變頻注塑機方案（速度+壓力閉環(huán)）
2009/8/10 11:49:36
說明：該方案直接面向注塑機生產(chǎn)廠家，目的是將矢量變頻技術應用于注塑機電機驅動上，通過速度閉環(huán)及壓力閉環(huán)功能完成對注塑機的精確控制。油路上取消了傳統(tǒng)的流量、壓力比例閥，在節(jié)約成本的同時可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。
以下內容將針對傳統(tǒng)定量泵注塑機、變頻注塑機及變量泵注塑機的特點做全面分析。
－、流量及壓力控制方式分析
在塑機的液壓系統(tǒng)中，液流的流量、壓力和方向是最基本的控制量，其中流量和壓力直接決定了系統(tǒng)的輸出功率和成型工藝。
按照對工作流量和壓力的不同要求，可將塑機的運行狀態(tài)分為流量控制狀態(tài)和壓力控制狀態(tài)。流量控制狀態(tài)以穩(wěn)定控制工作回路中的流量并使之達到塑機的設定值為目的，而工作回路中的壓力將小于塑機設定壓力，塑機的快速鎖模、射膠、溶膠等階段都屬于該狀態(tài)。壓力控制狀態(tài)以穩(wěn)定控制工作回路中的壓力為目的。在該狀態(tài)下，工作壓力接近或等于塑機設定壓力，而實際工作流量很小，如塑機的高壓鎖模及保壓階段等，系統(tǒng)過載、油缸推力不足時也屬于該狀態(tài)。
如圖一，該系統(tǒng)采用定量泵供油，油泵轉速n及油泵排量Vb都不可調，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由比例溢流閥設定；
工作流量Q1由比例調速閥設定；
工作壓力P1＝F/A1取決于工作負載F；
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：電動機轉速
l 流量控制狀態(tài)
系統(tǒng)在流量控制狀態(tài)時，因油泵流量Qb＝Vb×n為定值，除一部分流量Q1經(jīng)比例調速閥進入工作回路外，其余流量Qy都經(jīng)比例溢流閥排回油箱。
l 壓力控制狀態(tài)
系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時，因工作流量Q1極小，油泵流量Qb＝Vb×n的絕大部分都要經(jīng)比例溢流閥流回油箱，以此維持油泵壓力Pb達到設定值，能量浪費巨大。
可以看到，傳統(tǒng)的定量泵油路系統(tǒng)必會存在節(jié)流及溢流能量損失，用公式表示為：
△P×Q1＋Pb×Qy （參見圖二）
上述能量損失的原因究其本質有兩個，即流量不適應——過多的流量流入了油路系統(tǒng)；壓力不適應——供油壓力大于工作壓力，以補償比例調速閥的節(jié)流壓降。
1． 變頻注塑機
如圖三，該系統(tǒng)采用矢量變頻器驅動電機及定量泵，取消了傳統(tǒng)油路中的比例調速閥及比例溢流閥。油路中的調速功能由矢量變頻器直接控制電機及油泵轉速來完成，而壓力控制由壓力傳感器和變頻器的構成閉環(huán)PID功能來完成。因此，變頻器的頻率給定信號以塑機流量及壓力信號為準。另外，根據(jù)產(chǎn)品工藝及成本控制的需要，電機可選用加裝速度編碼器的普通電機或變頻專用電機。
圖三 油路系統(tǒng)原理圖
A1：油缸無桿腔活塞面積
Pb：油泵壓力
n：電動機轉速
F：工作負載
Qb：油泵流量
流量控制狀態(tài)
當油泵流量Qb接近或達到塑機的設定值時，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，無需比例閥調速，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。
需指出的是，在傳統(tǒng)定量泵油路中（參見圖一），系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時，油泵壓力Pb必定大于工作壓力P1，它們之間需要產(chǎn)生足夠壓力差△P來驅動比例調速閥工作，這是調速閥的工作特性。而變頻注塑機是通過調節(jié)油泵轉速直接控制油泵流量，而油泵壓力Pb取決于工作負載，即Pb＝ F/A1。由此，負載需要多少流量、壓力，油泵就相應輸出多少，實現(xiàn)了負載自適應控制，無能量損失。
l 壓力控制狀態(tài)
如下圖四，變頻器控制系統(tǒng)配備一塊智能轉換卡，可根據(jù)注塑機壓力反饋值的大小，自動轉換塑機的流量控制及壓力控制狀態(tài)。當油泵壓力Pb接近或達到塑機設定值時，油路油路進入壓力控制狀態(tài)，這時仍用流量設定值來控制變頻器頻率顯然是不合適的。
變頻器將通過壓力傳感器實時監(jiān)控到這一壓力變化，并與塑機的壓力設定值做比較。當它們差值很小時，變頻器的智能轉換卡會及時將變頻器切換到壓力控制狀態(tài)。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，并通過PID功能保持系統(tǒng)壓力恒定。
