一． 塑料行業(yè)在國內(nèi)的發(fā)展形勢
現(xiàn)在人們已公認一個國家或地區(qū)塑料的人均年消耗量及塑料工業(yè)在國民經(jīng)濟中所占的地位是反映工業(yè)發(fā)展與進步的重要標志之一。中國塑料資源豐富，21世紀初主要合成樹脂年產(chǎn)量達1.4萬噸，排世界第4位。并且中國合成樹脂的產(chǎn)量還在以5%~10%的速度增長。中國又是塑料消費大國，據(jù)統(tǒng)計，其年消耗量占世界第二，僅次于美國，而中國的人均消費僅為19kg，在世界排名第32位，是工業(yè)發(fā)達國家的11%~20%，可見中國的塑料工業(yè)還要大發(fā)展，塑料機械前景廣闊。根據(jù)塑料制品的市場分析，目前中國塑料機械行業(yè)產(chǎn)值每年約100億元，而國內(nèi)市場需求約200億元，還有很大空間，注塑機的需求也逐步由南方向北方擴散，同時也帶將帶動塑料工業(yè)關(guān)聯(lián)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
二． 變頻改造在注塑行業(yè)發(fā)展趨勢
近幾年塑料行業(yè)發(fā)展越來越迅速，其中注塑行業(yè)也正迎來一個飛速發(fā)展的機遇。但同時行業(yè)內(nèi)的競爭也日漸激烈，各廠家除了重視產(chǎn)品質(zhì)量和品牌外，也越來越重視生產(chǎn)成本的控制。從注塑機工藝過程知道，在注塑成型產(chǎn)品成本中，電能消耗成本占了很大的比例，因而能否有效減少電能損耗，受到了各注塑機廠家和用戶的關(guān)注。隨著變頻調(diào)速技術(shù)的推廣，變頻調(diào)速在傳動控制和節(jié)能領(lǐng)域已日漸得到了廣泛應(yīng)用，尤其在泵類負載場合采用變頻控制節(jié)能效果顯著。本文以四方注塑機專用型變頻器為例，介紹了注塑機變頻改造的可行性和改造中常出現(xiàn)的問題及相應(yīng)處理方法。
三． 注塑機變頻改造可行性
3.1 注塑機基本概況及成型工藝過程
普通注塑機通常采用液壓傳動，其結(jié)構(gòu)包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動裝置和電氣控制裝置，后者的作用是保證注塑機預(yù)定工序的要求（壓力、速度、溫度、時間、位置）和動作程序準確有效地工作。
在傳統(tǒng)的注塑機中液壓傳動裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動作油缸、油泵電機及其它液壓附件和管道組成，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機帶動油泵提供。其中，油泵絕大部分是定量油泵，電動機通常提供額定功率和轉(zhuǎn)速，油泵將電動機所輸入的機械能轉(zhuǎn)變?yōu)閴毫δ�，然后向液壓系統(tǒng)的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動負載所需能量的要求
注塑機成型工藝是一個按照預(yù)定的周期性動作過程，即以合模---射嘴前進---射膠---保壓---溶膠、冷卻---開模---取出制品---將被注塑件放入模具中—合模等加工工序達到某件產(chǎn)品成型。
各個過程所需的速度和壓力因不同工藝而不同，即所需的液壓油流量不同，因而注塑機整個動作過程對油泵電機來說是個變負載過程。在定量泵注塑機液壓系統(tǒng)中，油泵電機始終以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量的液壓油，各個動作中相應(yīng)多余的液壓油則通過溢流閥回流，從而造成電能的浪費。據(jù)統(tǒng)計，由電液閥控模式造成電能損耗高達36～68%；根據(jù)注塑機設(shè)備工藝，油泵電機耗電占整個設(shè)備耗電比例高達65～80%。因此，對閥控電液模式進行節(jié)能改造具有很大的潛力。
3.2 普通注塑工藝中的主要損耗
第一為溢流損耗。隨產(chǎn)品及加工工序不同，各工序所需液壓、流量、壓力不同（見附圖1）。對于油泵馬達而言，注塑機在注塑過程的負載是處于變化狀態(tài)。而泵的流量是按照所需的最大流量來設(shè)計的，其原注塑油泵馬達以恒定的轉(zhuǎn)速提供的液壓流量，當注塑機所需的流量小于最大流量時，多余的液壓將通過溢流閥回流，這一部分能量就損耗掉了。
第二為節(jié)流損耗。當液壓油流經(jīng)閥的節(jié)流口時會有一定的壓降，這就是節(jié)流損耗。由于方向閥的節(jié)流面積比較大，所以大部分的節(jié)流損耗發(fā)生在比例閥上。同時由于液壓長期全速循環(huán)流動與液壓件機械劇烈磨擦，造成油溫過高，噪音過大，機械壽命縮短等不良現(xiàn)象。
