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淺談注塑機(jī)節(jié)能省電的改造方法

時(shí)間:2019-11-25 03:40 閱讀:1822 來源:互聯(lián)網(wǎng)

一. 塑料行業(yè)在國內(nèi)的發(fā)展形勢
現(xiàn)在人們已公認(rèn)一個(gè)國家或地區(qū)塑料的人均年消耗量及塑料工業(yè)在國民經(jīng)濟(jì)中所占的地位是反映工業(yè)發(fā)展與進(jìn)步的重要標(biāo)志之一。中國塑料資源豐富,21世紀(jì)初主要合成樹脂年產(chǎn)量達(dá)1.4萬噸,排世界第4位。并且中國合成樹脂的產(chǎn)量還在以5%~10%的速度增長。中國又是塑料消費(fèi)大國,據(jù)統(tǒng)計(jì),其年消耗量占世界第二,僅次于美國,而中國的人均消費(fèi)僅為19kg,在世界排名第32位,是工業(yè)發(fā)達(dá)國家的11%~20%,可見中國的塑料工業(yè)還要大發(fā)展,塑料機(jī)械前景廣闊。根據(jù)塑料制品的市場分析,目前中國塑料機(jī)械行業(yè)產(chǎn)值每年約100億元,而國內(nèi)市場需求約200億元,還有很大空間,注塑機(jī)的需求也逐步由南方向北方擴(kuò)散,同時(shí)也帶將帶動(dòng)塑料工業(yè)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
 
二. 變頻改造在注塑行業(yè)發(fā)展趨勢
近幾年塑料行業(yè)發(fā)展越來越迅速,其中注塑行業(yè)也正迎來一個(gè)飛速發(fā)展的機(jī)遇。但同時(shí)行業(yè)內(nèi)的競爭也日漸激烈,各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外,也越來越重視生產(chǎn)成本的控制。從注塑機(jī)工藝過程知道,在注塑成型產(chǎn)品成本中,電能消耗成本占了很大的比例,因而能否有效減少電能損耗,受到了各注塑機(jī)廠家和用戶的關(guān)注。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的推廣,變頻調(diào)速在傳動(dòng)控制和節(jié)能領(lǐng)域已日漸得到了廣泛應(yīng)用,尤其在泵類負(fù)載場合采用變頻控制節(jié)能效果顯著。本文以四方注塑機(jī)專用型變頻器為例,介紹了注塑機(jī)變頻改造的可行性和改造中常出現(xiàn)的問題及相應(yīng)處理方法。
 
