淺析節能型壓鑄機電氣控制系統

周家民　葉瑞華

摘要：目前各類壓鑄機均存在著生產效率低、功耗大的問題。本文在壓鑄機的設計上做了一些研究，用以提高現有壓鑄機的性能以改變傳統的設計模式。

前言

隨著國民經濟的迅速發展及電力供應和服務日益完善，由電動機作為動力裝置的各種設備的應用范圍也越來越廣，但這些設備在設計時都是按照最大工況來考慮的，因此在設備運行的不同階段，電動機始終處于額定轉速下運行，運行效率只有30%～60%，設備運行工況點遠離其最高效率點。在啟動時還有較大的沖擊電流，造成的機械磨損和維修費用也較高，不僅損失電能較大，造成整個設備的工況也較差。

1 國內節能壓鑄機現狀

目前國內節能型壓鑄機主要分為兩種類型：

（1）異步變頻節能

變頻器經過反應信號跟蹤各個工藝期間壓力和流量的改變，并主動調節油泵電機的轉速，這樣，油泵電機的電耗將隨輸出負載的改變而改變，然后可最大限度的節電。

其缺點是：對壓鑄機改造需要再投入成本；由于油泵馬達高速低速頻繁變化，油泵吸排油忽高忽低，油泵內極易產生氣蝕，致使油泵遠遠低于其正常壽命；響應速度變慢，效率降低；變頻設備具有電磁污染。這種壓鑄機節能技術已經在壓鑄機行業逐步淘汰。

（2）同步伺服直驅泵控節能

伺服壓鑄機就是利用伺服驅動器+同步伺服電機+定量泵作為動力源系統替代傳統的異步電動機+定量泵的動力源系統。具體到壓鑄機，電液伺服系統實現被控制油泵的輸出流量和壓力快速、準確地跟隨上位機給定信號的變化，從而滿足了壓鑄機節能、高效對壓力、速度、時間的精準要求。

其缺點是：第一、液壓泵的轉速過低，自吸能力下降，容易造成吸油不充分而形成氣蝕，引起噪聲和流量脈動，影響速度的穩定性。第二、通過改變電機轉速來改變液壓系統的流量，由于一般的電機特別是異步電機的轉動慣量大于液壓泵的轉動慣量以及伺服驅動器的過載能力有限（過載50%只允許1min）影響了加速性能，減速也不能過快，否則，再生能量會引起逆變器直流電壓過高，保護功能動作。因此一般變轉速容積控制系統比傳統容積控制系統的響應要慢；第三、系統在慢時變特性時，如液壓系統中的油液溫度、油液粘性和泄漏量的大小等都會隨著時間呈非線性變化，從而影響系統的輸出特性和調速精度。

2.節能型壓鑄機設計

2.1問題分析

制造行業中，壓鑄廠所使用的主要設備為壓鑄機，其制造工藝過程一般有開模、合模、壓射、頂出，頂回等幾個階段，各個階段需要不同的壓力和流量。對油泵電機而言，壓鑄過程處于變化的負載狀態，在定量泵的液壓系統中，油泵電機以恒定轉速提供恒定流量，多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓溢流。據統計，由高壓溢流造成的能量損失高達36%～68%。以上問題可見，造成能耗損失和影響工況最直接的原因就是電動機的功率分配問題。調節電動機的功率可以改變它的電壓、電流和頻率；改變電流需要串聯電阻，不但沒有滿足機器的需要，而且電阻發熱浪費電能；調節電壓它可以起到限流作用，沒有額外發熱，但是它減小了傳動能力，速度減慢會使內部電流劇增，無法正常工作.所以只有調節頻率才是最好的，它可以減低速度，增大力的強度，實現了機械能的高效轉化.

全液壓式冷室壓鑄機是一種典型的周期性工作制設備，在一個完整的工作周期（工序過程）大致可分為鎖模，給湯，壓射，抽芯，冷卻，開模，頂針，蓄壓等幾個階段，各個階段都是通過油泵馬達泵出液壓油到各個油缸推動傳動機構完成一系列動作，各個階段需要不同的壓力和流量。對于液壓系統來說，每個階段對壓力，流量的匹配各不一樣，而油泵馬達的功率是根據其運行過程中最大負載配置的，而壓鑄機一個工作周期中只有高壓鎖模和壓射工作階段負載較大，其他工作階段一般較小，在冷卻過程的負載幾乎為零。對于油泵馬達而言，壓鑄機過程是出于變化的負載狀態，在定量泵的液壓系統中，油泵馬達以恒定的轉速提供恒定的流量，而工作所需壓力和流量大小是靠壓力比例閥和流量比例閥來調節的，通過調整壓力或流量比例閥的開度來控制壓力或流量大小。多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓溢流，由它造成的能量損失在36%～68%。

2.2改造方案

根據壓鑄機的工作特點，高壓溢流是壓鑄機的油泵電機浪費電能之處，因此控制該過程時電機的轉速功耗成為節能的關鍵之處。電機調速控制器（變頻器或伺服控制器）正是利用這一特點，根據壓鑄機的生產工藝需求，采用調速控制器調節油泵電機的轉速，根據壓鑄機工作時所需的壓力或流量參數及壓鑄機的動作反饋信號同步控制壓鑄機的比例流量閥，比例壓力閥實現壓力和流量的調節，其效果相當于將定量泵改造成變量泵，使通過溢流閥的回流流量降到最低，油泵輸出與整機運行所需壓力和流量相匹配，而且無高壓溢流能量損失，從而將傳統有高壓溢流的壓鑄機由耗能型升級為節能型。調速控制器通過反饋信號跟蹤各個工作階段的壓力和流量變化，并自動調節油泵電機的轉速，實現無極調速、軟啟動。由于電機工作頻率在0到50赫運行，始終處于額定功率以下，電機在額定頻率以下工作，減少了電機的使用電流，相應降低了電機的功率，從而達到了節電的目的。其轉差率小，轉差損耗少，效率高，特性硬，調速精度高，調速范圍大，啟動及制動能耗少。這樣，壓鑄機的電耗將隨輸出負載的變化而變化，從而可最大限度過的節電，即經濟又實用。變頻器的安裝方便簡單，除了通常的三根輸入電源、三根輸出電源以外，接地線也要接牢，壓鑄機的流量信號和壓力信號連接至調速控制器內部的專用的信號接口即可。

2.3效益分析

變頻調速和伺服調速是近代電氣工程中發展快速。壓鑄機屬于高功率設備，在使用過程中不但耗能大，并且在啟動和負載工作中產生很大的噪音；使用了調速控制器以后，在用電節能、延長設備壽命、降低維護成本和啟動噪音上都有顯著的效果。

（1）節約電能。自動控制轉速，提高功率因數，節約能耗，可降f氐30%_45%的能耗。

（2）電機啟動平穩，降低啟動噪音，對電網產生的啟動干擾也小。

（3）延長設備使用壽命；全程自動控制轉速，運行平穩，運行損耗摩擦小，發熱大為降低.

這項節能改造在減少電費的同時，因為調速控制器本身具有過電壓、欠電流、過流、過載和過熱等保護功能，可有效避免由此而引發的各種故障，并能及時提供故障信息。由于調速控制器可降低電機轉速，因而減少了設備的磨損，延長了壓鑄機的檢修周期和使用壽命。減少設備投資成本、維護成本，提高企業生產效率，增創企業效益。

3.結語

壓鑄工藝在機械工業、航天工業、汽車制造業和日用輕工業中，都占有重要地位。提高壓鑄機工藝優化水平和壓鑄機工作的可靠性將是壓鑄機控制系統的發展方向。

參考文獻