注塑機的節(jié)能研究

莊璧瑛

摘要：能耗是影響塑料注射成型的瓶頸之一。本文通過對液壓系統(tǒng)動力源電能消耗進行分析，外加上對變頻控制系統(tǒng)的了解，結(jié)合實際工程經(jīng)驗和規(guī)則，采取變頻改造的方法，大大降低了能耗。通過應(yīng)用案例，驗證了該改造的可行性。

關(guān)鍵詞：能耗 變頻系統(tǒng) 注射成型

隨著煤炭、石油等可再生能源的日益減少和全球能源消耗大增的背景下，在可預(yù)測的將來，能源問題必將是制約一個國家發(fā)展的主要因素之一。再者，隨著全球經(jīng)濟危機的逐漸復(fù)蘇與世界新型經(jīng)濟體強勁的發(fā)展勢頭，中國作為世界新興經(jīng)濟體的一員，能源消耗量世界第一位，而且主要依靠能源進口來滿足我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，所以提高能源的利用率優(yōu)化產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)、減少能耗是我國現(xiàn)階段實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的必由之路。其中塑料等高分子化合物作為主要的能耗之一，據(jù)不完全統(tǒng)計，其能耗占全國總能耗的30%以上[3]，在歐美一些發(fā)達國家節(jié)能型塑料機械已占到全部市場的50%以上，我國是注塑機的生產(chǎn)大國，但還不是強國，每年以經(jīng)濟持續(xù)增長的速度發(fā)展，目前普遍使用的注塑機的驅(qū)動系統(tǒng)主要由異步電動機和定量泵搭配使用，由于注塑機完成各個動作需要的能耗不同，所以造成能量浪費。能量大量消耗的同時也對環(huán)境造成了嚴重的破壞，因此研究注塑機在成型過程中的節(jié)能技術(shù)勢在必行。注塑機能耗的本質(zhì)，就是注塑機加工同一個制品，輸出的能量較少即所謂的節(jié)能[1]

1.液壓系統(tǒng)動力源電能消耗

液壓系統(tǒng)動力源是注塑機消耗電能最多的一個部分，經(jīng)測試一個單臺傳統(tǒng)注塑機的能耗占總能耗的65%～80%[2]。該部分的能耗主要跟它的回路形式和控制方式有關(guān)。液壓系統(tǒng)把原動機的機械能轉(zhuǎn)化為液壓能再轉(zhuǎn)換為機械能驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)，在這轉(zhuǎn)換過程的每一個環(huán)節(jié)如：電機、液壓泵、馬達等轉(zhuǎn)換效率都不是百分之百的，都在不同程度上有一定的能量損失，而且液壓系統(tǒng)不可避免地存在節(jié)流和溢流損失以及管路阻尼損失[3]。其次，由于負載需求功率與動力源的功率不匹配也會造成很大的能量損失。

2.變頻控制系統(tǒng)

變頻控制系統(tǒng)通過改變供電的頻率來調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)速，從而改變定量泵的排量，使負載所需的流量或壓力與系統(tǒng)相適應(yīng)，基本沒有溢流和節(jié)流損失，大量減少各種液壓閥的使用。可在不改變液壓回路阻力的情況下通過對系統(tǒng)流量的調(diào)節(jié)來達到對系統(tǒng)壓力的調(diào)節(jié)。圖2-1是變頻控制注塑機系統(tǒng)的原理圖。

圖2-1 變頻控制注塑機系統(tǒng)

學(xué)者權(quán)龍、彭勇鋼、彭天好、黃方平等[4-7]都對變頻調(diào)速的液壓系統(tǒng)的響應(yīng)、效率作了研究，并且對應(yīng)用在注塑機上的情況做了分析，指出了變頻調(diào)速系統(tǒng)具有一定的響應(yīng)速度與節(jié)能效果。文獻[8]對變頻調(diào)速控制、變量泵系統(tǒng)控制和變頻調(diào)速配合變量泵系統(tǒng)做了仿真，得出變頻調(diào)速的響應(yīng)是最慢的。又由于自身的功率因素問題節(jié)能效果仍然有界限，該系統(tǒng)一般用于對現(xiàn)有注塑機系統(tǒng)的節(jié)能改造，因為將原系統(tǒng)改造成變頻系統(tǒng)要比改造成變量泵系統(tǒng)要簡單。表2-1在海天型號為HTB240B的閥控注塑機上改裝變頻器后得的系統(tǒng)能耗。

3.變頻改造

一臺通用注塑機設(shè)備在一個完整的注塑過程中包括鎖模、射膠、充填、熔膠、冷卻 、開模等階段，其對壓力的要求各不相同，開模階段只需保證較小的壓力即可，但要熔膠、冷卻時卻需要較大的壓力，以保證產(chǎn)品質(zhì)量及生產(chǎn)率。根據(jù)注塑機原理，我們知道電機轉(zhuǎn)速越高，注射壓力也就越大，所以通過變頻器對注塑機電機進行調(diào)速來實現(xiàn)變壓節(jié)能是完全可行的。

