立式注塑机的变频节能改造(一)

发布日期：2014/5/22 15:59:17

        1 前言
        在塑料工业迅速发展的今天, 由于注射成型工艺对各种塑料的加工有着良好的适应性, 具有能一次成型外型复杂、尺寸精确或带有金属嵌件的质地密致的塑料制品, 且生产能力较高, 易于实现自动化, 因此注塑机不论在数量上或品种上都占有极其重要地位。
        现在立式注塑机被广泛应用于国防、机电、汽车、交通运输、建材、包装、农业、文教卫生及人们日常生活各个领域, 其总数占了整个塑料成型设备的20%- 30%, 是目前塑料机械中增长最快, 生产数量最多的机种之一。对于塑料制品行业来说, 电耗是其生产成本中的主要部分, 而立式注塑机又是塑料制品厂家的主要耗电设备。而当今, 全世界都面临着能源紧缺的问题, 我国情况更为严峻, 很多地方不得不采用拉闸限电、错峰用电等方法来控制用电。所以, 如何有效降低电耗, 节约能源, 成了普遍关注的问题。近年来, 各种各样的节能型注塑机纷纷涌现,但能真正得以推广应用的产品并不多。目前在市场上常见的主要有, 变频节能、变量泵节能和全电动式节能3 种类型。
        由于变量泵立式注塑机、全电动立式注塑机等设备价格昂贵、维护成本高且使用要求高等种种原因, 在我国国内市场上销量不大。变频节能技术是利用变频器能够灵活方便地改变电机转速的特点, 借助变频器将定量泵模拟成变量泵, 从而达到节能的目的。
        由于目前我国塑料加工企业在使用的立式注塑机90%以上都是定量泵注塑机, 因此采用变频技术对定量泵注塑机进行节能改造在我国具有很好的推广价值和广阔的应用前景。
        2 定量泵注塑机变频改造的节能分析
        注塑机在加工产品时, 是按锁模- 注射- 保压-溶胶、冷却- 开模- 顶针- 清料再锁模这样的循环过程周期性运行的。其各工序阶段所需工作压力和流量均不同, 整个注塑过程油泵的负载变化很大,有时几乎为零( 如冷却阶段) 。
        而传统的注塑机采用定量泵供油, 油泵电机是直接通市电, 一直在工频下以额定转速运行, 所以泵的输出流量无法随着负荷的变化而改变, 始终保持恒定的流量。当传统的定量泵注塑机在不同工序下需要不同的流量和压力时, 以前都是通过调节流量阀和压力阀来进行控制的。
        这种工作方式下, 当工作所需流量较小时, 油泵的供油量会远大于执行元件所需的油量, 多余的处于高压状态下的液压油则经溢流阀由旁路流回油箱。这样一方面大量的动能在阀门挡板上浪费了; 另一方面持续高压的油与管道的长期摩擦会产生大量的热量, 导致液压油的温升高, 从而消耗了大量的热能。为降低油温, 往往还需增加额外的冷却水循环, 进一步浪费了能源。因此, 传统定量泵注塑机液压系统的效率很低, 存在严重的能耗。
        另外, 长期以来注塑机的设计追求精密化和高速化, 设计时电机的功率通常又是按照各个动作的最大消耗功率来设计的。注塑机在高速高压下的注塑和高速回料时的能耗最大, 但实际生产中, 由于产品表面精度的要求, 往往产品不适合高速高压型, 因此往往导致注塑机的设计功率偏大。实际使用时电机的平均负载通常只有设计容量的40%- 60%, 个别情况甚至更低。这也造成了电机工频运行时电能的大量浪费。
        由上述分析可以看到, 如果能使系统自动跟踪注塑机本身的工作状态、工作压力和流量信号,适时适量地调节定量泵的输出流量, 使得泵的实际供油量与注塑机的工作流量需求在任何工作阶段均能保持一致, 就可以让电机在整个负荷变化过程中的能量消耗降到最小程度, 并基本消除溢流现象。由于变频器能够灵活方便地改变电机转速, 利用它控制油泵电机就可以方便地调节油泵的输出流量, 正好满足以上节能的需要。根据对图1 所示油泵的特性曲线分析, 可以比较利用阀门调节流量和通过控制油泵电机转速来调节流量两种方式下能耗情况的不同。曲线①②为油泵系统的管阻特性曲线, 表示油泵的转速不变的前提下, 在某一阀门开度下扬程与流量之间关系的特性曲线; ③④为泵的扬程特性曲线, 是以管路中阀门的开度不变为前提, 表明在某一转速下, 扬程与流量之间关系的曲线。当管路在某一特定的阀门开度, 油泵以某一特定转速工作时, 其工作点即为该阀门开度下的管阻特性曲线和该转速时扬程特性曲线的交点。如图1中的A 点为阀门全开、以额定转速n1 运行时泵的工作点; B 点为阀门全开、转速下降为n2 时泵的工作点; C 点为阀门关小、以额定转速n1 运行时泵的工作点。
        由于泵的轴功率P 与流量Q 和扬程H 的乘积成正比。体现在图1 中, 则有在工作点A 时, 轴功率PA 与AQ10H1 的面积成正比; 在工作点B 时, 轴功率PB 与BQ20H2 的面积成正比; 在工作点C 时,轴功率PC 与CQ20H3 的面积成正比。因此, 从图1中可以看到, 将管路的流量从额定流量Q1 降低到流量Q2 时, 两种方式下输出轴功率的区别。利用调节转速的方式会使工作点由A 移至B, 所需轴功率由PA 降到PB; 而利用调节阀门开度的方式工作点则是从A 移到了C, 所需轴功率由PA 变成PC。
        很显然, PA 和PC 的面积相差无几, 而PB 的面积却远远小于PA。这说明利用变频器调速的方式改变流量比用调节阀门开度的方式会节省更多的能量, 多节省的能量在图1 中可以用CBH2H3 的面积( 阴影部分) 体现出来。造成以上这种能耗差异的原因是通过调节阀门开度的方式虽然将流量Q 降低了, 但因为管阻增大, 扬程H 也增大了, 因此轴功率下降不会太多。所以用阀门调节流量的方式下大量的能量被阀门白白浪费了。可见利用变频器控制定量泵流量, 会比传统的阀门调节流量的方式节约更多的能量。
        而且, 立式注塑机的工作流量越低, 变频方式的节能效果越明显。另外应用变频器还能提高系统的功率因数, 减小油泵电机的无功损耗, 从而提高工厂的供电效率和电网质量。再有, 如果在立式注塑机非动作状态时让电机停止下来, 还能进一步扩大节能空间。综上所述, 对定量泵立式注塑机进行变频节能改造能够带来巨大的节能效果。

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