注塑机的节能研究

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摘要：能耗是影响塑料注射成型的瓶颈之一。本文通过对液压系统动力源电能消耗进行分析，外加上对变频控制系统的了解，结合实际工程经验和规则，采取变频改造的方法，大大降低了能耗。通过应用案例，验证了该改造的可行性。

关键词：能耗 变频系统 注射成型

随着煤炭、石油等可再生能源的日益减少和全球能源消耗大增的背景下，在可预测的将来，能源问题必将是制约一个国家发展的主要因素之一。再者，随着全球经济危机的逐渐复苏与世界新型经济体强劲的发展势头，中国作为世界新兴经济体的一员，能源消耗量世界第一位，而且主要依靠能源进口来满足我国经济的高速发展，所以提高能源的利用率优化产业结构、减少能耗是我国现阶段实现可持续发展的必由之路。其中塑料等高分子化合物作为主要的能耗之一，据不完全统计，其能耗占全国总能耗的30%以上[3]，在欧美一些发达国家节能型塑料机械已占到全部市场的50%以上，我国是注塑机的生产大国，但还不是强国，每年以经济持续增长的速度发展，目前普遍使用的注塑机的驱动系统主要由异步电动机和定量泵搭配使用，由于注塑机完成各个动作需要的能耗不同，所以造成能量浪费。能量大量消耗的同时也对环境造成了严重的破坏，因此研究注塑机在成型过程中的节能技术势在必行。注塑机能耗的本质，就是注塑机加工同一个制品，输出的能量较少即所谓的节能[1]

1.液压系统动力源电能消耗

液压系统动力源是注塑机消耗电能最多的一个部分，经测试一个单台传统注塑机的能耗占总能耗的65%～80%[2]。该部分的能耗主要跟它的回路形式和控制方式有关。液压系统把原动机的机械能转化为液压能再转换为机械能驱动执行机构，在这转换过程的每一个环节如：电机、液压泵、马达等转换效率都不是百分之百的，都在不同程度上有一定的能量损失，而且液压系统不可避免地存在节流和溢流损失以及管路阻尼损失[3]。其次，由于负载需求功率与动力源的功率不匹配也会造成很大的能量损失。

2.变频控制系统

变频控制系统通过改变供电的频率来调节电机的转速，从而改变定量泵的排量，使负载所需的流量或压力与系统相适应，基本没有溢流和节流损失，大量减少各种液压阀的使用。可在不改变液压回路阻力的情况下通过对系统流量的调节来达到对系统压力的调节。图2-1是变频控制注塑机系统的原理图。

图2-1 变频控制注塑机系统

学者权龙、彭勇钢、彭天好、黄方平等[4-7]都对变频调速的液压系统的响应、效率作了研究，并且对应用在注塑机上的情况做了分析，指出了变频调速系统具有一定的响应速度与节能效果。文献[8]对变频调速控制、变量泵系统控制和变频调速配合变量泵系统做了仿真，得出变频调速的响应是最慢的。又由于自身的功率因素问题节能效果仍然有界限，该系统一般用于对现有注塑机系统的节能改造，因为将原系统改造成变频系统要比改造成变量泵系统要简单。表2-1在海天型号为HTB240B的阀控注塑机上改装变频器后得的系统能耗。

3.变频改造

一台通用注塑机设备在一个完整的注塑过程中包括锁模、射胶、充填、熔胶、冷却 、开模等阶段，其对压力的要求各不相同，开模阶段只需保证较小的压力即可，但要熔胶、冷却时却需要较大的压力，以保证产品质量及生产率。根据注塑机原理，我们知道电机转速越高，注射压力也就越大，所以通过变频器对注塑机电机进行调速来实现变压节能是完全可行的。

当前大多数注塑机生产商家都未采用节能变频器技术，还是采用的星形—三角形启动，由工频电网直接供电，启动电流大，故浪费电能严重；如果采用变频调速调压的方式则可实现注塑机电机的软启动 ，并可根据各个不同工艺阶段的压力需求自动改变运行频率，达到节能增效的目的，这些功能可通过变频器的流量压力模拟反馈或多段速度的调节方式来实现，具有投资回收快的特点。

目前一些注塑机已采用了变频节能技术，得到了节能、超静音、高效和可靠的显著效果，且能大大减少注塑机的耗电量，这已在众多注塑机用户中得到了非常好的评价与信赖。通过一些专家的测试和改良，注塑机的变频节能技术已日趋完善。