三. 注塑機(jī)變頻改造可行性
3.1 注塑機(jī)基本概況及成型工藝過程
     普通注塑機(jī)通常采用液壓傳動(dòng),其結(jié)構(gòu)包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動(dòng)裝置和電氣控制裝置,后者的作用是保證注塑機(jī)預(yù)定工序的要求(壓力、速度、溫度、時(shí)間、位置)和動(dòng)作程序準(zhǔn)確有效地工作。
     在傳統(tǒng)的注塑機(jī)中液壓傳動(dòng)裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動(dòng)作油缸、油泵電機(jī)及其它液壓附件和管道組成,液壓傳動(dòng)系統(tǒng)中的動(dòng)力由電機(jī)帶動(dòng)油泵提供。其中,油泵絕大部分是定量油泵,電動(dòng)機(jī)通常提供額定功率和轉(zhuǎn)速,油泵將電動(dòng)機(jī)所輸入的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ?,然后向液壓系統(tǒng)的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油,滿足液壓執(zhí)行機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)負(fù)載所需能量的要求
注塑機(jī)成型工藝是一個(gè)按照預(yù)定的周期性動(dòng)作過程,即以合模---射嘴前進(jìn)---射膠---保壓---溶膠、冷卻---開模---取出制品---將被注塑件放入模具中—合模等加工工序達(dá)到某件產(chǎn)品成型。
     各個(gè)過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同,即所需的液壓油流量不同,因而注塑機(jī)整個(gè)動(dòng)作過程對油泵電機(jī)來說是個(gè)變負(fù)載過程。在定量泵注塑機(jī)液壓系統(tǒng)中,油泵電機(jī)始終以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量的液壓油,各個(gè)動(dòng)作中相應(yīng)多余的液壓油則通過溢流閥回流,從而造成電能的浪費(fèi)。據(jù)統(tǒng)計(jì),由電液閥控模式造成電能損耗高達(dá)36~68%;根據(jù)注塑機(jī)設(shè)備工藝,油泵電機(jī)耗電占整個(gè)設(shè)備耗電比例高達(dá)65~80%。因此,對閥控電液模式進(jìn)行節(jié)能改造具有很大的潛力。
3.2  普通注塑工藝中的主要損耗
第一為溢流損耗。隨產(chǎn)品及加工工序不同,各工序所需液壓、流量、壓力不同(見附圖1)。對于油泵馬達(dá)而言,注塑機(jī)在注塑過程的負(fù)載是處于變化狀態(tài)。而泵的流量是按照所需的最大流量來設(shè)計(jì)的,其原注塑油泵馬達(dá)以恒定的轉(zhuǎn)速提供的液壓流量,當(dāng)注塑機(jī)所需的流量小于最大流量時(shí),多余的液壓將通過溢流閥回流,這一部分能量就損耗掉了。
第二為節(jié)流損耗。當(dāng)液壓油流經(jīng)閥的節(jié)流口時(shí)會(huì)有一定的壓降,這就是節(jié)流損耗。由于方向閥的節(jié)流面積比較大,所以大部分的節(jié)流損耗發(fā)生在比例閥上。同時(shí)由于液壓長期全速循環(huán)流動(dòng)與液壓件機(jī)械劇烈磨擦,造成油溫過高,噪音過大,機(jī)械壽命縮短等不良現(xiàn)象。
第三為設(shè)計(jì)余量損耗。通常在設(shè)計(jì)中,一般會(huì)考慮到共用性,設(shè)計(jì)時(shí)以最大容量為基礎(chǔ),因此用戶油泵電機(jī)設(shè)計(jì)的容量比實(shí)際需要高出很多,存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象,造成電能的大量浪費(fèi)。

 圖一:注塑機(jī)工序圖和能耗對照圖
 
四. 變頻器在注塑機(jī)節(jié)能改造中的優(yōu)點(diǎn)
4.1  調(diào)速節(jié)能
根據(jù)注塑機(jī)的工藝要求,把總壓閥、低壓閥、一壓閥、二壓閥的開關(guān)信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換后加在變頻器的輸入端作為變頻器的頻率給定信號(hào),變頻器通過對其進(jìn)行實(shí)時(shí)采樣并通過CPU處理,使輸出頻率隨比例閥的模擬信號(hào)成線形變化,在需要壓力和流量較小的工藝過程中使電機(jī)轉(zhuǎn)速降低,從而降低電機(jī)的輸出功率,在冷卻和半成品置入過程中可以讓電機(jī)停轉(zhuǎn),使電機(jī)在整個(gè)負(fù)載范圍內(nèi)的能量損耗達(dá)到最小程度。
4.2  提高功率因數(shù)節(jié)能
無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱,更主要的是因?yàn)楣β室驍?shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低。由公式S²=P²+Q²,Q=S*SINφ,P=S*COSφ,其中:S-視在功率。Q-無功功率,P-有功功率,COSφ-功率因數(shù)??芍?dāng)COSφ越大,有功功率    P越大。普通定量泵注塑機(jī)COSφ值在0.6-0.8之間,而使用變頻調(diào)速裝置后,由于變頻器內(nèi)濾波電容的補(bǔ)償作用,使得COSφ≈1,從而減小了無功損耗,增大了電網(wǎng)的有功功率。
4.3  軟啟動(dòng)節(jié)能
由于原電機(jī)為直接啟動(dòng)或Y/△啟動(dòng),啟動(dòng)電流等于(3-7)倍額定電流,這樣會(huì)對機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的沖擊,而且還會(huì)增加電網(wǎng)容量要求,啟動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大電流和震動(dòng)對設(shè)備的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后,利用變頻器的軟啟動(dòng)功能將使啟動(dòng)電流從零開始,最大值被限制在變頻器設(shè)置的加速中電流限幅水平以內(nèi),一般不超過1.7倍額定電流,減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對電網(wǎng)容量的要求,延長了設(shè)備和模具的使用壽命。
 
