(jī)構(gòu)的性能類(lèi)似于比例泵節(jié)能系統(tǒng)，達(dá)到動(dòng)力機(jī)構(gòu)輸出的流量與執(zhí)行機(jī)構(gòu)的流量相匹配，使流量的損失降到最低，即提高了能量利用率，達(dá)到了十分顯著的效果。

變頻降低能耗的效果顯著。由流體力學(xué)可知，耗電功率與其轉(zhuǎn)速近似成立方關(guān)系，當(dāng)要求調(diào)節(jié)流量q下降時(shí)，轉(zhuǎn)速成比例下降，液壓泵的軸輸出功率近似成立方關(guān)系下降，轉(zhuǎn)速下降20%，則功率下降到51.2%;轉(zhuǎn)速下降50%,則功率下降到12.5%。例如，55kw的電機(jī)，當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的1/2時(shí)，其耗電量?jī)H為6.75kw; 當(dāng)轉(zhuǎn)速下降到原轉(zhuǎn)速的4/5時(shí)，其耗電量為28.16kw。
動(dòng)態(tài)功率因素補(bǔ)償節(jié)能。普通液壓注塑機(jī)的電機(jī)的功率因素cosφ在0.6至0.8之間,應(yīng)用了變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)濾波電容的作用,使得cosφ≈1,從而減少了無(wú)功損耗,增大了電網(wǎng)有功功率。

軟啟動(dòng)節(jié)能。變頻器的軟啟動(dòng)功能使電機(jī)的啟動(dòng)電流從零開(kāi)始，最大值為電機(jī)的額定電流的1.5倍，減輕了對(duì)電網(wǎng)的沖擊和對(duì)供電容量的要求。
延長(zhǎng)密封件使用壽命。應(yīng)用變頻調(diào)速系統(tǒng)后，液壓油溫下降10~180c，延長(zhǎng)了密封件使用壽命。

3 變頻調(diào)速應(yīng)用于注塑機(jī)的需注意的幾個(gè)技術(shù)問(wèn)題

3.1 變頻器類(lèi)型的選型
注塑機(jī)的負(fù)載性質(zhì)是恒轉(zhuǎn)矩類(lèi)，機(jī)械特性較硬，動(dòng)態(tài)特性要求較高，所以應(yīng)選用v/f控制、磁通矢量控制高性能變頻器或注塑機(jī)專用變頻器。無(wú)速度傳感器的矢量控制方法，實(shí)現(xiàn)了在不增加硬件的情況下，可根據(jù)電機(jī)的數(shù)學(xué)模型，實(shí)時(shí)計(jì)算、調(diào)整電機(jī)的即時(shí)工作狀態(tài)，達(dá)到較高的控制精度。注塑機(jī)專用變頻器是在通用變頻器的基礎(chǔ)上增加了0~1a信號(hào)轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)，提高了使用性能。變頻器的加速和減速時(shí)間一般為1s。

3.2 變頻器容量的選擇
液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)工作狀態(tài)的最大負(fù)載電流作為選擇變頻器額定電流的依據(jù)，一般塑化的負(fù)載電流為最大，也可根據(jù)電機(jī)額定電流的1.8~2倍作為選擇變頻器額定電流的依據(jù)。變頻器和控制電機(jī)兩者的電壓等級(jí)應(yīng)相符。矢量變頻器的容量應(yīng)比注塑機(jī)專用變頻器的容量大一檔，v/f控制的變頻器選得更大一些。

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3.3 變頻器信號(hào)提取點(diǎn)。
取雙比例閥的流量信號(hào)(0~1a)，經(jīng)變換為4~20ma或0~10v的信號(hào)送到變頻器的相應(yīng)端口上。流量信號(hào)取相對(duì)值較大的作為控制信號(hào)，以擴(kuò)大調(diào)節(jié)范圍。壓力信號(hào)相對(duì)值變化較小，對(duì)變頻器頻率的調(diào)節(jié)范圍小一點(diǎn)。如果變頻器的調(diào)節(jié)范圍不能滿足成形工藝的需要，可用變頻器的“頻率增益”功能來(lái)調(diào)整。

