基于電磁加熱的注塑機加熱系統的開發與應用

宋偉男

【摘 要】針對目前注塑機加熱系統的弊端，提出了采用電磁加熱的方式對注塑機加熱系統進行設計與改造。電磁加熱相比于傳統的電阻絲式加熱方法，有著加熱效率高、速度快、容易控制溫度、加熱均勻等優勢。該系統采用PWM移相調節功率的方式來進行功率控制，采用電壓型串聯諧振作為系統的逆變諧振模塊，實現了注塑機加熱系統的高效、穩定的運行。

【關鍵詞】注塑機；電磁加熱；PWM移相調節

0 引言

隨著國民經濟的發展，能源短缺在當今已成為一個不可忽視的問題。在國家節能減排的倡導下，越來越多的企業開始注重節能與環保。塑料加工制造業是我國的支柱產業之一，由于產品同質化嚴重，塑料加工企業想提高利潤，只有在節能降耗、控制成本上下功夫。通常情況下，在塑料加工的過程中，電力成本大約可占到產品總成本的1/3，電能消耗的高低直接影響企業的利潤率，如何降低產品生產成本，提高產品的競爭力，是每個塑料加工企業面臨的一個核心問題。

為了提高電能利用率，減少生產成本，本文對注塑機加熱系統進行了改造，使其滿足塑料加工行業的工藝要求，解決了注塑機電阻式加熱效率低下、控制精度低、壽命短等缺點，確保了塑料加工生產的穩定、高效。

1 電磁加熱技術在注塑機加熱系統的應用分析

1.1 注塑機加熱系統的現狀

傳統的注塑機加熱系統通常采用電阻絲加熱的方式，電阻絲產生的熱量要通過炮筒外部傳導到內部才能完成對物料的加熱，因此，在加熱過程中熱量損耗太大，造成車間溫度過高，加熱效率低下。

近幾年，市面上一些采用電磁感應加熱的加熱系統往往采用家用電磁爐的設計思路，沒有充分考慮到實際應用中的長時間運行、車間現場環境等需求。從而導致運行效率底下，加熱不充分等問題。

為解決上述的問題，本文對加熱系統進行重新設計，使其滿足塑料加工行業的工藝要求，并且能在一定功率和頻率下實現穩定的運行。

1.2 電磁加熱原理及優勢

電磁電磁加熱技術的本質是運用交——直——交電路將電磁能轉變成熱能，將380V工頻交流電進行整流然后逆變成10～20KHZ的交變電壓，通過諧振電路線圈產生交變的磁場，在料筒壁產生渦流效應，從而實現了對物料的加熱。

電磁加熱技術的優點：

（1）加熱效率高：在塑料加工行業主要使用的是電阻絲式的加熱方式，這種方式產生的熱量只能單面傳導，因此至少有一半的熱量耗散到周圍環境中，使周圍環境溫度升高。而在電磁加熱系統中，加熱線圈與被加熱物體不直接接觸，中間有保溫層進行隔熱，將熱量封鎖在被加熱物體中，極大的提高了電能利用率。

（2）加熱速度快：由于電磁加熱為非接觸式加熱，熱耗散較小，通過在被加熱物體上產生渦流效應來對物體進行加熱，因此可以使物體很快達到預設溫度。

（3）控制精度高：可以采用多種控制策略進行精確的功率控制，使被加熱物體溫度與預設溫度相差不超過1℃。

2 系統總體設計方案

系統的主體框圖如圖1所示，分為整流濾波模塊、逆變模塊、諧振模塊、功率控制模塊。

2.1 主電路設計

整流模塊采用不可控三相整流橋，在整流模塊輸出側并聯一顆電解電容進行濾波，從而可以給逆變模塊提供穩定的直流電壓。逆變器采用全橋逆變加串聯諧振的方式，使逆變產生的20KHZ脈沖通過諧振支路轉變為交變的磁場，從而實現電能向電磁能的轉換。

2.2 諧振電路的選擇

電磁加熱諧振電路可分為串聯諧振和并聯諧振兩種，與逆變器一起組成了諧振型逆變器。串聯型逆變器是由電感L、電容C、等效電阻Req串聯構成。并聯型諧振逆變器是由電感L、等效電阻Req串聯再并聯電容C構成。針對注塑機加熱系統的工作特點，系統選用串聯型電容逆變器，該逆變器具有以下幾個優先：

（1）串聯諧振逆變器結構更加適合注塑機加熱系統現場安裝方式。串聯諧振逆變器對布線要求交低，且諧振線圈與電容距離較遠，運行起來更加可靠。

（2）容易選擇IGBT，若選擇電壓型串聯諧振逆變器，只需反向并聯一個快速恢復二極管為諧振電流提供續流通路，并且該二極管只在逆變器功率因數角對應時間內通有電流，若逆變器工作在諧振狀態時，對此二極管的容量要求較小，IGBT模塊內置的反向二極管均能滿足設計要求。

（3）電壓型串聯諧振逆變器易于啟動且容易工作在諧振狀態，對諧振電容的容量要求較低。

2.3 PWM移相控制電路的設計

移相PWM控制的原理是通過改變逆變電路輸出電壓的脈沖寬度來調節電源系統的加熱功率。其原理是：使一個橋臂的驅動信號與逆變器輸出電流保持一定的相位差，稱之為定相臂，同時調節另外一組橋臂的相位，即移相臂。從而使逆變器輸出功率發生變化。考慮到在注塑機加熱系統的實際應用，選擇移相調功的方式既能提高輸出的精度，又能提高電源系統的輸入側功率因數。

系統采用UCC3895集成芯片，該芯片為TI公司產品，專門用來進行移相處理，該芯片在注塑機加熱系統中能夠穩定可靠的運行，產生PWM波驅動IGBT橋臂，可以使系統正常調節負載的功率大小。

3 系統運行狀況分析

（1）將該電磁感應系統運用于注塑機料筒后，加熱線圈與被加熱物體不直接接觸，中間有保溫層進行隔熱，將熱量封鎖在被加熱物體中，極大的提高了電能利用率，由電阻絲加熱的50%左右提升到90%以上。

（2）設備的加熱速度明顯加快，經濟效益顯著提升，設備生產前的預熱時間由2小時減少到1-1.5小時。

（3）傳統的注塑機加熱系統通常采用電阻絲加熱的方式，電阻絲產生的熱量要通過炮筒外部傳導到內部才能完成對物料的加熱，電阻絲外部的溫度高達200多度，使電阻絲迅速老化，壽命變短。而改造后的電磁加熱系統料筒外壁溫度只有80°左右，延長了元器件的使用壽命。

（4）溫度控制精度提高至：±1℃以內，滿足注塑機工作時的工藝要求，且料筒受熱均勻，使產品質量得到了保證。

（5）由于熱效率的提高，使熱耗散功率大大降低，車間溫度與工作環境得到了改善，有利于車間工人的身體健康。

4 結語

在能源短缺的今天，電磁加熱技術以優異的性能和極高的電能利用率越來越受到塑料加工制造業的青睞。隨著電力電子技術的進步，利用電磁加熱技術制造的加熱系統也在不斷的變革，穩定性和效率都得到了提升。

在國家倡導節能減排的大環境下，注塑機加熱系統越來越多的采用了電磁加熱的方式，由此可以預測電磁加熱必將給塑料制造業帶來一次革命。

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[責任編輯：王楠]