五. 變頻器節(jié)能改造原理
    由泵類負(fù)載的工作特性可知,泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比,泵的揚(yáng)程與轉(zhuǎn)速的平方成正比,泵電機(jī)軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比,如下述公式所示:
Q2/Q1=N2/N1 ;H2/H1=(N2/N1)2 ;P2/P1=(N2/N1)3
其中Q為流量、N為轉(zhuǎn)速、H為揚(yáng)程。

圖2:閥門控制與變頻控制節(jié)能比較
    圖2給出了閥門控制與變頻控制兩種模式下的節(jié)能效果比較。原有注塑機(jī)系統(tǒng)采用閥門控制,當(dāng)流量由QA減少到QB時(shí),由于管阻特性,工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移B點(diǎn),消耗的功率與0EBF的面積成正比。若采用變頻控制,這時(shí)因閥門全開,其管阻特性不變,工作點(diǎn)由A點(diǎn)轉(zhuǎn)移到C點(diǎn),消耗的功率與0ECH的面積成正比。因此,從圖2中可以看出,采用變頻調(diào)速比閥門控制更加節(jié)能,且隨著轉(zhuǎn)速的降低,電機(jī)輸出功率成立方關(guān)系減少。這樣,根據(jù)注塑工藝適時(shí)地調(diào)節(jié)油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速,即可達(dá)到節(jié)能的目的。
    目前三相異步電動(dòng)機(jī)大多采用變頻調(diào)速,由電機(jī)同步轉(zhuǎn)速公式:
n=60(1-S)f/p
其中,n為電機(jī)轉(zhuǎn)速;s為轉(zhuǎn)差率;f為供電頻率;p為極對數(shù)。
由上式可知,改變電源頻率即可改變電機(jī)轉(zhuǎn)速。因此,采用注塑機(jī)比例流量閥及比例壓力閥的控制信號(hào)同步控制油泵馬達(dá)的變頻器,使油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速與注塑機(jī)工作所需的壓力、流量成正比,從而使溢流閥的回流量減到最小,液壓系統(tǒng)輸出與注塑機(jī)生產(chǎn)所需功率相匹配,便可達(dá)到節(jié)能目的。據(jù)統(tǒng)計(jì),其單機(jī)節(jié)電率可達(dá)25~65%。   
 
