變頻液壓技術(shù)在注塑機中的應(yīng)用

李 劍，陳浩強，許 睿，金 柱

（廣汽本田汽車有限公司，廣東廣州 510700）

0 引言

當(dāng)前，在各種塑料制品不斷涌現(xiàn)與廣泛應(yīng)用的大背景下，使得整個塑機行業(yè)得到飛躍式發(fā)展。在現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)支撐下，注塑機正朝向更加先進、前衛(wèi)、人性化的道路發(fā)展，除了逐步朝超精密成型、環(huán)保領(lǐng)域發(fā)展之外，還積極趨向節(jié)能、高度自動化、高可靠性的道路邁進。以變頻液壓技術(shù)為基礎(chǔ)而誕生的新型電液復(fù)合式注塑機，其運行原理主要是以液壓泵電機為對象，通過對其轉(zhuǎn)速進行適當(dāng)性調(diào)節(jié)，來實現(xiàn)最終的流量匹配，并最終實現(xiàn)節(jié)能的目的。

注塑機依據(jù)驅(qū)動控制系統(tǒng)不同，可劃分為全液壓式注塑機、全電動控制注塑機與電液復(fù)合式注塑機。相比于全液壓式注塑機，電液復(fù)合式注塑機的液壓回路，得到了一定程度的簡化，另外，在系統(tǒng)能量損失方面，也得到了較大程度的降低，在各項有利條件的綜合驅(qū)動下，變頻液壓注塑機的運行效率得到明顯提升，噪聲相比傳統(tǒng)注塑機，也得到大幅降低。另外，以變頻液壓技術(shù)應(yīng)用為支持的注塑機，其無論是在實用性上，還是在節(jié)能率上，均介于全電動式與全液壓式間，最高的是全電動式，但在調(diào)節(jié)壓力方面，以及具體的維修、使用上，電液復(fù)合式有著突出優(yōu)勢，在上述效能上，要明顯優(yōu)于全電動式。針對應(yīng)用變頻液壓技術(shù)的注塑機，分析節(jié)能原理及優(yōu)點，指出核心問題及解決對策。

1 變頻液壓技術(shù)節(jié)能基本原理

變頻液壓技術(shù)，有著比較特殊的節(jié)能原理，利用變頻器對電源頻率進行調(diào)節(jié)，從而適當(dāng)調(diào)節(jié)電機轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)對注塑機液壓系統(tǒng)運轉(zhuǎn)、工作流量等的控制。另外，通過對液壓泵輸出的控制，使其輸出能滿足當(dāng)前注塑工藝需要與要求的流量。針對液壓泵而言，其實際工作流量主要利用變頻器來實現(xiàn)控制。實際操作中，可以在不變更液壓回路阻力的前提下，僅進行流量的調(diào)節(jié)便能完成工作壓力的適應(yīng)性調(diào)節(jié)。此外，在整個運轉(zhuǎn)過程中，還能將液壓閥使用量降至最低。

注塑機液壓系統(tǒng)是一個有著龐大體系結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)類型，針對電機轉(zhuǎn)速來講，其在某種程度上與液壓泵流量間有著緊密關(guān)系，二者之間的關(guān)系公式為Q=nq，其中，Q是泵的流量，n是電機轉(zhuǎn)速，q是液壓泵的相應(yīng)排量。對于系統(tǒng)的電機而言，其轉(zhuǎn)速可用公式表示，即n=60f/p，其中，f表示電源頻率，p表示磁極對數(shù)；將上述公式結(jié)合，可得Q=60fq/p=kf，其中，k是比例系數(shù)。針對某個確定流量，利用公式Q=60fq/p=kf，均能得到一個與之對應(yīng)的頻率：f=Q/k。利用此公式，便能根據(jù)實際需要，有目的性、計劃性的實現(xiàn)各工藝階段流量的具體轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換成更為直接的頻率，這樣便能從基本的理論層面，有效解決實際操作中頻率的確定問題。針對液壓泵來講，其轉(zhuǎn)速與流量之間呈正比關(guān)系，轉(zhuǎn)速的立方與軸功率之間也呈正比關(guān)系，因此可得公式：Q∝n，P∝n3。

