注塑機的節能研究

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動力源電能消耗進行分析，外加上對變頻控制系統的了解，結合實際工程經驗和規則，采取變頻改造的方法，大大降低了能耗。通過應用案例，驗證了該改造的可行性。

關鍵詞：能耗 變頻系統 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，在可預測的將來，能源問題必將是制約一個國家發展的主要因素之一。再者，隨著全球經濟危機的逐漸復蘇與世界新型經濟體強勁的發展勢頭，中國作為世界新興經濟體的一員，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濟的高速發展，所以提高能源的利用率優化產業結構、減少能耗是我國現階段實現可持續發展的必由之路。其中塑料等高分子化合物作為主要的能耗之一，據不完全統計，其能耗占全國總能耗的30%以上[3]，在歐美一些發達國家節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大國，但還不是強國，每年以經濟持續增長的速度發展，目前普遍使用的注塑機的驅動系統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境造成了嚴重的破壞，因此研究注塑機在成型過程中的節能技術勢在必行。注塑機能耗的本質，就是注塑機加工同一個制品，輸出的能量較少即所謂的節能[1]

1.液壓系統動力源電能消耗

液壓系統動力源是注塑機消耗電能最多的一個部分，經測試一個單臺傳統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。液壓系統把原動機的機械能轉化為液壓能再轉換為機械能驅動執行機構，在這轉換過程的每一個環節如：電機、液壓泵、馬達等轉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，而且液壓系統不可避免地存在節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

變頻控制系統通過改變供電的頻率來調節電機的轉速，從而改變定量泵的排量，使負載所需的流量或壓力與系統相適應，基本沒有溢流和節流損失，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流量的調節來達到對系統壓力的調節。圖2-1是變頻控制注塑機系統的原理圖。

圖2-1 變頻控制注塑機系統

學者權龍、彭勇鋼、彭天好、黃方平等[4-7]都對變頻調速的液壓系統的響應、效率作了研究，并且對應用在注塑機上的情況做了分析，指出了變頻調速系統具有一定的響應速度與節能效果。文獻[8]對變頻調速控制、變量泵系統控制和變頻調速配合變量泵系統做了仿真，得出變頻調速的響應是最慢的。又由于自身的功率因素問題節能效果仍然有界限，該系統一般用于對現有注塑機系統的節能改造，因為將原系統改造成變頻系統要比改造成變量泵系統要簡單。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能耗。

3.變頻改造

一臺通用注塑機設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，以保證產品質量及生產率。根據注塑機原理，我們知道電機轉速越高，注射壓力也就越大，所以通過變頻器對注塑機電機進行調速來實現變壓節能是完全可行的。

當前大多數注塑機生產商家都未采用節能變頻器技術，還是采用的星形—三角形啟動，由工頻電網直接供電，啟動電流大，故浪費電能嚴重；如果采用變頻調速調壓的方式則可實現注塑機電機的軟啟動 ，并可根據各個不同工藝階段的壓力需求自動改變運行頻率，達到節能增效的目的，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節方式來實現，具有投資回收快的特點。

目前一些注塑機已采用了變頻節能技術，得到了節能、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，注塑機的變頻節能技術已日趨完善。

一般注塑機的變頻節能改造通常是：將用來控制調節比例調節閥的電量信號、進行轉換處理后，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），以此調節方式來滿足注塑機各種工藝對供油壓力和流量的要求，并達到節能的目的，如圖3-1所示。

圖3-1 變頻改造示意圖

為了實現注塑機在變頻調節時的最佳工況，一些公司特別研究開發了針對注塑機壓力，流量雙信號控制回路自動切換電路，它能根據注塑機各個不同工作環節的流量，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品時使用更是得心應手。

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矩與電機轉速的乘積。因此可以看出，當系統要求低流量時，系統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狀態上，并不能根據實際的需求來降低其轉速，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。

油泵變頻調速節電運行：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，這就存在節能的可能性，且潛力較大。據統計，注塑機節電率一般可達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，是極不經濟的運行的方式。

采用注塑機節電控制器，將控制比例流量閥的電流信號（0-1A），按每個生產工藝階段設定的流量比例，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電控制器作為驅動指令，控制油壓驅動電機的轉速，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相應轉速，輸出相應的流量，以提供系統所需的壓力。即需要多少提供多少，在源頭上讓它不產生浪費。因此用變頻節電系統在注塑機的整個生產過程中都具有明顯的節電效果，從而能夠較大幅度節省電能，為用戶帶來可觀的經濟效益。

4.應用案例

深圳市某公司同東莞市某節能公司合作，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6個中、大型水管接頭。這是應用變頻器的技術改造成功的典范，現已投產使用達半年之久，工作正常平均節電率達35%以上，深受用戶歡迎，經長達半年之久的應用對比，該廠已確定對另6臺注塑機也使用變頻器進行技術改造。這充分說明應用變頻器對大型注塑機實行節能的技術改造方案是正確的有效的，值得向大家推薦。

參考文獻：

[1]張友根.液壓注塑機與電動注塑機共創注塑機的發展[A].PPTS2O05塑料加工技術高峰論壇論文集[C]，2005.

[2]周孚宏.變頻器用于注塑機節能改造[J].電氣傳動，2005（2）：88-90.

[3]王昌炎.全液壓式注塑機液壓系統功率損耗[J].液壓氣動與密封，2007（2）l-3.

[4]權龍，李風蘭.注塑機電液控制系統節能原理及最新技術[J].機床與液壓，1999（5）：6-7.

[5]黃方平，徐兵，楊華勇，等.變頻液壓技術在注塑機中的應用[J].液壓氣動與密封，2004（3）：22-25.

[6]彭勇剛，洪杰.變頻控制在注塑機控制器中的應用[J].機電工程，2002，19（6）21-23.

[7]彭天好.變頻泵控馬達調速及補償特性的研究[D].杭州：浙江大學，2003.

[8]白國長，王占林.變頻調速-變量泵復合調節液壓系統仿真研究[J].2006.2，15（2）：424-426.