六. 四方變頻器的應(yīng)用
6.1四方注塑機(jī)專用變頻器的特點(diǎn)
    四方注塑機(jī)專用變頻器(E520系列)是根據(jù)注塑機(jī)工作特性專門設(shè)計(jì)的變頻調(diào)速器。通過對閥控電流、電壓信號(hào)的采集,經(jīng)CPU處理后對油泵電機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)速,從而滿足注塑機(jī)工藝要求。它具有以下特點(diǎn):
    (1) 具有適合注塑機(jī)專用的頻率給定信號(hào)通道
通用變頻器的頻率給定信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)為0~10V電壓信號(hào)或4~20mA電流信號(hào),但注塑機(jī)專用變頻器則需具有0~1A/10V信號(hào)接收通道。四方E520系列變頻器可直接入0~1A電流信號(hào),而不需要另外加裝信號(hào)轉(zhuǎn)換電路。
    (2) 過載能力強(qiáng)、響應(yīng)速度快
    一般注塑產(chǎn)品的工藝周期相對較短,從10幾秒到幾分鐘不等。一個(gè)成型產(chǎn)品從開模到合模,要求各個(gè)過程動(dòng)作迅速。采用變頻控制時(shí),油泵電機(jī)負(fù)載頻繁變化,這就要求變頻器有很強(qiáng)的過載能力。四方E520系列變頻器根據(jù)閥控信號(hào)進(jìn)行快速升降速,加減速時(shí)間可達(dá)0.5~1s。
6.2變頻改造電路
    注塑機(jī)變頻改造時(shí)采用變頻+工頻控制方式。其控制柜主電路由電度表、四方變頻器和工頻旁路接觸器等構(gòu)成,控制電路由工頻/變頻切換開關(guān)、啟動(dòng)、復(fù)位開關(guān)、指示燈等構(gòu)成。
(1) 變頻控制柜主電路
    圖3給出了注塑機(jī)變頻節(jié)能改造的主電路圖。圖中,QF為斷路器,KM1、KM2、KM3為接觸器。在改造注塑機(jī)時(shí)仍保留注塑機(jī)原有控制電路中的星-三角轉(zhuǎn)換電路,這樣可方便改造同時(shí)保持注塑原來的控制特性。采用工頻旁路目的是為了在變頻器出故障時(shí)可直接切換到工頻運(yùn)行,而不影響生產(chǎn)。

圖3:注塑機(jī)變頻節(jié)能改造主電路圖
(2)變頻控制柜控制電路
圖4為注塑機(jī)變頻柜的控制電路框圖。圖中,SB為工頻/變頻轉(zhuǎn)換開關(guān),選用三級開關(guān);SB1為變頻器停止按鈕,SB2為變頻器啟動(dòng)按鈕;L1為總電源指示燈;L2為工頻運(yùn)行指示燈;L3變頻運(yùn)行指示燈;L4為變頻器故障指示燈,其故障信號(hào)由變頻器TA、TC輸出;KM1、KM2變頻運(yùn)行接觸器;KM3為工頻運(yùn)行接觸器。

圖4:注塑機(jī)變頻柜控制電路框圖
(3)變頻主要參數(shù)設(shè)置
    以四方E520系列變頻器在注塑機(jī)中的應(yīng)用為例,變頻器采用比例流量+比例壓力兩路信號(hào)控制,主要參數(shù)設(shè)定如表1所示。
F0.0=1,                  F0.1=1,
F0.7=1                   F3.19=2
F0.8=0.7,               F0.9=1.8,
F3.1=0.12,             F3.2=0.76
F3.3=0.12,             F3.4=0.70
F3.5=0.5,               F3.6=0.5                
表1:四方E520系列的主要參數(shù)設(shè)定
(4)E520系列注塑機(jī)專用變頻器的特點(diǎn)
1.與注塑機(jī)同步運(yùn)行,調(diào)試完成投用后無需任何調(diào)節(jié);即使更換模具和改變加工參數(shù),均無需對變頻節(jié)能控制器進(jìn)行調(diào)整。
2.改造后注塑機(jī)液壓油發(fā)熱明顯降低,一般比改造前平均油溫降低15~20℃以上;液壓油使用壽命可得到延長;注塑機(jī)冷卻用水量可節(jié)省30%以上。
3.  對整個(gè)系統(tǒng)的保護(hù)功能,(1)、變頻器自身的保護(hù);(2)、對電機(jī)的保護(hù);如:電流限制、過載、輸出短路或輸出接地等(3)、對因誤操作引起的機(jī)械損傷進(jìn)行保護(hù);如:未到熔融溫度強(qiáng)行溶膠引起火箭頭、炮筒、螺桿或溶膠馬達(dá)的損壞等。
4.  注塑機(jī)運(yùn)行噪音明顯降低,開、鎖模振動(dòng)減輕,延長設(shè)備和模具的使用壽命,改善工作環(huán)境;用電功率因數(shù)提高,油泵主電機(jī)平滑啟動(dòng),啟動(dòng)時(shí)無大電流沖擊并可減少配電設(shè)備容量。
5.  延長油路密封組件的使用壽命,減少停機(jī)維修幾率,節(jié)省大量維護(hù)費(fèi)用。
6.  注塑件加工周期越長,節(jié)能效果越好;
 
