一、引言

      塑料制品加工行業(yè)是輕工行業(yè)中近幾年發(fā)展速度較快的行業(yè)之一，隨著塑膠企業(yè)數(shù)量的增多，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品競爭力成為許多塑料制品廠共同關(guān)心的問題。在加工成本中，電費占據(jù)了相當大的比例，而數(shù)量眾多的注塑機是耗電最多的設(shè)備，因此，很多塑料企業(yè)對定量泵注塑機進行了大量節(jié)能技術(shù)改造來實現(xiàn)節(jié)約電能、提高企業(yè)的競爭力，但對于變量泵注塑機很多企業(yè)包括很多專業(yè)的節(jié)能公司都束手無策，因此對于市場上存在的大量變量泵注塑機如何進行節(jié)能改造成了眾多塑料企業(yè)關(guān)心的熱點，深圳科創(chuàng)力源電子有限公司通過對變量泵注塑機的深入研究，結(jié)合最新的矢量控制變頻技術(shù)成功的實現(xiàn)變量泵注塑機的節(jié)能改造，并且取得了10－20％的節(jié)能效果。

二、定量泵與變量泵注塑機介紹

1）定量泵注塑機

      目前絕大多數(shù)改造的注塑機都屬于液壓傳動注塑機，液壓傳動系統(tǒng)中的動力由電機帶動油泵提供，其液壓油泵為葉片泵，其供油量與油泵的轉(zhuǎn)速成正比，當油泵馬達以50HZ恒速運轉(zhuǎn)時，油泵的供油量是不變的，所以稱為定量泵。其系統(tǒng)圖如下所示：

如圖一所示：

A1：油缸無桿腔活塞面積 F：工作負載 Q1：工作流量 P1：工作壓力 △p：比例調(diào)速閥兩端的壓力差

Qy：比例溢流閥流量 Pb：油泵壓力，Qb：油泵流量 Vb：油泵排量 n：電動機轉(zhuǎn)速

如圖一，該系統(tǒng)采用定量泵供油，油泵轉(zhuǎn)速n及油泵排量Vb都不可調(diào)，其油路中的各流量及壓力分別為：

    油泵流量Qb＝Vb×n為定值；

    油泵壓力Pb由比例溢流閥設(shè)定；

    工作流量Q1由比例調(diào)速閥設(shè)定；

    工作壓力P1＝F/A1取決于工作負載F；

      一般的注塑機的生產(chǎn)過程中有下面幾個環(huán)節(jié)：鎖模、射膠、熔膠、保壓、冷卻、開模。注塑機在不同工序下需要的流量和壓力不同，須依靠流量閥和壓力閥調(diào)節(jié)不同工序所須的流量和壓力，當工作所需流量較小時，油泵供油量大于執(zhí)行元件所需的油量，多余的處于高壓狀態(tài)下的液壓油全部經(jīng)溢流閥回流，大量的能量通過油的溫升消耗掉。這樣既加劇了各種閥門的磨損，又造成油溫過高，而且為了降低油溫，往往還需要額外的冷卻水循環(huán)，造成能量的進一步浪費。所以一般定量泵注塑機的改造用變頻器來控制油泵馬達轉(zhuǎn)速來調(diào)節(jié)流量，在規(guī)定的時間內(nèi)泵出的油量，剛好滿足各個動作環(huán)節(jié)的需要，可以將溢流量控制在最小狀態(tài)，從而節(jié)約了能源

2）變量泵注塑機

      目前，變量泵注塑機多采用比例變量泵作驅(qū)動元件，屬于典型的容積式調(diào)速系統(tǒng)，相比傳動定量泵注塑機有較明顯的節(jié)能效果。如圖二，該系統(tǒng)由負載敏感型比例變量柱塞泵、比例溢流閥、比例調(diào)速閥、壓力反饋閥、流量反饋閥等部分組成。

圖二 油路系統(tǒng)原理圖
A1：油缸無桿腔活塞面積 F：工作負載 P1：工作壓力 Q1：工作流量
△P：比例調(diào)速閥兩端的壓力差 Pb：油泵壓力 Qb：油泵流量 n：電動機轉(zhuǎn)速

工作原理

（1）系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時，油泵壓力Pb大于工作壓力P1且小于塑機設(shè)定壓力，比例溢流閥將可靠關(guān)閉。當負載變化時，Pb與P1之間的壓力差△P會有相應(yīng)波動，并使工作流量Q1發(fā)生變化。以上變化通過流量、壓力反饋閥傳遞給變量泵的調(diào)整活塞。活塞隨之推動柱塞泵斜盤并改變油泵排量，最終穩(wěn)定泵的輸出流量Qb。由此看出，該系統(tǒng)實現(xiàn)了壓力自適應(yīng)控制，基本上沒有溢流損失，但為了控制工作流量Q1，調(diào)速閥上仍存在一定節(jié)流損失。

（2）系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時，變量柱塞泵的斜盤傾角很小，僅有少量的液壓油流過比例溢流閥，保證形成一定的系統(tǒng)壓力。通過改變比例溢流閥的輸入信號，就可以得到相應(yīng)的油泵輸出壓力。比起傳統(tǒng)定量泵注塑機，該控制方式在一定程度上減小了溢流損失。

