變頻液壓技術(shù)在注塑機(jī)中的應(yīng)用

孔藤橋

摘 要：現(xiàn)代科技的進(jìn)步為注塑機(jī)提供了更為人性化、前衛(wèi)、先進(jìn)的技術(shù)支持。從當(dāng)前的形勢(shì)來(lái)看塑機(jī)行業(yè)正朝向環(huán)保、超精密成型、高可靠性、高度自動(dòng)化、節(jié)能方向前進(jìn)。在變頻技術(shù)的支持下，變頻液壓注塑機(jī)就此誕生，比如電液復(fù)合注塑機(jī)。該類(lèi)型注塑機(jī)以液壓泵為對(duì)象，在調(diào)節(jié)液壓泵電機(jī)轉(zhuǎn)速的同時(shí)匹配最終流量，達(dá)成節(jié)能目的。相較于傳統(tǒng)注塑機(jī)來(lái)說(shuō)，這種注塑機(jī)的噪聲更低、效率更高、能量損失最小。本文將著重研究其原理、狀況以及優(yōu)點(diǎn)，以供借鑒。

關(guān)鍵詞：變頻液壓技術(shù) 注塑機(jī) 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ320 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）12（b）-0-02

1 變頻液壓節(jié)能原理

該技術(shù)的節(jié)能原理非常特殊，其應(yīng)用變頻器完成電源頻率調(diào)解工作，以此改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，最終實(shí)現(xiàn)注塑機(jī)的液壓系統(tǒng)工作流量、運(yùn)轉(zhuǎn)速度控制。此外通過(guò)控制液壓泵輸出，使得注塑機(jī)能夠得到其所需求的流量。液壓泵實(shí)際流量借助變頻器完成控制，能夠在液壓回路阻力不改變的基礎(chǔ)上，利用流量完成工作壓力適應(yīng)性調(diào)節(jié)，運(yùn)轉(zhuǎn)中可以有效降低液壓閥流量。該系統(tǒng)有著非常復(fù)雜、龐大的系統(tǒng)。電機(jī)轉(zhuǎn)速和液壓泵流量的關(guān)系非常密切，公式為Q=nq（Q為泵流量、n為電機(jī)轉(zhuǎn)速/q為液壓泵排量）。系統(tǒng)電機(jī)轉(zhuǎn)速公式為n=60f/p（f為電源頻率、p為磁極對(duì)數(shù)），兩個(gè)公式的結(jié)合也就是Q=60fq/p=kf（k為比例系數(shù)）。當(dāng)知道確定流量以后，通過(guò)該公式就能夠得到對(duì)應(yīng)頻率f=Q/k[1]。該公式可以幫助使用者結(jié)合實(shí)際需要，有計(jì)劃、有目的地完成不同工藝階段的流量轉(zhuǎn)換，使其變成直接頻率。此時(shí)就可以直接利用理論角度的知識(shí)解決實(shí)際操作頻率問(wèn)題。液壓泵流量與轉(zhuǎn)速為正比關(guān)系，軸功率與轉(zhuǎn)速立方同樣也是正比關(guān)系。

2 變頻液壓研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)對(duì)變頻技術(shù)的研究主要在于改造原有系統(tǒng)。當(dāng)前國(guó)內(nèi)已經(jīng)有很多廠家可以專(zhuān)門(mén)生產(chǎn)注塑節(jié)能變頻器，實(shí)現(xiàn)了注塑機(jī)能耗的有效控制。而歐美國(guó)家則將目光放在了電液復(fù)合注塑機(jī)的研究。歐盟就將電壓注塑機(jī)作為基本研究項(xiàng)目，并利用變頻驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了注塑機(jī)試驗(yàn)與研制。通過(guò)采樣試驗(yàn)得出，單工作循環(huán)中變頻驅(qū)動(dòng)電液注塑機(jī)效率可以達(dá)到50%以上，該效率遠(yuǎn)超普通注塑機(jī)一倍以上。

2.1 控制方式

總共包含3種變頻模式：第一種不加編碼器的VVVF方式完成調(diào)速與變頻，也就是變頻變壓調(diào)速變頻。第二種應(yīng)用編碼器閉環(huán)泛用矢量完成調(diào)速變頻。第三種編碼器閉環(huán)純矢量完成調(diào)速變頻。經(jīng)過(guò)不斷實(shí)驗(yàn)得出第三種方式得到的節(jié)能效果與響應(yīng)特性最好，能夠讓電動(dòng)機(jī)即便處于低速運(yùn)行條件情況時(shí)同樣得到大轉(zhuǎn)矩。在相同流量與壓力的條件下，響應(yīng)性能則得到了大幅度提升。種種優(yōu)勢(shì)為注塑機(jī)工作效率提供了有利的保障。