七. 調(diào)試中常出現(xiàn)的問題及處理方法
 7.1調(diào)試前注意事項(xiàng)
    注塑機(jī)變頻節(jié)能電氣改造相對比較簡單。但在改造前應(yīng)詳細(xì)了解注塑機(jī)工況,熟悉注塑機(jī)工藝流程。調(diào)試時(shí)應(yīng)注意以下事項(xiàng):安裝前查清注塑機(jī)原有電路接線方式,包括主電路和控制電路;仔細(xì)觀察注塑機(jī)工頻運(yùn)行是否正常,油泵馬達(dá)是否經(jīng)常處于過載狀態(tài);根據(jù)注塑機(jī)的模具及注塑工藝觀察注塑機(jī)節(jié)電改造的潛能;控制信號(hào)線路注意正負(fù)極性不要接反;信號(hào)線與主回路線要分開布線等。
7.2調(diào)試常見問題及處理方法
    由于注塑機(jī)工藝的特殊性,在改造中會(huì)遇到各種故障,以下為在注塑機(jī)變頻改造中常遇到的問題及處理方法。
    (1) 變頻器頻率無變化
由于變頻器采用注塑機(jī)閥控電流信號(hào)進(jìn)行調(diào)速,變頻器運(yùn)行后可能出現(xiàn)頻率顯示為0.0(有的變頻器顯示為0)現(xiàn)象,其主要原因包括:信號(hào)極性接反;信號(hào)取錯(cuò);信號(hào)接線端口與參數(shù)設(shè)定不符;注塑機(jī)輔助電源故障等。出現(xiàn)這種故障時(shí),應(yīng)先查明注塑機(jī)閥控制的類別是電流信號(hào)、電壓信號(hào)還是脈沖控制信號(hào)(部分機(jī)型),及信號(hào)正負(fù)極性是否與變頻器控制端子對應(yīng)。
    (2) 油泵噪音大
變頻器運(yùn)行后有些注塑機(jī)會(huì)發(fā)出異常的噪音,這時(shí)應(yīng)判斷噪聲源在何處,是來自電機(jī)還是油泵。若為油泵的噪音,則可能原因有:注塑機(jī)液壓油過少,有空氣吸入;注塑機(jī)濾油器或油路阻塞;注塑機(jī)油泵葉片磨損較嚴(yán)重。遇到該情況應(yīng)先檢查注塑機(jī)油泵,排除故障后方可運(yùn)行。另外,當(dāng)注塑機(jī)處于低速高壓工作狀態(tài)時(shí),也會(huì)出現(xiàn)油泵噪音異常情況,這時(shí)應(yīng)適當(dāng)提高速度給定。
    (3)溫度控制干擾
另一個(gè)注塑機(jī)變頻器改造中常遇見的問題,是改造后注塑機(jī)因干擾不能正常運(yùn)行。注塑機(jī)加熱單元一般采用熱電偶檢測溫度,這種檢測元件容易受諧波干擾,從而造成注塑機(jī)溫度顯示和控制不準(zhǔn)確。這時(shí)可從以下方面排除干擾:盡量縮短變頻器與注塑機(jī)電動(dòng)機(jī)之間的連線,動(dòng)力線用金屬軟管套裝,動(dòng)力線與溫度檢測線不要靠近走線;在變頻器近端主回路線纜上加裝電抗器或磁環(huán);變頻器可靠接地;或給注塑機(jī)內(nèi)部溫控電偶供電電源加阻容濾波電路,如圖5所示。

圖5:注塑機(jī)溫度干擾濾波電路圖
    圖中,A+為熱電偶端,B+接溫度控制板,處理時(shí)即在溫度檢測(熱電偶)線路中對稱地加入以上阻、容元器件以消除干擾。
 

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