基于電磁加熱的注塑機加熱系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用

宋偉男

【摘 要】針對目前注塑機加熱系統(tǒng)的弊端，提出了采用電磁加熱的方式對注塑機加熱系統(tǒng)進行設(shè)計與改造。電磁加熱相比于傳統(tǒng)的電阻絲式加熱方法，有著加熱效率高、速度快、容易控制溫度、加熱均勻等優(yōu)勢。該系統(tǒng)采用PWM移相調(diào)節(jié)功率的方式來進行功率控制，采用電壓型串聯(lián)諧振作為系統(tǒng)的逆變諧振模塊，實現(xiàn)了注塑機加熱系統(tǒng)的高效、穩(wěn)定的運行。

【關(guān)鍵詞】注塑機；電磁加熱；PWM移相調(diào)節(jié)

0 引言

隨著國民經(jīng)濟的發(fā)展，能源短缺在當(dāng)今已成為一個不可忽視的問題。在國家節(jié)能減排的倡導(dǎo)下，越來越多的企業(yè)開始注重節(jié)能與環(huán)保。塑料加工制造業(yè)是我國的支柱產(chǎn)業(yè)之一，由于產(chǎn)品同質(zhì)化嚴(yán)重，塑料加工企業(yè)想提高利潤，只有在節(jié)能降耗、控制成本上下功夫。通常情況下，在塑料加工的過程中，電力成本大約可占到產(chǎn)品總成本的1/3，電能消耗的高低直接影響企業(yè)的利潤率，如何降低產(chǎn)品生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的競爭力，是每個塑料加工企業(yè)面臨的一個核心問題。

為了提高電能利用率，減少生產(chǎn)成本，本文對注塑機加熱系統(tǒng)進行了改造，使其滿足塑料加工行業(yè)的工藝要求，解決了注塑機電阻式加熱效率低下、控制精度低、壽命短等缺點，確保了塑料加工生產(chǎn)的穩(wěn)定、高效。

1 電磁加熱技術(shù)在注塑機加熱系統(tǒng)的應(yīng)用分析

1.1 注塑機加熱系統(tǒng)的現(xiàn)狀

傳統(tǒng)的注塑機加熱系統(tǒng)通常采用電阻絲加熱的方式，電阻絲產(chǎn)生的熱量要通過炮筒外部傳導(dǎo)到內(nèi)部才能完成對物料的加熱，因此，在加熱過程中熱量損耗太大，造成車間溫度過高，加熱效率低下。

近幾年，市面上一些采用電磁感應(yīng)加熱的加熱系統(tǒng)往往采用家用電磁爐的設(shè)計思路，沒有充分考慮到實際應(yīng)用中的長時間運行、車間現(xiàn)場環(huán)境等需求。從而導(dǎo)致運行效率底下，加熱不充分等問題。

為解決上述的問題，本文對加熱系統(tǒng)進行重新設(shè)計，使其滿足塑料加工行業(yè)的工藝要求，并且能在一定功率和頻率下實現(xiàn)穩(wěn)定的運行。

1.2 電磁加熱原理及優(yōu)勢

電磁電磁加熱技術(shù)的本質(zhì)是運用交——直——交電路將電磁能轉(zhuǎn)變成熱能，將380V工頻交流電進行整流然后逆變成10～20KHZ的交變電壓，通過諧振電路線圈產(chǎn)生交變的磁場，在料筒壁產(chǎn)生渦流效應(yīng)，從而實現(xiàn)了對物料的加熱。

電磁加熱技術(shù)的優(yōu)點：

（1）加熱效率高：在塑料加工行業(yè)主要使用的是電阻絲式的加熱方式，這種方式產(chǎn)生的熱量只能單面?zhèn)鲗?dǎo)，因此至少有一半的熱量耗散到周圍環(huán)境中，使周圍環(huán)境溫度升高。而在電磁加熱系統(tǒng)中，加熱線圈與被加熱物體不直接接觸，中間有保溫層進行隔熱，將熱量封鎖在被加熱物體中，極大的提高了電能利用率。

（2）加熱速度快：由于電磁加熱為非接觸式加熱，熱耗散較小，通過在被加熱物體上產(chǎn)生渦流效應(yīng)來對物體進行加熱，因此可以使物體很快達到預(yù)設(shè)溫度。

（3）控制精度高：可以采用多種控制策略進行精確的功率控制，使被加熱物體溫度與預(yù)設(shè)溫度相差不超過1℃。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)的主體框圖如圖1所示，分為整流濾波模塊、逆變模塊、諧振模塊、功率控制模塊。

2.1 主電路設(shè)計

整流模塊采用不可控三相整流橋，在整流模塊輸出側(cè)并聯(lián)一顆電解電容進行濾波，從而可以給逆變模塊提供穩(wěn)定的直流電壓。逆變器采用全橋逆變加串聯(lián)諧振的方式，使逆變產(chǎn)生的20KHZ脈沖通過諧振支路轉(zhuǎn)變?yōu)榻蛔兊拇艌?，從而實現(xiàn)電能向電磁能的轉(zhuǎn)換。