圖四 變頻器智能轉換卡原理圖
1． 變量泵注塑機
目前，變量泵注塑機多采用比例變量泵作驅動元件，屬于典型的容積式調速系統(tǒng)，相比傳動定量泵注塑機有較明顯的節(jié)能效果。如圖五，該系統(tǒng)由負載敏感型比例變量柱塞泵、比例溢流閥、比例調速閥、壓力反饋閥、流量反饋閥等部分組成。
圖五 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：比例調速閥兩端的壓力差 Pb：油泵壓力 Qb：油泵流量 n：電動機轉速
l 流量控制狀態(tài)
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且小于塑機設定壓力，比例溢流閥將可靠關閉。當負載變化時，Pb與P1之間的壓力差△P會有相應波動，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整活塞?；钊S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)了壓力自適應控制，基本上沒有溢流損失，但為了控制工作流量Q1，調速閥上仍存在一定節(jié)流損失。
l 壓力控制狀態(tài)
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。
通過以上三種控制方式的分析可以看出：
（1）傳統(tǒng)定量泵注塑機存在著相當嚴重的能源浪費情況。據(jù)以往統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，其最高工作效率不會超過40％，對這種注塑機的節(jié)能改造勢在必行；
（2）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。
（3）變頻注塑機從電氣控制的角度出發(fā)，從調速方式上改造傳統(tǒng)油路，利用現(xiàn)代電控系統(tǒng)精確、快速、可靠的特點，可從源頭上消除節(jié)流損失并減少溢流算損失。
二、系統(tǒng)響應及加速過程分析
以上三種系統(tǒng)的控制方式差異較大，也決定了它們對指令的響應速度有快有慢。下文將對此方面作出具體分析。
如圖六，比例調速閥的流量Q是由閥兩端的壓力差△P建立起來的。顯然，壓力差△P越大，其油路加速就越快。又由圖七，比例溢流閥的壓力P是隨著溢流Q的增大而提高的。由此得出結論：在同樣設定下，溢流量越多，調速閥兩端的壓力差就越大，加速也就越快。很明顯，定量泵的溢流量總會大于變量泵，其調速閥兩端的壓力差△P也要大些。所以，同樣設定下，定量泵系統(tǒng)要比變量泵系統(tǒng)加速快，承受負載的能力更強。
對變頻注塑機來說，因為比例調速閥取消，工作負載通過液壓油直接傳遞到泵體上，其系統(tǒng)加速過程主要由變頻器和電機的加速性能決定。英威騰電氣有限公司生產(chǎn)的CHV系列矢量變頻器具有輸出轉矩大、響應快等特點。變頻器在PG矢量控制狀態(tài)下0轉速仍有180%的額定轉矩輸出，而變頻器完全建立額定轉矩的時間只需0.1秒。另外，矢量變頻技術的一個突出優(yōu)點就是可使電機獲得較硬的機械特性，這使電機在負載突變時仍能保持相應的轉速。根據(jù)我公司以往的無PG矢量變頻器在注塑機節(jié)能工程上的應用表明，改造后的系統(tǒng)加速性能和改造前的定量泵系統(tǒng)不差上下。
由上得出，三種控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)定量泵注塑機、變頻注塑機的系統(tǒng)加速性能及承受負載能力要優(yōu)于變量泵系統(tǒng)，其產(chǎn)品成形周期也要短些。
三、節(jié)電率分析
無論是變量泵注塑機還是變頻注塑機，都是為了改變傳統(tǒng)定量泵塑機能耗大、效率低的缺點而發(fā)展起來的，因此節(jié)電率是比較兩個系統(tǒng)優(yōu)劣的至關重要的參數(shù)。若油泵的輸出流量、輸出壓力、排量、轉速分別表示為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
由前面的分析可知，變量泵塑機是通過改變油泵排量Vb節(jié)省能耗，變頻注塑機則是通過改變油泵轉速n達到節(jié)能目的。
通過變頻器的閉環(huán)矢量調速功能，變頻注塑機的油泵轉速n可實現(xiàn)0到額定轉速之間線性調節(jié)范圍，尤其是在塑機待機及無動作情況下（如冷卻階段），電機及油泵轉速可降至0，基本無能耗損失。值得注意的是，油泵在低轉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，所以油泵轉速也不可能出現(xiàn)過低的情況。