2 變頻液壓技術(shù)突出優(yōu)點

2.1 高效節(jié)能

在注塑機當(dāng)中有效應(yīng)用先進的變頻液壓技術(shù)，是一種從動力起始階段便將功率匹配問題考慮在內(nèi)的具有全局性、更加符合要求的節(jié)能方案。當(dāng)注塑機處于無負(fù)載、輕載及中載工作狀態(tài)時，此時的變頻液壓動力系統(tǒng)的效率相比傳統(tǒng)的容積控制系統(tǒng)明顯偏高。在注塑機中使用變頻液壓技術(shù)，能夠避免液壓調(diào)速系統(tǒng)發(fā)生各種異常情況，比如溢流損失、節(jié)流損失等。變頻與調(diào)速系統(tǒng)通常情況下采用的是定量泵，效率相比變量泵要高。與傳統(tǒng)類型的閥控節(jié)流調(diào)速相比，變頻調(diào)速在節(jié)能方面，能夠達到30%～60%。由此可知，在注塑機當(dāng)中，通過變頻液壓技術(shù)的應(yīng)用，能根據(jù)實際需要，實現(xiàn)無功電流的降低，最終實現(xiàn)降低線路損耗的目的。

2.2 系統(tǒng)可靠性與壽命提高

針對注塑機液壓系統(tǒng)，因整個注塑成型工藝的過程比較復(fù)雜，壓力變化范圍大，除此之外，無論是在位置還是在速度上，均有著比較大的變化。通過變頻技術(shù)的應(yīng)用，能使變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)得到更加全面、深入的優(yōu)化與升級，使其更加滿足實際應(yīng)用的需要。針對轉(zhuǎn)矩閉環(huán)的相應(yīng)矢量控制方式來講，其于速度傳感器所提供轉(zhuǎn)速影響與總體作用下，在對其速度、范圍進行實際設(shè)定時，可大于1∶100，因而能使速度調(diào)節(jié)更好的滿足注塑工藝過程的相關(guān)要求。

2.3 降低噪聲

將變頻液壓技術(shù)應(yīng)用于注塑機上，能更好的、更加有效、更加準(zhǔn)確的實現(xiàn)計算機控制，只要利用檢測手段而得到的與執(zhí)行器有關(guān)的運行速度，將其以對比的方式，與給定的速度作比較，從中便能得到二者之間的偏差，然后利用此偏差，便能比較準(zhǔn)確、比較真實的把變頻器的控制信號計算出來。當(dāng)前，所出現(xiàn)的各種變頻器中，均配置滿足實際運作要求的矢量控制，針對此種配置而言，其能夠依據(jù)注塑機工作實況及相關(guān)工藝過程，合理、自動選擇那些滿足當(dāng)前實際需要的控制算法，因此，在復(fù)雜注塑工藝過程實現(xiàn)方面，也就更加容易達成，使產(chǎn)品質(zhì)量的控制特性得到滿足。

2.4 降低油溫和泄漏量

在注塑機變頻液壓調(diào)速系統(tǒng)當(dāng)中，在選擇定量泵時，通常情況下，會選擇那些比較可靠，并且對系統(tǒng)要求方面有較低要求的，用此替換那些運用成本高、對系統(tǒng)有相對較高要求的變量泵。需指出的是，其中的電機與泵，大部分時間的運行均處于基礎(chǔ)速度一下，因而避免了長期于告訴下運轉(zhuǎn)，使得液壓泵磨損及系統(tǒng)聲得到大幅降低，使用壽命得到延長，提升了系統(tǒng)的整體可靠性。

