伺服控制系統(tǒng)在注塑機(jī)上的應(yīng)用

倪衡 唐又紅 傅加平 陳劍

蘇州出入境檢驗檢疫局，215000

蘇州市輕工電機(jī)廠，215000

伺服控制系統(tǒng)在注塑機(jī)上的應(yīng)用

倪衡 唐又紅 傅加平 陳劍

蘇州出入境檢驗檢疫局，215000

蘇州市輕工電機(jī)廠，215000

我國是注塑機(jī)生產(chǎn)和應(yīng)用的大國, 而且每年以6 %～8 %的速度快速增長 。目前市場上生產(chǎn)和使用的95%注塑機(jī)大部分是以普通異步電動機(jī)拖動的液壓式注塑機(jī)，注塑機(jī)油泵電機(jī)耗電占整個設(shè)備耗電量的比例高達(dá)85%左右。其能耗存在相當(dāng)大的浪費,因此,開發(fā)和使用能耗低，效率高的“節(jié)能型”注塑機(jī)，完全符合節(jié)能降耗的總趨勢。在國際市場上，伺服電動機(jī)的運用也將大大提升國產(chǎn)注塑機(jī)的競爭力，因此，我們檢驗檢疫部門聯(lián)合電機(jī)生產(chǎn)企業(yè)就伺服電機(jī)的開發(fā)應(yīng)用展開了交流合作。本文通過介紹對永磁交流伺服電動機(jī)的原理分析以及通過其與異步電機(jī)的應(yīng)用對比得出永磁交流伺服電動機(jī)更加節(jié)能、精確度、效率更高的結(jié)論。

交流伺服控制；交流伺服電動機(jī)；液壓定量泵；注塑機(jī)

（一）

(感應(yīng)電機(jī))的工作原理是通過定子的旋轉(zhuǎn)磁場在轉(zhuǎn)子中產(chǎn)生感應(yīng)電流，產(chǎn)生電磁轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)子中并不直接產(chǎn)生磁場。因此,轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定是小于同步速的(沒有這個差值，即轉(zhuǎn)差率， 就沒有轉(zhuǎn)子感應(yīng)電流)， 也因此叫做異步電機(jī)。交流異步電動機(jī)以其結(jié)構(gòu)簡單、價格便宜、適應(yīng)各種工業(yè)條件等優(yōu)點，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)各個領(lǐng)域。

變頻器的出現(xiàn)，使的異步電動機(jī)也能進(jìn)行無級調(diào)速，改善了其使用效果。但是變頻調(diào)速仍受限于異步電動機(jī)的效率低、低速運轉(zhuǎn)時轉(zhuǎn)矩變小、諧波損耗大、速度變動率大、動態(tài)性能不佳等缺點。而且異步電機(jī)的效率低，功率因數(shù)小，低速發(fā)熱等問題仍然無法改善。

永磁同步電動機(jī)轉(zhuǎn)子本身產(chǎn)生固定方向的磁場，定子旋轉(zhuǎn)磁場拖著轉(zhuǎn)子磁場(轉(zhuǎn)子)轉(zhuǎn)動，因此轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速一定等于同步轉(zhuǎn)速，永磁同步電動機(jī)的轉(zhuǎn)速n 始終為 n=60f/p 不變，式中 f 為設(shè)定頻率，p 為電機(jī)極對數(shù)。 由于不需要從電網(wǎng)吸收無功電流，轉(zhuǎn)子上既無銅耗又無鐵耗，所以同步電機(jī)在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)能保持接近于 1 的功率因數(shù)， 定子電流和定子損耗減少。永磁同步電機(jī)總體效率比感應(yīng)電機(jī)高5%左右，最大輸出力矩與轉(zhuǎn)子慣量比值可比感應(yīng)電機(jī)大很多。因此永磁電機(jī)動態(tài)性能優(yōu)越。

目前注塑機(jī)正向高效、節(jié)能的方向發(fā)展，將交流伺服電動機(jī)應(yīng)用到機(jī)器上將最大限度改善注塑機(jī)的性能。以下我們將用交流伺服電動機(jī)的原理和應(yīng)用來分析它的優(yōu)點。

（二）

目前我們研發(fā)的交流伺服控制器和交流永磁伺服電動機(jī)為動力源的電液混合式驅(qū)動系統(tǒng)如圖1。

其中，交流永磁伺服電動機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計采用高性能稀土永磁材料，通過減小轉(zhuǎn)子直徑來降低慣性， 再以加長轉(zhuǎn)子來增加轉(zhuǎn)矩。 伺服電機(jī)的外觀也明顯看見是直徑小但長度長的特征。 通過能耗對比實驗表明, 電機(jī)完全根據(jù)實際工況進(jìn)行自動調(diào)速, 大大降低了輔助工段的能量損耗, 節(jié)能效果最大40%左右 ?？蛰d和滿載 (14 MPa) 響應(yīng)時間小于 180 ms ,生產(chǎn)效率提高20%左右。節(jié)能和環(huán)保越來越受到世界各國的高度重視, 使得節(jié)能型塑料機(jī)械成為當(dāng)前塑料機(jī)械的一個重要發(fā)展方向 。節(jié)能型注塑機(jī)將是今后市場前景非常廣闊的產(chǎn)品。節(jié)能原理分析：1。普通異步電動機(jī)拖動的變量泵塑機(jī)如圖2。