變量泵注塑機是通過機械裝置調整油泵排量Vb的，顯然其可調節(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，有很多無謂的能量損失。從我公司的一些塑機節(jié)能改造實例來看，對變量泵塑機進行變頻節(jié)能改造仍會有5%～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。
四、成本及維護保養(yǎng)分析
以下比較均以鎖模力120噸的臥式注塑機為基礎。
1．成本比較
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控制方式
比較項目 |
定量泵注塑機 |
變量泵注塑機 |
變頻注塑機 |
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油泵 |
葉片定量泵
50cc/r,16MPa
￥ |
柱塞變量泵
50cc/r,16MPa
￥ |
葉片定量泵
50cc/r,16MPa
￥ |
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壓力比例閥 |
通用比例溢流閥
ebg-03-c
￥1330 |
配套比例溢流閥
￥ |
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流量比例閥 |
通用比例調速閥
efg-03-c
￥2330 |
配套比例調速閥
￥ |
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Y/Δ接觸器 |
三相交流接觸器（*3）
￥ |
三相交流接觸器（*3）
￥ |
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變頻器 |
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矢量變頻器
英威騰15KW，PG反饋
￥ |
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壓力傳感器 |
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液壓壓力傳感器
0～1Mpa
￥ |
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電機 |
普通異步電機
15kw
￥ |
普通異步電機
15kw
￥ |
普通異步電機（配編碼器）
￥
變頻專用電機（配編碼器）
￥ |
2．維護保養(yǎng)分析
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控制方式
比較項目 |
定量泵注塑機 |
變量泵注塑機 |
變頻注塑機 |
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啟動方式 |
Y/Δ啟動，啟動電流大
電機功率因數(shù)低
對電網(wǎng)及油路沖擊大 |
Y/Δ啟動，啟動電流大
電機功率因數(shù)低
對電網(wǎng)及機械沖擊大 |
變頻軟啟動，啟動電流小
改善電機功率因數(shù)
對電網(wǎng)及機械沖擊小 |
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維修保養(yǎng) |
定量泵及通用比例閥
故障率低
維修成本低 |
變量泵及配套比例閥
故障率中
泵體維修費用高 |
定量泵、變頻器及比例閥
故障率中
維修費用中 |
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機械元件損耗 |
電機、油泵始終全速運行
流量及壓力供應過剩
機械元件損耗大 |
電機、油泵始終全速運行油泵排量自適應調節(jié)
機械元件損耗中 |
電機、油泵變速及停止運行
加減速斜坡可調
機械元件損耗小 |
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油溫及冷卻水 |
液壓油始終大量循環(huán)
油溫高，冷卻水消耗大 |
液壓油變量循環(huán)
油溫中，冷卻水消耗中 |
液壓油變量及停止循環(huán)
油溫低，冷卻水消耗低 |
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平均噪音 |
電機及油泵運行平穩(wěn)
平均噪音中 |
油泵有機械調節(jié)裝置
平均噪音高 |
電機軟啟動
無動作時不轉動
平均噪音低 |
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液壓油成本 |
對液壓油要求低
更換頻率低 |
對液壓油要求高
更換頻率高 |
對液壓油要求低
更換頻率低 |