當前大多數(shù)注塑機生產(chǎn)商家都未采用節(jié)能變頻器技術(shù)，還是采用的星形—三角形啟動，由工頻電網(wǎng)直接供電，啟動電流大，故浪費電能嚴重；如果采用變頻調(diào)速調(diào)壓的方式則可實現(xiàn)注塑機電機的軟啟動 ，并可根據(jù)各個不同工藝階段的壓力需求自動改變運行頻率，達到節(jié)能增效的目的，這些功能可通過變頻器的流量壓力模擬反饋或多段速度的調(diào)節(jié)方式來實現(xiàn)，具有投資回收快的特點。

目前一些注塑機已采用了變頻節(jié)能技術(shù)，得到了節(jié)能、超靜音、高效和可靠的顯著效果，且能大大減少注塑機的耗電量，這已在眾多注塑機用戶中得到了非常好的評價與信賴。通過一些專家的測試和改良，注塑機的變頻節(jié)能技術(shù)已日趨完善。

一般注塑機的變頻節(jié)能改造通常是：將用來控制調(diào)節(jié)比例調(diào)節(jié)閥的電量信號、進行轉(zhuǎn)換處理后，作為變頻器輸出頻率的給定信號，或是將注塑機的鎖模、射膠、熔膠、冷卻、開模等工藝過程控制信號進行處理后，作為變頻器的多段調(diào)速或程序控制信號（也是變頻器輸出頻率的給定信號），以此調(diào)節(jié)方式來滿足注塑機各種工藝對供油壓力和流量的要求，并達到節(jié)能的目的，如圖3-1所示。

圖3-1 變頻改造示意圖

為了實現(xiàn)注塑機在變頻調(diào)節(jié)時的最佳工況，一些公司特別研究開發(fā)了針對注塑機壓力，流量雙信號控制回路自動切換電路，它能根據(jù)注塑機各個不同工作環(huán)節(jié)的流量，壓力要求不同而自動選擇信號，這樣在加工一些高精度的塑料產(chǎn)品時使用更是得心應(yīng)手。

理論原理：油泵的輸出功率： Pt=P+Qt=P×V×n（1）；油泵的理論轉(zhuǎn)矩：Tt=0.5π×P×V（2）；P為壓力，Qt為流量，V為油泵排量，n為油泵的轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)矩與電機轉(zhuǎn)速的乘積。因此可以看出，當系統(tǒng)要求低流量時，系統(tǒng)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(tài)上，并不能根據(jù)實際的需求來降低其轉(zhuǎn)速，以減小流量。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。

油泵變頻調(diào)速節(jié)電運行：從前注塑機的P=f（t）工序過程中看出，在不同時間段，注塑機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。據(jù)統(tǒng)計，注塑機節(jié)電率一般可達25%～60%。眾所周知注塑機未使用變頻器時，主泵的電動機始終恒速運行，是極不經(jīng)濟的運行的方式。

采用注塑機節(jié)電控制器，將控制比例流量閥的電流信號（0-1A），按每個生產(chǎn)工藝階段設(shè)定的流量比例，得到0-1A的比例信號電表去打開電磁閥的比例開度，以提供系統(tǒng)所需的壓力。多余的流量通過溢流閥溢流掉。把比例流量信號連接到注塑機節(jié)電控制器作為驅(qū)動指令，控制油壓驅(qū)動電機的轉(zhuǎn)速，油泵只補充油路中所消耗的那部份，油泵電機按比例指令運轉(zhuǎn)相應(yīng)轉(zhuǎn)速，輸出相應(yīng)的流量，以提供系統(tǒng)所需的壓力。即需要多少提供多少，在源頭上讓它不產(chǎn)生浪費。因此用變頻節(jié)電系統(tǒng)在注塑機的整個生產(chǎn)過程中都具有明顯的節(jié)電效果，從而能夠較大幅度節(jié)省電能，為用戶帶來可觀的經(jīng)濟效益。

4.應(yīng)用案例

深圳市某公司同東莞市某節(jié)能公司合作，對廣東南海新豐塑料廠4臺主泵55kw大型注塑機（由東華800）進行了變頻改造，該機最大壓力可達2000t，最大投料量可達16000g，約1～2min生產(chǎn)6個中、大型水管接頭。這是應(yīng)用變頻器的技術(shù)改造成功的典范，現(xiàn)已投產(chǎn)使用達半年之久，工作正常平均節(jié)電率達35%以上，深受用戶歡迎，經(jīng)長達半年之久的應(yīng)用對比，該廠已確定對另6臺注塑機也使用變頻器進行技術(shù)改造。這充分說明應(yīng)用變頻器對大型注塑機實行節(jié)能的技術(shù)改造方案是正確的有效的，值得向大家推薦。

參考文獻：

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