2.2 驅(qū)動(dòng)原理

其動(dòng)力源有兩種驅(qū)動(dòng)原理：第一種普通電動(dòng)機(jī)在變量泵和變頻調(diào)速的共同作用下形成動(dòng)力源。第二種高響應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)定量泵形成動(dòng)力源。第一種方法進(jìn)行流量控制時(shí)，如果流量小則應(yīng)用改變泵排量方式控制。如果此時(shí)流量超過(guò)界限，就會(huì)自行改變電機(jī)轉(zhuǎn)速控制。該工作模式最突出的優(yōu)勢(shì)便是噪聲很低，不過(guò)突出問(wèn)題是響應(yīng)速度相對(duì)較慢。第二種原理雖然電機(jī)有著較高的成本，不過(guò)泵成本則相對(duì)較低。此外其最大優(yōu)點(diǎn)在于電機(jī)流量、壓力都可以改變電機(jī)轉(zhuǎn)速，該模式電機(jī)過(guò)載能力高、響應(yīng)速度快。不論是哪一種運(yùn)作模式節(jié)能效果都非常突出。

歐美對(duì)上述兩種模式都進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，得出了大量的數(shù)據(jù)，這為注塑機(jī)節(jié)能的研究和發(fā)展提供了重要的幫助。

3 變頻液壓優(yōu)點(diǎn)

3.1 節(jié)能

應(yīng)用變頻液壓這項(xiàng)技術(shù)，能夠從起始階段就有效解決功率匹配節(jié)能需求。當(dāng)注塑機(jī)處于無(wú)負(fù)載、輕載、中載的情況時(shí)，變頻動(dòng)力系統(tǒng)本題的工作能力會(huì)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出傳統(tǒng)控制系統(tǒng)。其能夠有效減少注塑機(jī)的能量損失，環(huán)節(jié)溢流損失、無(wú)節(jié)流損失等問(wèn)題。注塑機(jī)變頻應(yīng)用定量泵，定量泵工作效率超過(guò)變量泵，因此還有著較高的回路效率。相較于傳統(tǒng)閥控節(jié)流，變頻液壓的節(jié)能能力可以達(dá)到30%～60%。此外還能改善電功率，在降低無(wú)功電流的同時(shí)，緩解了線(xiàn)路損耗問(wèn)題。

3.2 安全可靠

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)非常復(fù)雜，這源自于注塑成型本身就有著非常復(fù)雜的工藝和范圍比較大的壓力變化。此外不論是速度還是位置方面，注塑機(jī)變化都非常的大。變頻技術(shù)能夠全面升級(jí)、優(yōu)化調(diào)速系統(tǒng)，使調(diào)速系統(tǒng)更切合實(shí)際需求。轉(zhuǎn)矩閉環(huán)矢量控制在速度傳感器的作用與影響下，可以很好的滿(mǎn)足工藝使用要求。

3.3 噪聲小

注塑機(jī)中應(yīng)用變頻液壓技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)準(zhǔn)確、高效、完美的計(jì)算機(jī)控制。此時(shí)只需應(yīng)用檢測(cè)手段就可以得知執(zhí)行器運(yùn)算速度，利用對(duì)比方式比較給定速度，掌握二者偏差。該偏差能夠幫助工作人員得到真實(shí)、準(zhǔn)確的變頻控制信號(hào)。目前常用變頻器的配置幾乎都可以滿(mǎn)足注塑機(jī)矢量控制需要。變頻技術(shù)在使用中能夠根據(jù)相關(guān)工藝以及注塑機(jī)實(shí)況自動(dòng)、合理地選擇所需算法。所以注塑機(jī)能夠更好地達(dá)成產(chǎn)品質(zhì)量控制要求。

3.4 油溫低

注塑機(jī)變頻系統(tǒng)的定量泵選擇大多會(huì)選擇系統(tǒng)要求低、系統(tǒng)相對(duì)可靠的變量泵，以此替換成本高、系統(tǒng)要求高的設(shè)備。必須強(qiáng)調(diào)的是，電機(jī)與變量泵大部分情況下的速度都在基礎(chǔ)速度之下。所以可以有效減少系統(tǒng)聲音大小和液壓泵磨損情況。延長(zhǎng)了設(shè)備壽命，提升了系統(tǒng)可靠性。