3.4 變頻器的抗干擾措施
變頻器輸出電流中含有高次諧波，會(huì)對(duì)注塑機(jī)的電子電路產(chǎn)生干擾，最易受干擾的是溫度控制儀表，所以，安裝變頻器應(yīng)做好抗干擾措施。變頻器的輸入端加裝變頻器專用濾波器、電抗器。給微機(jī)控制板輸入端加裝emi濾波器、共模電感、高頻磁環(huán)等。引入變頻器的控制線要作屏蔽處理。機(jī)殼要可靠接地。不要使變頻器的輸入輸出電纜與變頻器的控制信號(hào)線平行或捆綁在一起。

3.5 電機(jī)散熱
電機(jī)用變頻器驅(qū)動(dòng)后，溫升會(huì)增加10%。普通電機(jī)轉(zhuǎn)速降低后，自帶的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速變慢，散熱效率降低。為提高散熱效率，加裝恒速散熱風(fēng)機(jī)。

3.6 變頻調(diào)速對(duì)液壓泵的要求
為適應(yīng)低轉(zhuǎn)速的要求,應(yīng)選用高壓齒輪泵。葉片泵在轉(zhuǎn)速低于500r/min，壓力和流量極不穩(wěn)定，使用壽命大大降低，甚至于不能工作，達(dá)不到系統(tǒng)的性能要求。

4 變頻調(diào)速技術(shù)需進(jìn)一步研究的問(wèn)題
變頻調(diào)速技術(shù)應(yīng)用于注塑機(jī)上是實(shí)現(xiàn)節(jié)能的有益的嘗試，并取得了一些成績(jī)，但離全面的推廣應(yīng)用，還有一段較大的距離。變頻調(diào)速裝置是用相對(duì)較優(yōu)的性能價(jià)格比取代比例泵的節(jié)能系統(tǒng)，但從變頻調(diào)速裝置與比例泵節(jié)能系統(tǒng)的兩者的性能來(lái)看，兩者的節(jié)能效果相差不多，但兩者對(duì)注射成形性能的影響，差別比較大，前者的性能明顯低于后者，這是變頻調(diào)速技術(shù)不能在注塑機(jī)上迅速推廣應(yīng)用的主要原因。

提高應(yīng)答反應(yīng)性能。注射成形各階段頻繁的速度變化，使液壓泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)頻繁處于加減速工況下，由于磁滯效應(yīng)及轉(zhuǎn)動(dòng)慣量的影響，響應(yīng)速度慢(比例泵響應(yīng)時(shí)間在100ms之內(nèi)，變頻調(diào)速響應(yīng)時(shí)間需800ms~1000ms)，導(dǎo)致了注射循環(huán)周期時(shí)期的增加，降低了生產(chǎn)效率，對(duì)高要求的制品難以成形。電機(jī)轉(zhuǎn)子質(zhì)量比比例泵變量的斜板的質(zhì)量大許多，所以前者流量改變的響應(yīng)時(shí)間大于后者的響應(yīng)時(shí)間，不能適應(yīng)多級(jí)速度變化的快速注射。通過(guò)實(shí)現(xiàn)變頻器的輸出頻率和輸出轉(zhuǎn)矩解耦調(diào)節(jié)，達(dá)到變頻器與注射過(guò)程各動(dòng)作的最佳配合，以達(dá)到提高應(yīng)答反應(yīng)性能。

5 變頻調(diào)速技術(shù)在注塑機(jī)上的應(yīng)用
5.1 在注塑機(jī)節(jié)能技術(shù)上的應(yīng)用
(1) 單泵驅(qū)動(dòng)液壓注塑機(jī)上應(yīng)用
從雙比例閥上取出0~1a的流量信號(hào)作為變頻器的速度調(diào)節(jié)信號(hào)，由于調(diào)節(jié)回路中沒(méi)有給定信號(hào)，所以控制還是屬于開(kāi)環(huán)控制方式。

附表[1]是某一公司的一臺(tái)4500kn合模力注塑機(jī)安裝變頻器前后的能耗比較情況。驅(qū)動(dòng)液壓泵電機(jī)功率45kw,成形制品為音箱外殼,制品重量200g,一模二件,合模為28s,開(kāi)模為3s,注射為8s,頂出為5s,頂退為4s,冷卻為38s,整個(gè)成形周期為58s。選用安邦信amb-g7系列高性能通用變頻器。