3 注塑機變頻液壓系統(tǒng)核心問題

3.1 低速穩(wěn)定性

在注塑機液壓系統(tǒng)中，針對液壓泵來講，如若在實際運轉(zhuǎn)中，其轉(zhuǎn)速比較低，那么，其在自吸能力方面也就自然而然不高，受低轉(zhuǎn)速影響，非常容易導(dǎo)致系統(tǒng)在吸油方面的不徹底、不充分，形成難以控制的氣蝕，受此影響，系統(tǒng)會出現(xiàn)流量脈動情況，而且還會發(fā)生強烈噪聲，這些對速度的相應(yīng)穩(wěn)定性而言，均會造成較大程度、較大范圍的影響。此外，針對異步電機來講，當(dāng)其處于低頻運行狀態(tài)或處于低頻力矩不足狀態(tài)時，所產(chǎn)生的固有不穩(wěn)定性、無功功率的影響、貯能元件間能量交換所出現(xiàn)的諧振現(xiàn)象等，均為導(dǎo)致轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定的重要誘因。要想較好地解決低速穩(wěn)定性問題，可選擇那些高性能變頻器及低速性能好的泵，但這樣會使投入成本增加。也可以采用好的控制算法，或者運用更加合理、更規(guī)范的控制結(jié)構(gòu)，通過軟件技術(shù)，對系統(tǒng)參數(shù)的相應(yīng)優(yōu)化，進行有效、全面性補償，以此來實現(xiàn)系統(tǒng)低速穩(wěn)定性的提升，強化系統(tǒng)運行的動態(tài)品質(zhì)，使所投入的變頻液壓系統(tǒng)，除了可以較好的滿足注塑工藝操作的相關(guān)需要之外，還能達既定節(jié)能效果。

3.2 響應(yīng)快速性

基于注塑工藝過程及注塑機特點角度來考量而得知，需要系統(tǒng)有較快的響應(yīng)速度，不然會對所生產(chǎn)的注塑制品水平、質(zhì)量與使用等，造成不同程度的影響，除此之外，還會對實際生產(chǎn)效能、效率造成較大影響，所以，針對響應(yīng)的快速性來講，其在整個注塑機驅(qū)動控制系統(tǒng)體系當(dāng)中，處于核心地位，乃是其主要性能指標(biāo)。對于變頻容積液壓控制系統(tǒng)而言，其運作原理就是，以電機為對象，以其轉(zhuǎn)速為指標(biāo)，通過對指標(biāo)的相應(yīng)改變，以此來達到改變系統(tǒng)流量的目的。針對傳統(tǒng)形式的異步電機來講，其在轉(zhuǎn)動慣量方面，與運用變頻液壓技術(shù)的液壓泵來講，有著更大的轉(zhuǎn)動慣量，另外，在所使用的變頻器上，過載能力與之相比，相對有限，因而在實際運作中，會影響大整個系統(tǒng)的加速性能。對此，通常情況下，針對傳統(tǒng)的變頻容積控制系統(tǒng)而言，其在對應(yīng)的響應(yīng)方面，相比于傳統(tǒng)的容積控制系統(tǒng)，要更慢。針對整個系統(tǒng)架構(gòu)核心構(gòu)成的矢量型變頻器來講，其主要利用速度調(diào)節(jié)器，也就是用其相應(yīng)積分時間I、比例增益P來完成總體性設(shè)定，并以此來適當(dāng)性改變矢量控制的響應(yīng)速度，針對此響應(yīng)速度而言，其所具有的特性，除了會對注塑執(zhí)行動作力度產(chǎn)生直接影響之外，還會對成型周期響應(yīng)快慢，產(chǎn)生較大程度影響。如果是要求響應(yīng)速度快及大范圍調(diào)速時，可以選用綜合調(diào)速控制。這樣不僅能用變轉(zhuǎn)速容積控制系統(tǒng)所具有的節(jié)能效果明顯、調(diào)速范圍大的優(yōu)點，而且還能根據(jù)實際需要，將閥控馬達具有比較快的響應(yīng)這一優(yōu)點給保留下來，構(gòu)建起更加完備的調(diào)速系統(tǒng)，為注塑快速性提供切實保障。

4 結(jié)語

隨著電機變頻調(diào)速技術(shù)的發(fā)展與完善，液壓控制技術(shù)也得到快速發(fā)展。注塑機的整個生產(chǎn)過程，更便于、也更益于用計算機來控制。隨著矢量型變頻器性能的持續(xù)提升，以及高響應(yīng)伺服電機技術(shù)的日漸成熟，其價格呈下降趨勢，今后會得到廣泛普及。基于變頻液壓技術(shù)的注塑機，不僅有全電動式節(jié)能的優(yōu)點，還有液壓式高性能的優(yōu)點，已成為精密注塑機的未來發(fā)展趨勢，有著廣闊的發(fā)展前景。