赵清荣 刘文烽

(1.广西科技大学，广西 柳州545001；2.柳州自动化科学研究所,广西 柳州545001）

台达H E S系列在注塑机节能改造系统中的应用

赵清荣1刘文烽2

(1.广西科技大学，广西 柳州545001；2.柳州自动化科学研究所,广西 柳州545001）

本文介绍了注塑机的工作原理，论述了注塑机节能改造的可行性，分析了伺服节能效果,选择用台达HES系列伺服节能系统进行伺服调速,包括控制信号的选取与处理,伺服主电路和控制电路的设计从而使注塑机达到良好的节能效果。

注塑机；节能改造；HES系列伺服

0 引言

近几年塑料行业正迎来一个飞速发展的机遇，发展越来越迅速。对于塑料制品行业来说，电耗是其生产成本的主要部分，而注塑机是塑料制品厂的主要能耗设备之一，因此降低注塑机的能耗成为注塑行业降低成本、提高产品竞争力的有效途径。目前绝大多数的注塑机都属于液压传动注塑机，液压传动系统中的动力由电机带动油泵提供。在注塑周期的过程中，注塑机在不同工序下需要的流量和压力不同，必须依靠流量阀和压力阀调节不同工序所须的流量和压力，所以液压系统的负荷变化很大。由于定量泵不可调节输出功率，因此多余的能量只能在油的回流、油路泄露、油的温升中消耗掉。这样既加剧了各种阀门的磨损，又造成油温过高，电机噪音过大，以及机械寿命缩短等现象。并且通常在设计中，用户油泵电机设计的容量比实际需要高出很多，存在“大马拉小车”的现象，造成电能的大量浪费。因此推广交流变频调速装置在注塑机上的应用，对于减少能源浪费具有重要意义。随着变频调速技术的推广，伺服调速在电气传动控制和节能领域已日渐得到了广泛应用，尤其在泵类负载场合采用伺服控制节能效果显著。

1 注塑机工序及各阶段所需压力分析

注塑机主要用于热塑性塑料的成型加工。注塑机成型工艺是一个按照预定的周期性动作过程，经过仔细地观察和分析，注塑机的一个周期内的工作顺序如下：合模，锁紧，注射、保压一冷却、射储，塑化、开模一顶出制品、合模。

一个周期工作流程中，负载的变化导致系统压力变化比较大，在电机轻载和电机日空载的时候油泵电机仍在50Hz运行，其供油量是恒定不变的，多余的液压油经溢流阀流回油箱，大量的电能被浪费掉，造成能源的损失。因此，若对油泵电机进行伺服调速，将定量泵改变为类似变量泵的特性，当系统所需压力较高时，油泵电机以50Hz运行，系统所需压力较小时，伺服装置对油泵电机进行降频控制运行。电机输出的轴功率与油泵的出口压力和流量的乘积正比，油泵电机转速降低后，输出轴功率降低，就可以达到有效节能。

对注塑机进行节能改造有一个前提是：改造后不能影响设备的生产质量和生产效率，所以要求所选取的信号要准确、稳定、可靠、及时。对电机而言，要在射胶时刻把转速提到额定速度，在倒索完毕时把转速降到能满足开合模等工序即可;对电机日而言，要在开始射储时刻把电机的转速提起来，而在塑化完毕时刻把电机的转速降下去，这样就能达到良好的节能效果。考虑到电机从低速到高速切换要有一定的时间差，针对这一事实，电机全速运行的控制信号要选在射胶开始前一时刻的工作信号，而电机日全速运行的控制信号要选在射储开始前一时刻的工作信号。注塑机上与工序有关的电子器件比较多，有接近开关、光电开关、压力开关、限位开关、电子尺、电磁阀和编码器等。其中电磁阀的控制信号来自于PLC的输出，经过信号放大板后由24VDC电源来驱动电磁阀，满足稳定、可靠的要求。

图1

2 节能型注塑机控制结构示意图（如图1）

通过上位机采集现场阀门的压力信号和流量信号、电机后部编码器速度反馈信号，实时修正伺服装置内部运行指令，控制电机运行、加减速时间、启动和停止。

节能型注塑机控制方式：

图2

3 调试中常出现的问题及处理方法

3.1 调试前注意事项

注塑机伺服节能电气改造相对比较简单，但在改造前应详细了解注塑机工况，熟悉注塑机工艺流程，调试时应注意以下事项：安装前查清注塑机原有电路接线方式，包括主电路和控制电路；仔细观察注塑机工频运行是否正常，油泵马达是否经常处于过载状态；根据注塑机的模具及注塑工艺观察注塑机节电改造的潜能；控制信号线路注意正负极性不要接反；信号线与主回路线要分开布线等。