4 注塑機(jī)變頻系統(tǒng)問(wèn)題

4.1 低速穩(wěn)定

如果泵速過(guò)低，就會(huì)出現(xiàn)自吸力下降的問(wèn)題，進(jìn)而引發(fā)不充分吸油情況，出現(xiàn)很強(qiáng)烈的噪音與嚴(yán)重的流量脈動(dòng)，這些因素都會(huì)影響速度穩(wěn)定性。此外異步電機(jī)低頻運(yùn)行與低頻力矩不足時(shí)的不穩(wěn)定和逆變器的貯能元件、濾波能量轉(zhuǎn)換會(huì)引發(fā)諧振現(xiàn)象，種種因素都是轉(zhuǎn)速不穩(wěn)定發(fā)生的真實(shí)原因。為解決穩(wěn)定性要求，可通過(guò)選擇性能更好的變頻器與泵完成解決。但這種方式成本相對(duì)較高。為了控制成本一般會(huì)選擇優(yōu)化控制算法與控制結(jié)構(gòu)，利用軟件補(bǔ)償優(yōu)化系統(tǒng)的方式改善穩(wěn)定性和系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)。

4.2 控制精度

對(duì)調(diào)速精度來(lái)說(shuō)，速度剛度的影響是非常突出的。速度剛度指的是執(zhí)行器速度不隨負(fù)載變化的能力[2]。此外系統(tǒng)慢時(shí)變特性同樣也是一項(xiàng)比較重要的原因。比如液壓系統(tǒng)泄漏量、油液粘性、油液溫度都會(huì)在時(shí)間變化的過(guò)程中出現(xiàn)變化，這些因素都會(huì)影響系統(tǒng)輸出與調(diào)速精度。為了減少這類(lèi)問(wèn)題帶給系統(tǒng)輸出的不良影響，就必須從兩個(gè)角度進(jìn)行考慮。第一個(gè)角度保障電機(jī)轉(zhuǎn)速在負(fù)載變化的過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)變化。第二個(gè)角度為通過(guò)減少或是消除液壓系統(tǒng)慢時(shí)變特性的方式，緩解甚至是消除其對(duì)系統(tǒng)帶來(lái)的輸出影響。

4.3 響應(yīng)速度

系統(tǒng)響應(yīng)速度對(duì)注塑制品生產(chǎn)效率、生產(chǎn)質(zhì)量的影響是非常突出的。所以響應(yīng)速度是注塑機(jī)系統(tǒng)中最重要的一項(xiàng)性能指標(biāo)。通過(guò)改變電機(jī)轉(zhuǎn)速的方式完成液壓系統(tǒng)流量的控制。因?yàn)殡姍C(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量與變頻器過(guò)載能力非常有限，而這兩點(diǎn)因素都會(huì)影響極速性能，所以變頻控制系統(tǒng)有些時(shí)候甚至比傳統(tǒng)控制系統(tǒng)響應(yīng)速度要更低。為了改善這一情況可以選擇性能出眾的變頻器提高響應(yīng)速度。高響應(yīng)電機(jī)取代異步電機(jī)能夠有效提升響應(yīng)速度。利用變頻控制系統(tǒng)節(jié)能突出、調(diào)速范圍大的優(yōu)勢(shì)，保留閥控馬達(dá)有著響應(yīng)快的特點(diǎn)組成復(fù)合調(diào)速系統(tǒng)能夠有效保障注塑快速性要求。

5 結(jié)語(yǔ)

在電機(jī)技術(shù)、變頻技術(shù)日益成熟的今天，液壓控制這項(xiàng)技術(shù)獲得了快速發(fā)展。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制的方式，注塑機(jī)生產(chǎn)質(zhì)量和效率將會(huì)得到良好的控制。高響應(yīng)伺服電動(dòng)機(jī)與矢量變頻器性能的提高會(huì)讓其價(jià)格逐漸降低，最終得到廣泛的普及。電動(dòng)控制與變頻控制的注塑機(jī)之爭(zhēng)最終會(huì)讓二者融為一體，這已經(jīng)成為今后的注塑機(jī)發(fā)展方向。未來(lái)變頻技術(shù)在注塑機(jī)中的應(yīng)用將會(huì)得到進(jìn)一步的發(fā)展與普及。

參考文獻(xiàn)

[1] 陳沖.注塑機(jī)液壓系統(tǒng)閥控變頻調(diào)速節(jié)能技術(shù)分析[J].工業(yè)設(shè)計(jì)，2016（6）：167，169.

[2] 梅克濤.變頻液壓技術(shù)在注塑機(jī)中的應(yīng)用探討[J].南方農(nóng)機(jī)，2015，46（6）：24，26.