变频器在注塑机行业的应用
变频器在注塑机行业的应用
摘要
本文简述变频器在注塑机行业改造的节能原理，变频器在注塑机行业的改造方式，变频器改造后常见问题及解决方案，改造的成功案例。
关键词
变频器 注塑机 节能原理 改造方式 常见问题 解决方案
三．前言
注塑机作为现代高分子材料的成型设备，广泛应用于各种热塑性塑料（聚苯已烯、乙烯、聚丙烯、尼龙、ABC、聚碳酸酯等）、工程塑料的注射成型加工。自五十年代螺杆式注塑机问世以来，至今已有五十年的历史。纵观这几十年注塑机的发展，精密化、高速化、环保节能化仍是当前机发展的主要内容。精密化主要体现在注塑机控制系统的改善方面，高速化的发展主要表现在液压控制系统的改善方面。
长期追求精密化和高速化的注塑机设计，导致注塑机的能耗的日益增大，因此对于塑料制品行业来说，电耗是其生产成本的主要部分。近年来，一些国内外注塑机制造厂纷纷推出了各式节能型注塑机，包括变量泵注塑机、全电动注塑机等等，但由于制造工艺复杂、对使用要求高和设备价格昂贵等种种原因，在市场上销售数量不多。对于绝大多数生产厂家使用的定量泵注塑机来说，采用新技术进行节能改造更具有实际意义。经过多年的实践积累，这个重担落在了交流变频调速技术上。
四．注塑机变频器改造节能原理
（一）.注塑机工作过程
注塑机的工作过程有提压、加热、合模、射胶、保压、开模等环节。提压的目的是升高油泵的压力，此时要求油泵电动机高速运转，从而使油压快速升高，达到要求的工作压力；同时加热系统起动，使塑料填料快速熔化。合模则是为塑压工件提供射胶容腔，其合模力大小直接影响工件尺寸精度和表面光度。射胶过程是工件塑压的中心环节，其射胶量大小由射胶压力和射胶时间决定。射胶之后，则要冷却保压，使工件在规定压力下冷却固化，固化保压时间由控制单元决定。保压过程要求油泵压力较低，因此油泵电动机转速可以很低甚至停转。注塑机工作过程的最后一个环节是开模取出工件。
由此可见，注塑机的动力源即为油泵电动机，由于注塑机工作过程中所需的油泵压力高低变化频繁，而传统注塑机在低压维持过程的处理方式是能耗降速、切断电机电源或泻压，系统故障率高，电能的损失非常严重，尤其是工频起动时电流很大，不但浪费电能，系统冲击也很大。造成电网容量的增加。采用变频控制或变频改造注塑机可以很好的解决以上问题。
（二）.注塑机变频器系统的节电分析
油泵是注塑机工作的动力来源，利用变频器对油泵进行控制，主要通过对其流量的控制而有效的节能，这是变频器最广泛的一种应用。油泵是一种平方转矩负载，其转速ｎ与流量Q、压力P及泵的轴功率E的关系如下式所示：Q1/Q2＝n1/n2；p1/p2=(n1/n2)^2;E1/E2＝（n1/n2）^3上式表明，泵的流量与其转速成正比，泵的压力与其转速的平方成正比，泵的轴功率与其转速的立方成正比。由上面的公式可以看出当压力下降时，油泵功率呈平方关系下降。对于加热、保压、开模过程中压力并不是满负荷，电机处于较低转速即可提供适量的压力，而此时电机消耗的功率会明显降低。举例说明，设保压时需要压力为满负荷的50%此时消耗的功率为满负荷的35%，所以注塑机使用变频器改造后有很高的节电率。
（三）.注塑机变频改造必要性
变量泵型注塑机也是节能型注塑机的一种，但是其节电率相对较低。下面就其工作原理进行分析：变量泵与标准定量泵的主要区别是输出功率不同，变量泵的输出功率是随负载的变化而变化，而定量泵的输出功率相对恒定，在小流量动作情况下，变量泵的输出功率很低，而定量泵的输出功率基本恒定。变量泵的工作原理：在转速不变的情况下，通过改变斜盘与传动轴的夹角使柱塞和的轴向移动距离发生变化，从而改变排量，同时电机负载也会随着斜盘的斜度而改变，达到省电的目的。所以变量泵型注塑机在无流量信号时还是存在较高的空载电流，而且维护费用，改造费用较高。而变频器型注塑机不存在该现象，由于泵类负载的特性，采用变频技术改造后，节能效果十分显著。另外，使用变频调速技术大大减小了注塑机油泵电机的无功损耗，提高电机的功率因素，降低了线路损耗，从而提高了工厂的供电效率，从而达到节能的目的，对于一些供电容量紧张的企业，甚至可以免去昂贵的增容费；油泵电机实现软起动，减少了机械冲击。可以说变频器注塑机是节能型变量泵注塑机。
五.变频器在注塑机行业的改造方式