第三為設(shè)計余量損耗。通常在設(shè)計中，一般會考慮到共用性，設(shè)計時以最大容量為基礎(chǔ)，因此用戶油泵電機設(shè)計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現(xiàn)象，造成電能的大量浪費。
圖一：注塑機工序圖和能耗對照圖
四． 變頻器在注塑機節(jié)能改造中的優(yōu)點
4.1 調(diào)速節(jié)能
根據(jù)注塑機的工藝要求,把總壓閥、低壓閥、一壓閥、二壓閥的開關(guān)信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后加在變頻器的輸入端作為變頻器的頻率給定信號，變頻器通過對其進行實時采樣并通過CPU處理，使輸出頻率隨比例閥的模擬信號成線形變化，在需要壓力和流量較小的工藝過程中使電機轉(zhuǎn)速降低，從而降低電機的輸出功率，在冷卻和半成品置入過程中可以讓電機停轉(zhuǎn)，使電機在整個負載范圍內(nèi)的能量損耗達到最小程度。
4.2 提高功率因數(shù)節(jié)能
無功功率不但增加線損和設(shè)備的發(fā)熱，更主要的是因為功率因數(shù)的降低導(dǎo)致電網(wǎng)有功功率的降低。由公式S²=P²+Q²，Q=S*SINφ，P=S*COSφ，其中：S-視在功率。Q-無功功率，P-有功功率，COSφ-功率因數(shù)。可知，當COSφ越大，有功功率 P越大。普通定量泵注塑機COSφ值在0.6-0.8之間，而使用變頻調(diào)速裝置后，由于變頻器內(nèi)濾波電容的補償作用，使得COSφ≈1，從而減小了無功損耗，增大了電網(wǎng)的有功功率。
4.3 軟啟動節(jié)能
由于原電機為直接啟動或Y/△啟動，啟動電流等于(3-7)倍額定電流，這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴重的沖擊，而且還會增加電網(wǎng)容量要求，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動對設(shè)備的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能裝置后，利用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值被限制在變頻器設(shè)置的加速中電流限幅水平以內(nèi)，一般不超過1.7倍額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對電網(wǎng)容量的要求，延長了設(shè)備和模具的使用壽命。
五． 變頻器節(jié)能改造原理
由泵類負載的工作特性可知，泵的流量與轉(zhuǎn)速成正比，泵的揚程與轉(zhuǎn)速的平方成正比，泵電機軸功率與轉(zhuǎn)速的立方成正比,如下述公式所示:
Q2/Q1=N2/N1 ；H2/H1=(N2/N1)2 ；P2/P1=(N2/N1)3
其中Q為流量、N為轉(zhuǎn)速、H為揚程。
圖2：閥門控制與變頻控制節(jié)能比較
圖2給出了閥門控制與變頻控制兩種模式下的節(jié)能效果比較。原有注塑機系統(tǒng)采用閥門控制，當流量由QA減少到QB時，由于管阻特性，工作點由A點轉(zhuǎn)移B點，消耗的功率與0EBF的面積成正比。若采用變頻控制，這時因閥門全開，其管阻特性不變，工作點由A點轉(zhuǎn)移到C點，消耗的功率與0ECH的面積成正比。因此，從圖2中可以看出，采用變頻調(diào)速比閥門控制更加節(jié)能，且隨著轉(zhuǎn)速的降低，電機輸出功率成立方關(guān)系減少。這樣，根據(jù)注塑工藝適時地調(diào)節(jié)油泵電機的轉(zhuǎn)速，即可達到節(jié)能的目的。
目前三相異步電動機大多采用變頻調(diào)速，由電機同步轉(zhuǎn)速公式：
n=60（1-S）f/p
其中，n為電機轉(zhuǎn)速；s為轉(zhuǎn)差率；f為供電頻率；p為極對數(shù)。
由上式可知，改變電源頻率即可改變電機轉(zhuǎn)速。因此，采用注塑機比例流量閥及比例壓力閥的控制信號同步控制油泵馬達的變頻器，使油泵電機的轉(zhuǎn)速與注塑機工作所需的壓力、流量成正比，從而使溢流閥的回流量減到最小，液壓系統(tǒng)輸出與注塑機生產(chǎn)所需功率相匹配，便可達到節(jié)能目的。據(jù)統(tǒng)計，其單機節(jié)電率可達25～65%。