在轉(zhuǎn)速不變的情況下，通過改變液壓泵排量，同時電機(jī)負(fù)載也會隨著排量而改變，達(dá)到省電的目的，節(jié)能率（比用定量泵）達(dá)到40%左右。但電機(jī)仍采用異步電動機(jī)，存在空轉(zhuǎn)狀態(tài)(必須維持變量泵需要的底壓)。期間大量的液壓油會通過溢流閥流回油箱 ,其結(jié)果： a.電力能源也有浪費（電機(jī)空轉(zhuǎn)）；b.液壓閥門沖刷磨損；c.液壓油升溫 d.對液壓油品質(zhì)要求高，機(jī)器故障率比較；e.機(jī)器穩(wěn)定性能變差（沒有閉環(huán)控制）；f.變量泵噪音大；g.液壓系統(tǒng)中的液壓油在流經(jīng)泵、閥和管道時 , 會產(chǎn)生大量熱量, 導(dǎo)致油溫升高，油溫過高將影響液壓系統(tǒng)的正常工作，有的采取循環(huán)水降溫措施；從而消耗大量能量。 h.液壓油應(yīng)有氧化而報廢。2。節(jié)能型高效伺服注塑機(jī)如圖2控制系統(tǒng)主要由電腦控制器及其輸出信號轉(zhuǎn)接器、驅(qū)動器、壓力傳感器，濾波器，制動電阻、伺服電機(jī)和油泵等組成。具有諸多優(yōu)點，增產(chǎn)、節(jié)能、低能耗、精密、高性價比、低故障率，噪音低，符合政策導(dǎo)向，已迅速成為注塑機(jī)廠的主導(dǎo)產(chǎn)品。技術(shù)優(yōu)勢如下：a.增產(chǎn)：空載和和滿載 (14 MPa) 響應(yīng)時間小于180 ms，使注塑機(jī)動作速度快,生產(chǎn)效率提高 20%左右。 b.節(jié)電：實際測試 條件：在兩臺注塑機(jī)上使用相同的模具注塑測試樣品（光盤狀薄片），原料為普通 PP。兩臺注塑機(jī)分別為SF80（使用三相伺服電動機(jī)、定量齒輪泵）、SF86（使用異步電機(jī)、變量泵），兩臺注塑機(jī)的測試時間均為一個小時，注塑循環(huán)周期為20.0s，其中冷卻時間為4s，托模進(jìn)退停頓時間為2s。通過電度表實際測得 SF80耗電量為2.33 度， SF86 耗電量為 3.03 度。計算可得，SF80比 SF86 每小時省電 0.70度，大約能節(jié)省 23.1%的電能如。c.降耗：延長液壓油的使用壽命，延長機(jī)器使用壽命；（即降低液壓油和液壓閥的耗損)；d.采用全閉環(huán)，重復(fù)精度高，提升產(chǎn)品合格率；e.節(jié)水，減少污染；f.降低機(jī)器運行噪音，SF86（普通異步電動機(jī)拖動的變量泵塑機(jī)）噪聲：73dB（A），SF80（節(jié)能型高效伺服注塑機(jī)）噪聲：69dB（A）。

（三）

節(jié)能型高效伺服注塑機(jī)具有以下特點：采用交流永磁伺服同步電機(jī)作為主油泵驅(qū)動電力源,全面提高了動力源的技術(shù)特性，電機(jī)完全根據(jù)實際工況進(jìn)行自動調(diào)速，大大降低輔助工段的能量損耗，整機(jī)節(jié)能效果高達(dá)45%左右。控制系統(tǒng)可過載額定值的150 % , 電機(jī)滿負(fù)載時動態(tài)響應(yīng)快，動態(tài)響應(yīng)時間低于180ms,可使生產(chǎn)效率提高20 %以上。驅(qū)動系統(tǒng)采用先進(jìn)的自適應(yīng)控制技術(shù)，使塑機(jī)動態(tài)運行平穩(wěn)可靠 ,抗干擾能力強(qiáng),大幅度減少沖擊載荷 , 降低各運動部件中磨損 , 可延長塑機(jī)運動部件及模具壽命?？捎行Ы档陀蜐B、油溫和塑機(jī)工作噪聲,具有欠壓、過流、缺相、超溫度等保護(hù)功能。

結(jié)語

當(dāng)然節(jié)能的效果與生產(chǎn)的產(chǎn)品有密切的關(guān)系，包括模具是否用冷流道、保壓時間、待機(jī)時間等都有關(guān)系，不能一概而論。大致來講，產(chǎn)品的保壓時間越長，冷卻時間越長，節(jié)能也越多。相反，熱流道模具的保壓時間短，甚至是0，而冷卻時間也是0，伺服電機(jī)的節(jié)能便有限。

[1]過慶明.如何在數(shù)控機(jī)床進(jìn)給系統(tǒng)中選擇交流伺服電機(jī) [D].黑龍江:防爆電機(jī).2004年，第2期

[2]中國電器工業(yè)協(xié)會微電機(jī)分會.微特電機(jī)應(yīng)用手冊 [M].福建:福建科技.2010年04月

10.3969/j.issn.1001-8972.2011.18.046

倪衡（1982—），男，江蘇鹽城人，學(xué)士，研究方向：出口工業(yè)品質(zhì)量。