2.2 諧振電路的選擇

電磁加熱諧振電路可分為串聯(lián)諧振和并聯(lián)諧振兩種，與逆變器一起組成了諧振型逆變器。串聯(lián)型逆變器是由電感L、電容C、等效電阻Req串聯(lián)構(gòu)成。并聯(lián)型諧振逆變器是由電感L、等效電阻Req串聯(lián)再并聯(lián)電容C構(gòu)成。針對注塑機加熱系統(tǒng)的工作特點，系統(tǒng)選用串聯(lián)型電容逆變器，該逆變器具有以下幾個優(yōu)先：

（1）串聯(lián)諧振逆變器結(jié)構(gòu)更加適合注塑機加熱系統(tǒng)現(xiàn)場安裝方式。串聯(lián)諧振逆變器對布線要求交低，且諧振線圈與電容距離較遠，運行起來更加可靠。

（2）容易選擇IGBT，若選擇電壓型串聯(lián)諧振逆變器，只需反向并聯(lián)一個快速恢復(fù)二極管為諧振電流提供續(xù)流通路，并且該二極管只在逆變器功率因數(shù)角對應(yīng)時間內(nèi)通有電流，若逆變器工作在諧振狀態(tài)時，對此二極管的容量要求較小，IGBT模塊內(nèi)置的反向二極管均能滿足設(shè)計要求。

（3）電壓型串聯(lián)諧振逆變器易于啟動且容易工作在諧振狀態(tài)，對諧振電容的容量要求較低。

2.3 PWM移相控制電路的設(shè)計

移相PWM控制的原理是通過改變逆變電路輸出電壓的脈沖寬度來調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)的加熱功率。其原理是：使一個橋臂的驅(qū)動信號與逆變器輸出電流保持一定的相位差，稱之為定相臂，同時調(diào)節(jié)另外一組橋臂的相位，即移相臂。從而使逆變器輸出功率發(fā)生變化?？紤]到在注塑機加熱系統(tǒng)的實際應(yīng)用，選擇移相調(diào)功的方式既能提高輸出的精度，又能提高電源系統(tǒng)的輸入側(cè)功率因數(shù)。

系統(tǒng)采用UCC3895集成芯片，該芯片為TI公司產(chǎn)品，專門用來進行移相處理，該芯片在注塑機加熱系統(tǒng)中能夠穩(wěn)定可靠的運行，產(chǎn)生PWM波驅(qū)動IGBT橋臂，可以使系統(tǒng)正常調(diào)節(jié)負(fù)載的功率大小。

3 系統(tǒng)運行狀況分析

（1）將該電磁感應(yīng)系統(tǒng)運用于注塑機料筒后，加熱線圈與被加熱物體不直接接觸，中間有保溫層進行隔熱，將熱量封鎖在被加熱物體中，極大的提高了電能利用率，由電阻絲加熱的50%左右提升到90%以上。

（2）設(shè)備的加熱速度明顯加快，經(jīng)濟效益顯著提升，設(shè)備生產(chǎn)前的預(yù)熱時間由2小時減少到1-1.5小時。

（3）傳統(tǒng)的注塑機加熱系統(tǒng)通常采用電阻絲加熱的方式，電阻絲產(chǎn)生的熱量要通過炮筒外部傳導(dǎo)到內(nèi)部才能完成對物料的加熱，電阻絲外部的溫度高達200多度，使電阻絲迅速老化，壽命變短。而改造后的電磁加熱系統(tǒng)料筒外壁溫度只有80°左右，延長了元器件的使用壽命。

（4）溫度控制精度提高至：±1℃以內(nèi)，滿足注塑機工作時的工藝要求，且料筒受熱均勻，使產(chǎn)品質(zhì)量得到了保證。

（5）由于熱效率的提高，使熱耗散功率大大降低，車間溫度與工作環(huán)境得到了改善，有利于車間工人的身體健康。

4 結(jié)語

在能源短缺的今天，電磁加熱技術(shù)以優(yōu)異的性能和極高的電能利用率越來越受到塑料加工制造業(yè)的青睞。隨著電力電子技術(shù)的進步，利用電磁加熱技術(shù)制造的加熱系統(tǒng)也在不斷的變革，穩(wěn)定性和效率都得到了提升。

在國家倡導(dǎo)節(jié)能減排的大環(huán)境下，注塑機加熱系統(tǒng)越來越多的采用了電磁加熱的方式，由此可以預(yù)測電磁加熱必將給塑料制造業(yè)帶來一次革命。

【參考文獻】

[1]王光才.電磁感應(yīng)加熱技術(shù)在塑料加工工業(yè)的應(yīng)用[J].電力需求側(cè)管理，2007，9（6）：44-45.

[2]潘天明.現(xiàn)代感應(yīng)加熱裝置[M].北京：冶金工業(yè)出版社，1996：1-10：47-64.

[3]工興天.注塑技術(shù)與注塑機[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2005.

[4]夏思把，黨福祥，等.新型晶閘管中頻感應(yīng)加熱電源[J].電力電子技術(shù)，2002，36（04）：21-23.

[5]俞勇祥，陳輝明.感應(yīng)加熱電源的發(fā)展[J].金屬熱處理，2000（8）：28-29.

[責(zé)任編輯：王楠]