一般注塑机的变频节能改造通常是：将用来控制调节比例调节阀的电量信号、进行转换处理后，作为变频器输出频率的给定信号，或是将注塑机的锁模、射胶、熔胶、冷却、开模等工艺过程控制信号进行处理后，作为变频器的多段调速或程序控制信号（也是变频器输出频率的给定信号），以此调节方式来满足注塑机各种工艺对供油压力和流量的要求，并达到节能的目的，如图3-1所示。

图3-1 变频改造示意图

为了实现注塑机在变频调节时的最佳工况，一些公司特别研究开发了针对注塑机压力，流量双信号控制回路自动切换电路，它能根据注塑机各个不同工作环节的流量，压力要求不同而自动选择信号，这样在加工一些高精度的塑料产品时使用更是得心应手。

理论原理：油泵的输出功率： Pt=P+Qt=P×V×n（1）；油泵的理论转矩：Tt=0.5π×P×V（2）；P为压力，Qt为流量，V为油泵排量，n为油泵的转速，将（2）式代入（1）式得：Pt=2π×Tt×n（3）如果忽略机械能到液压能转换过程中的能量损失，则可近似认为油泵的输出功率等于电机的输出转矩与电机转速的乘积。因此可以看出，当系统要求低流量时，系统需要的功率其实是非常低的。但是实际情况却是，由于电动机始终运行在工频50HZ状态上，并不能根据实际的需求来降低其转速，以减小流量。因此多余的液压油只能通过比例流量阀流回油箱，造成能源的白白浪费。

油泵变频调速节电运行：从前注塑机的P=f（t）工序过程中看出，在不同时间段，注塑机的主油泵压力是变化的，而且起伏较大，这就存在节能的可能性，且潜力较大。据统计，注塑机节电率一般可达25%～60%。众所周知注塑机未使用变频器时，主泵的电动机始终恒速运行，是极不经济的运行的方式。

采用注塑机节电控制器，将控制比例流量阀的电流信号（0-1A），按每个生产工艺阶段设定的流量比例，得到0-1A的比例信号电表去打开电磁阀的比例开度，以提供系统所需的压力。多余的流量通过溢流阀溢流掉。把比例流量信号连接到注塑机节电控制器作为驱动指令，控制油压驱动电机的转速，油泵只补充油路中所消耗的那部份，油泵电机按比例指令运转相应转速，输出相应的流量，以提供系统所需的压力。即需要多少提供多少，在源头上让它不产生浪费。因此用变频节电系统在注塑机的整个生产过程中都具有明显的节电效果，从而能够较大幅度节省电能，为用户带来可观的经济效益。

4.应用案例

深圳市某公司同东莞市某节能公司合作，对广东南海新丰塑料厂4台主泵55kw大型注塑机（由东华800）进行了变频改造，该机最大压力可达2000t，最大投料量可达16000g，约1～2min生产6个中、大型水管接头。这是应用变频器的技术改造成功的典范，现已投产使用达半年之久，工作正常平均节电率达35%以上，深受用户欢迎，经长达半年之久的应用对比，该厂已确定对另6台注塑机也使用变频器进行技术改造。这充分说明应用变频器对大型注塑机实行节能的技术改造方案是正确的有效的，值得向大家推荐。

参考文献：

[1]张友根.液压注塑机与电动注塑机共创注塑机的发展[A].PPTS2O05塑料加工技术高峰论坛论文集[C]，2005.

[2]周孚宏.变频器用于注塑机节能改造[J].电气传动，2005（2）：88-90.

[3]王昌炎.全液压式注塑机液压系统功率损耗[J].液压气动与密封，2007（2）l-3.

[4]权龙，李风兰.注塑机电液控制系统节能原理及最新技术[J].机床与液压，1999（5）：6-7.

[5]黄方平，徐兵，杨华勇，等.变频液压技术在注塑机中的应用[J].液压气动与密封，2004（3）：22-25.

[6]彭勇刚，洪杰.变频控制在注塑机控制器中的应用[J].机电工程，2002，19（6）21-23.

[7]彭天好.变频泵控马达调速及补偿特性的研究[D].杭州：浙江大学，2003.

[8]白国长，王占林.变频调速-变量泵复合调节液压系统仿真研究[J].2006.2，15（2）：424-426.