下面以惠丰ZS系列变频器为例，对原注塑机动力系统进行变频改造。变频器内置2路电流、电压光电隔离模拟输入口（0－1A或0－10V），提供控制信号与输出频率之间的曲线设定和超强的过载能力，使之较通用变频器更加适用于注塑机工作的特性，可与各种注塑机中使用的油泵马达进行最佳的匹配，保持高效节能运行，提高改造后注塑机的动态响应速度。
为提高系统工作的可靠性，注塑机电控系统还保留原有的工频模式，使得用户可以根据实际需要，灵活地在变频与工频之间自由转换。（一）.注塑机专用变频器特点
1.强化电磁兼容（EMC）设计，整机的抗干扰能力得到大大加强。
(1)所用关键元器件均采用国际、国内知名专业功率电子专业生产厂家出品的优质产品。
(2)产品均有先进的生产工艺保证一致性、可靠性。
(3)强化的EMC、EMI设计，增强了设备的稳定性。
2.功能丰富，适应性强
隔离型双通道模拟量输入通道，可单独使用，控制灵活，亦可由设定为加权比例控制等；具有模拟量输入输出补偿功能，可以自由设置输入输出模拟量调节范围（及量程补偿）；提供丰富多样的补偿方法和补偿参数，如转差补偿、电流补偿、直流制动、电流电压显示、定时操作等功能，操作使用极为方便。
(1)ZS系列变频器内置模拟量输入隔离电路、10V备用电源，抗干扰性强
(2)全程失速调节、端子功能定义等，使ZS系列产品的使用更加方便。
(3)信号采样板可以采集一路或两路信号，可以设置为取最大值采样，也可以利用加权比共同控制。
（二）.注塑机变频器改造接线方式
1、主回路接线。惠丰ZS系列变频器安装简单方便，只须将三相输入线（电源至变频器连接线）接在变频器端子R、S、T上，三相输出线（变频器至电机连接线）接U、V、W。接地线接PE端子，接地线面积不小于功率线的2/3，接地电阻不能大于10欧姆。
原注塑机控制系统图
改造后的电气接线
2、信号线接线。将流量，压力比例电磁阀的控制电流信号，串接在信号采样板上，即可实现变频器跟随注塑机所需的压力而自动调速的目的。见图所示为霍尔传感器使用的接线图。
接线说明：注塑机上流量阀电流信号经I1＋输入，I1－输出。压力阀电流信号经I2＋输入，I2－输出。如果只有一个信号输入则由当前输入信号控制频率。如果有两路信号控制，则由两路信号设定的加权比来决定频率的高低。
3、控制线的接入
因注塑机多为改造设备需要与原设备配合。所以预留了OP2、OP3端子（启动信号控制端子）为方向控制端子，需要接注塑机主电机马达控制接触器的三角形切换接触器上的一组独立的常开触点对启动信号进行控制，即保证马达接触完全后才可以启动变频器。
（三）变频器的调试
1．控制方式设定：接线完成，检查无误后给变频器供电，进行控制方式设定。根据注塑机特性设置为端子控制、模拟量调速方式。
2．加减速时间的设置：加减速时间的设定可以更好的保证您的生产效率和节电率。推荐时间见表
3．信号参数的调整：在使用我们将信号采样器串接到比例流量，压力控制回路中，通过霍尔传感器检测输入电流信号并输出0－5V的实时电压信号（对应于0－1A信号输入）。由于实际电流的所需电流的偏差，需要调整变频器模拟量输入的上限（大部分机器不需要调整），对于停机时带有一定电流输出的注塑机，还要调整模拟量输入下限。例如，我们假设某一工艺时输出电流信号0.5A。转换到变频器模拟量输入端口应为2.5V（信号采样器转率U＝5×I）。由于实际应用现场因素有可能电压降低到2.4V。此时为了保证加工速度我们应该把变频器模拟量上限改为4.8V。同样电压没有波动，但是想提高效率时也可以把模拟量上限稍微降低。对于带有“底流”的注塑机我们可以适当提高模拟量输入下限。假设某注塑机停机时带有0.1A底流，则应把模拟量输入下限改为0.5V。这样可以保证有较高的节电率，同时减少由于低频引起的电机温升。
4.变频器试运行：以上步骤完成后可以进行变频器试运行。控制流量，压力阀给变频器0.1A左右的信号，此时变频器运行在5Hｚ左右，观察电机的转向。如果反转请调整变频器参数或调整电机接线。
5.变频器运行及整机参数配合：变频器转向正确后可以开始运行试机，观测整个工艺过程中各个工艺阶段的压力、速度、时间。如果时间较长则应修改工艺适当提高压力或流量或稍微降低加，减速时间。注意不能无限制降低，那样变频器会频繁保护影响正常使用。如果压力或速度跟不上可以适当降低模拟量上限的电压值。
6.参数的记录：变频器调试正常后，应该把该模具加工时各工艺段的数据记录下来，以便其他人参考使用。更换模具时，出现时间和工艺不匹配现象请技术人员修改并记录数据。