 三、變量泵注塑機的節(jié)能原理

      由上面的介紹我們可以知道，變量泵注塑機與定量泵注塑機相比，減少了大量的溢流損失，使得油泵電機負載變輕，電流減小，處于輕載狀態(tài)。變量泵注塑機是從液壓元件的角度出發(fā)，挖掘油路上的節(jié)能改造空間，從而提高了油路系統(tǒng)的工作效率。但受其控制方式限制，該系統(tǒng)不能完全消除節(jié)流、溢流損失。
1) 變量泵注塑機仍然有浪費的空間，從油泵上出來的油仍然要經(jīng)過比例調(diào)速閥和比例溢流閥的的調(diào)節(jié)，在閥門上仍然有一定的功率損失。

2)油泵的電機速度依然不能調(diào)節(jié)，雖然比起定量泵其負載輕了很多，但和通過調(diào)節(jié)速度來調(diào)節(jié)油量相比，顯然前者要更耗能。特別是系統(tǒng)處于壓力控制時，系統(tǒng)需要的壓力很大但是流量很小，而油泵電機的速度不能調(diào)節(jié)。若油泵的輸出流量、輸出壓力、排量、轉(zhuǎn)速分別表示為Q、P、Vb、n，則油泵的輸出功率N用公式表示為：

N = Q*P = Vb*n*P

      注塑機是通過機械裝置調(diào)整油泵排量Vb的，顯然其可調(diào)節(jié)的線性范圍有限，不能實現(xiàn)零排量輸出。且任何情況下，電機都是全速運轉(zhuǎn)，有很多無謂的能量損失。

3)油泵電機的啟動仍然是星三角啟動，功率因素較低。

 四、科創(chuàng)力源公司節(jié)電系統(tǒng)

      科創(chuàng)力源公司是將矢量變頻技術(shù)應(yīng)用于注塑機電機驅(qū)動上，通過速度調(diào)節(jié)及壓力PID閉環(huán)控制功能完成對注塑機的精確控制。油路上將比例調(diào)速閥人為硬性的將流量調(diào)至最大并保持或者拆除，同時切斷流量、壓力反饋閥對變量泵的活塞的控制。改為矢量變頻PID控制維持壓力的恒定，自動實現(xiàn)了壓力自適應(yīng)控制，這樣系統(tǒng)從源頭上消除油路中的節(jié)流及溢流能量損失，使注塑機獲得最佳的節(jié)能效果。系統(tǒng)如下所示：

工作原理：

      當油泵流量Qb接近或達到塑機的設(shè)定值時，油路系統(tǒng)進入流量控制狀態(tài)，變頻器的輸出頻率與塑機的流量設(shè)定值成正比。在此過程中，油泵流量Qb＝Vb×n始終與工作回路的需要相適應(yīng)，無需比例閥調(diào)速，也沒有多余流量溢出，可從根本上消除節(jié)流及溢流能量損失。當油泵工作在壓力狀態(tài)下，如下圖所示：

      頻器控制系統(tǒng)配備一塊智能轉(zhuǎn)換卡，變頻器將通過壓力傳感器實時監(jiān)控到這一壓力變化，并與塑機的壓力設(shè)定值做比較。當它們差值很小時，變頻器的智能轉(zhuǎn)換卡會及時將變頻器切換到壓力控制狀態(tài)。，啟動PID控制并通過PID功能保持系統(tǒng)壓力恒定。此時，變頻器的輸出頻率將與該壓力差值成正比。因差值很小，變頻器的輸出頻率及電機轉(zhuǎn)速將迅速降低，油泵僅維持很小的流量輸出，以彌補油路中的各種泄漏損失。

      科創(chuàng)力源CM50-J變頻器為開環(huán)矢量方式，起動轉(zhuǎn)矩大，0.5HZ可以達到180%的額定轉(zhuǎn)矩；動態(tài)響應(yīng)快，階躍轉(zhuǎn)矩響應(yīng)時間小于200MS；穩(wěn)速精度為0.5%。通過變頻器的閉環(huán)矢量調(diào)速功能，變頻注塑機的油泵轉(zhuǎn)速n可實現(xiàn)0到額定轉(zhuǎn)速之間線性調(diào)節(jié)范圍，尤其是在塑機待機及無動作情況下（如冷卻階段），電機及油泵轉(zhuǎn)速可降至0，基本無能耗損失。值得注意的是，油泵在低轉(zhuǎn)速時的容積效率會下降，這在一定程度上會影響了節(jié)電效果。對此，我們將通過提高變頻器低頻增益的方法來改善這種情況。而且，實際生產(chǎn)中流量低于20％的情況是極少的，所以油泵轉(zhuǎn)速也不可能出現(xiàn)過低的情況。

 五、成本及維護保養(yǎng)分析

      從我公司的在珠海某塑膠廠一些的變量泵塑機節(jié)能改造實例來看，對鎖模力120噸的臥式變量泵塑機進行變頻節(jié)能改造仍有20%的節(jié)電率。由此可見，變頻注塑機的節(jié)電率要高于變量泵注塑機，并對維護保養(yǎng)分析如下：

六、結(jié)束語

      深圳市科創(chuàng)力源電子有限公司在多年的實踐應(yīng)用中積累了許多寶貴經(jīng)驗，開發(fā)出在注塑機械上變頻器應(yīng)用的多種節(jié)能方案，此次又開發(fā)出變量泵注塑機變頻節(jié)能專用變頻器，必將引領(lǐng)塑機節(jié)能改造的新潮流。