(2) 多泵驅(qū)動(dòng)液壓注塑機(jī)上應(yīng)用
中、大型注塑機(jī)多為多泵驅(qū)動(dòng)，以達(dá)到節(jié)能。一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)二個(gè)泵共用一個(gè)雙比例閥的系統(tǒng)，其變頻調(diào)速控制同單泵驅(qū)動(dòng)的注塑機(jī)。多電機(jī)驅(qū)動(dòng)的多泵組合疊加系統(tǒng)，一般一個(gè)小泵為比例流量控制，其余泵根據(jù)各工作階段流量需要與比例小泵組合工作，這種系統(tǒng)，用一臺(tái)變頻器驅(qū)動(dòng)比例小泵，變頻器的調(diào)節(jié)信號(hào)取自小泵的流量比例閥，其余驅(qū)動(dòng)液壓泵的電機(jī)，分別用另外的變頻器控制，不過(guò)這些變頻器對(duì)電機(jī)不作調(diào)速控制，僅起到起動(dòng)及停止的控制。

5.2 提高特種注塑機(jī)性能上的應(yīng)用
寧波海航塑料機(jī)械制造有限公司自主開(kāi)發(fā)了kh-50000節(jié)能托盤(pán)注塑機(jī)。該特種注塑機(jī)的注射塑化機(jī)構(gòu)不同于常規(guī)的同規(guī)格的注塑機(jī)的注射塑化機(jī)構(gòu)，塑化為一獨(dú)立機(jī)構(gòu)，在整個(gè)成形周期過(guò)程中不間斷工作，要求塑化量與制品成形周期相匹配。為達(dá)到這一性能，有兩種方案，一種是通用的低速大扭矩液壓馬達(dá)直接驅(qū)動(dòng)螺桿塑化，另一種是電機(jī)帶動(dòng)減速機(jī)驅(qū)動(dòng)螺桿塑化，前一種機(jī)構(gòu)塑化轉(zhuǎn)速控制精確，但需增加液壓系統(tǒng)裝載功率，能耗效率不高，后一種機(jī)構(gòu)能耗效率高，采用變頻調(diào)速后能達(dá)到更精確地控制塑化轉(zhuǎn)速，并能根據(jù)加工不同的塑料更方便快速地調(diào)節(jié)塑化轉(zhuǎn)速，并大幅度降低了整機(jī)裝載功率及液壓油的供給量。采用了變頻調(diào)速技術(shù)后，達(dá)到了塑化量與注射量相匹配的性能要求。

6 變頻調(diào)速技術(shù)在注塑機(jī)上適用范圍
注塑機(jī)是否采用變頻調(diào)速，主要看加工制品的要求。變頻調(diào)速節(jié)能的本質(zhì)就是在電機(jī)轉(zhuǎn)速低于設(shè)置的最高轉(zhuǎn)速情況下起到節(jié)能效果，低速的運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)間越長(zhǎng)，節(jié)能的效果越明顯。厚壁制品的保壓時(shí)間及冷卻時(shí)間長(zhǎng)，是應(yīng)用變頻調(diào)速設(shè)備的首選。相反，高速注射成形，薄壁制品，不用保壓，冷卻的同時(shí)進(jìn)行塑化，低速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)間很少，應(yīng)用變頻調(diào)速的節(jié)能有限，采用工頻定量泵進(jìn)行生產(chǎn)。
變頻調(diào)速很適用于舊機(jī)改造,由數(shù)控提供所需頻率,安裝變頻調(diào)速裝置比定量泵改為變量泵要簡(jiǎn)單得多,改裝成本也不高，而且能迅速取得顯著的節(jié)能效果與經(jīng)濟(jì)效益。

7 結(jié)束語(yǔ)
變頻調(diào)速運(yùn)行可靠，操作簡(jiǎn)便，成本低，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著，值得在注塑機(jī)行業(yè)推廣使用，當(dāng)然，還有一些問(wèn)題需要我們?nèi)ミM(jìn)一步研究解決。