（四）具体参数设置：ZS500、ZS700参数设置
1.F96＝1，F81＝0。
2．F3、F5根据现场情况决定加减速时间
3．F92根据电机转向决定是否更改，0为正向，1为反向
4．根据实际情况决定模拟量输入移量F71，模拟量输入下限F70
5．如果客户需要底线频率请设置F29为您需要的频率
六.变频器改造后常见问题及解决方案
1.生产效率问题
变频器的启动（加速）、停机（减速）均须一定的时间，这样势必会影响生产的效率。可以通过改进生产工艺的方式使生产效率接近于工频运转。
2.信号干扰
变频器作为干扰源容易干扰别的设备，同时作为精密设备又容易被别的设备干扰.如静电干扰保护。如原注塑机没有可靠的接地系统，建议重新设计接地回路，以保证注塑机、电机、变频器以及其他需接地的电路有好的接地回路。接地系统的设计请参考有关资料，这是抑制干扰，防止静电的关键措施。
3．温度信号受干扰的问题
对于某些品牌的注塑机，在经过变频改造后会发生温度信号受干扰的现象有，温度信号大幅度偏移。不仅如此，改造后的注塑机还会对邻近的一定距离内的其他注塑机产生干扰，影响温度控制。经过实际观察与测试，在有可靠接地系统的情况下，改造后的注塑机只对本身的温度信号有干扰，而对于邻近的其他注塑机不会造成干扰。这说明，良好的接地系统可以吸收掉来自同一电网内其他用电设备对其本身的干扰。安装变频器后，温度控制受干扰的解决方式大致有三种：
（1）在变频器输出端加装输出电抗器来减小变频器对周围环境的影响。推荐电抗器型号见表
（2）如果控制加热线圈的功率器件为固态继电器，而非接触器。固态继电器的控制信号极易受到变频器的干扰，具体处理方法为可以在固态继电器的控制端加装阻容吸收电路（阻容吸收推荐参数：电容－0.1UF-1.5UF/耐压大于50V；电阻几十欧姆/功率1－5w）。
（3）注塑机温感探头的型号，在早期的产品中，其外壳（屏蔽层）与信号的负端“－”是接在一起的，极容易受到外界的干扰。在注塑机变频改造后如温度控制受到干扰，可采取如下的办法：
a:将温感探头更换为屏蔽层与接地线完全分开的型号，几路温感探头的“－”端共同与大地相连。或将原来的普通热电偶更换为绝缘型热电偶会有明显的效果。
b:在温控仪及电脑的电源侧加装输出滤波器。
4．注塑机电机的振动问题
（1）电动机的机械共振，当电机在某一频率附近比较严重时可以通过设置共振频率回避点来解决。惠丰变频器提供了两个共振频率回避点，完全可以避免由于机械原因引起的共振现象。
（2）变频器频率的快速波动引起电机转速突变，导致油泵，油管振动。可加强电机与机体的刚性连接（加双螺母紧固，加装垫片等）。如果以上措施仍不能解决更换变频专用电机
5．电机发热的问题：由于变频改造后，电机运行在低频段时间较长，电机温升比改造前高5－6度属于正常情况，建议加装脱离电机而独立工作的大风量冷却风机，以加强电机的散热效果。
6．高次谐波问题：高次谐波的产生是变频器不可避免的问题，一般不会影响电网的质量，对于电网供电质量有特殊要求的企业可以加装交流输入电抗器以及直流平波电抗器。
推荐交流输入电抗器型号见表
推荐直流平波电抗器型号见表
7.工/变频控制系统：
需要工频/变频切换时，可采用转换开关，控制输出端接触器维护时手动进行变频/工频切换。也可以利用变频器提供的报警继电器在变频器维护时自动进行变频/工频切换。变频器及其它所需元器件可统一封装在一个电气控制柜内，控制柜依据现场实际情况确定尺寸大小。
电控柜原理见图
七.成功案例及测试数据
（一）宏达塑业有限公司
宏达塑业公司使用欧亚注塑机，生产PVC管材。注塑机采用单通道流量信号（0－1A）控制。调试过程中发现当流量信号低于1A时，油泵输油管抖动。例如0.6A变频器工作频率应该在30HZ，而实际上变频器在28－31Hｚ快速，反复波动。把频率固定没有出现电机抖动现象。经测试流量阀输出流量信号发现其发出的波动形为3.8ｍS为周期的锯齿波，导致变频器模拟量采样也跟着频繁变化。输出量的变化引起电机转速变化，造成油泵抖动。经调整变频器滤波时间，采用在5ｍS内取有效值的方式后一切正常。
设备资料见表
现场记录数据见表
七.结束语
经时间及实践证明变频器应用在注塑机节能改造上,是行之有效的节能方法,值得向塑料制品行业大力推广。
金蓝领技师论文
变频器在注塑机行业的应用
梁高青
2006．6
变频器在注塑机行业的应用