3.2 调试常见问题及处理方法

由于注塑机工艺的特殊性，在改造中会遇到各种故障，以下在注塑机伺服改造中遇到的问题及处理方法。

3.2.1 伺服装置频率无变化

由于伺服装置采用注塑机阀控电流信号进行调速，伺服装置运行后出现频率显示为0.0（有的伺服装置显示为0）现象，其主要原因为信号极性接反；信号取错；信号接线端口与参数设定不符；注塑机辅助电源故障等，出现这种故障应先查明注塑机阀控制的类别是电流信号、电压信号还是脉冲控制信号，及信号正负极性是否与伺服控制端子对应。

3.2.2 油泵噪音大

1)提高泵站压力。将泵站压力由31.4 MPa提高至37.0 MPa，保证支架具有足够初撑力，可以抑制顶板早期下沉。

伺服装置运行后有些注塑机会发出异常的噪音，这时应判断噪声源在何处，是来自电机还是油泵，若为油泵的噪音则可能原因有：注塑机液压油过少，有空气吸入：注塑机滤油器或油路阻塞；注塑机油泵叶片磨损较严重；遇到以情况应检查注塑机油泵，排除故障后方可运行，另外当注塑处于低速高压运行工作状态时，也会出现油泵噪音异常情况，这时适当提高速度信号。

3.2.3 温度控制干扰

注塑机伺服装置改造中常遇到的问题是改造后因干扰注塑机不能正常运行，注塑机加热单元采用热电偶检测温度，这种检测元件容易受谐波干扰从而造成注塑机温度显示和控制不准确，这时可以下方面排除干扰：尽量缩短伺服装置与注塑机电机之间的连线，动力线用金属软管套装，动力线与温度检测线不要靠近走线，在伺服装置近端主回路线缆加装电抗器或磁环；伺服装置可靠接地：或给注塑机内部温控电偶供电电源加阻容滤波电路。

4 伺服节能改造后的节电率分析与计算

对改造后的注塑机进行长时间的观察，分别统计电机和电机日的满载与轻载运行时间，把统计数据取平均值，得出如下结果，电机1满载时间6.6S，轻载时间6.2S;电机2满载时间6.1S，轻载时间6.7S;生产周期仍取平均周期12.8S。根据电机功率、电机轻载时间和生产周期，则可对节电率进行估算。

伺服装置内部有滤波电容，使得cosφ=1从而减少了无功损耗，增加了电网的功功率，从另外一个角度来看，这点也达到了节能效果。在进行变频节能改造之前，注塑机上两台电机每个工作日的耗电量为1753.5kWh(平均值)。对伺服节能改造后的注塑机进行日耗电量的统计，在每天早上8：00换班时刻记录注塑机工频配电柜内电度表读数并乘于倍数4.5得出电度数，统计数据如表1所示。

表1 变频节能改造后注塑机日耗电量统计表

根据表1统计数据计算实际节电率：

根据统计实际节电率达27.33%可知，将台达HES系列变频器变频用于注塑机节能改造能达到良好的节能效果。

根据统计实际节电率达27.33%可知，将台达HES系列变频器变频用于注塑机节能改造能达到良好的节能效果。

从以上的分析计算可以看出实际节电率27.33%比估算节电率31.86%有少许偏差，造成这一偏差的主要因素如下：伺服装置内部有一定的功率损耗;伺服控制柜内其它电气元件存在功率损耗;估算节电率是用公式分析计算的,存在一定的误差。

5 伺服节能注塑机的系统特色

1）超省电节能：比变量泵油压系统省电27.33%，比传统定量泵油压系统省电60%。在保持冷却阶段精密油电节能系统比传统射出机节能，亦可保证产能及精度。

2）系统油温低：油温降低5-10度，用油可减少50%-60%，可减少50%邮箱容积；并可省去冷却器或减小冷却器规格。

3）重复精度高：除省电功能，成品重量偏差范围在0.09%以下，更实现了精密的流量压力控制。

4）保压时间长：对壁厚制品十分有利。

5）频率响应佳：采用交流同步伺服电机，流量响应可达50ms。

6）耐恶劣环境：采用防震、防油、防尘Resolver(旋转变压器)。

7）旧机改造易：支援频比命令0-10V及线性三点校正，无需更换注塑机电脑控制。

8）简易多帮合流：省配管线，加大系统流量，省电效果更明显。

6 结束语

因注塑机的负载性质是恒转矩类，机械特性较硬，动态特性要求较高，需要选用矢量控制高性能伺服装置。要有起动转矩大、冲击电流小、动态响应快(加减速时间少)、速度控制精度高、保护功能齐全、性价比高的特点。台达HES系列伺服装置是为注塑设备开发，其设计优点正好满足注塑机节能改造的工艺要求和技术要求。

目前，随着工业自动化程度的不断提高和能源全球性短缺，伺服装置越来越广泛地应用在风机、水泵等的节能场合，应取得显著的经济效益。国内伺服的整机技术落后，虽有很多单位投入了一定的人力、物力，但由于力量分散，并没有形成一定的技术和生产规模。台达机电产品的一体化解决方案为用户产品开发节约了大量的成本和时间，其完善的售后服务体系为用户解除了很多的实际问题。

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