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注塑機(jī)變頻改造方案

一、前言

眾所周知，節(jié)能減排，低碳生活，是現(xiàn)代社會的一種必然趨勢，能源危機(jī)在未來很長一段時間都會持續(xù)下去，所以這種必然趨勢也會逐漸成為一種生活習(xí)慣，乃至成為國家政策。

國家十三五會議中，針對節(jié)能減排，明確了目標(biāo)和要求，在重點領(lǐng)域，特別是工業(yè)方面，必須加強(qiáng)節(jié)能，要求規(guī)模以上企業(yè)逐年降低能耗百分之十幾，政府也會大力支持重點行業(yè)改造升級，構(gòu)建綠色制造體系。

2017年，特別剛剛過去的夏季，全國多個地方在用電高峰時期出現(xiàn)用電缺口，政府分區(qū)拉閘限電，并呼吁企業(yè)事業(yè)單和辦公樓，以及市民節(jié)約用電，家用大功率電器使用盡量避開用電高峰，高耗能電器盡量不同時使用，少開一盞燈，少用一樣電器。機(jī)關(guān)、事業(yè)單位、商業(yè)、娛樂、公共場所的空調(diào)溫度不低于26攝氏度。

根據(jù)統(tǒng)計，今年前八個月，我國工業(yè)用電量相比去年同期增長6.1%，如果不重視節(jié)能減排，用電形勢只會越來越嚴(yán)峻。

針對這些情況，各地政府也在積極努力，特別是經(jīng)濟(jì)相對發(fā)展較快的城市，政府從政策上和稅收上鼓勵節(jié)能減排，促進(jìn)制造業(yè)綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展。

大環(huán)境的趨勢明顯，而作為企業(yè)老板，隨著這幾年原材料成本的不斷上升，生意也越來越難做，企業(yè)利潤空間被壓縮，而占企業(yè)支出比例越來越大的能源消耗也開始被老板所重視，特別是很多中小制造企業(yè)的老板感嘆，電費都快交不起了。中國早期很多機(jī)電設(shè)備并沒有考慮節(jié)能減排，或者出于短期利益的考慮，沒有選擇價格昂貴的節(jié)能設(shè)備，以致生產(chǎn)工藝流程中存在許多空載運行的情況，白白浪費了很多能源，而這一部分浪費隨著產(chǎn)業(yè)利潤降低，企業(yè)老板也不得不想方設(shè)法考慮長效節(jié)能的方式降低成本支出。下文注塑機(jī)為例，主要介紹注塑機(jī)的工作原理及節(jié)能改造方案。

二、注塑機(jī)、油壓機(jī)節(jié)電工作介紹

注塑機(jī)液壓系統(tǒng)是一個壓力和流量波動較大的系統(tǒng)，在開模、合模、射膠、回料、頂出等不同工作階段，其壓力和流量都要發(fā)生有規(guī)律的變化。多數(shù)時間內(nèi)，負(fù)載的實際耗油量均小于油泵的供油量，造成高壓狀態(tài)下的液壓油部分經(jīng)溢流閥、比例閥等液壓元件溢出。該溢流部分不僅未伯任何有用功，而且產(chǎn)生熱量，造成液壓油發(fā)熱，既耗能，又有害。根據(jù)注塑機(jī)當(dāng)前的工作狀態(tài)，如開模、合模、射膠、回料、頂出等階段以及壓力和速度的高定要求，自動調(diào)節(jié)油泵的轉(zhuǎn)速，調(diào)節(jié)油泵供油量，使油泵實際供油量與注塑機(jī)實際負(fù)載流量在任何工作階段均保持一致，這樣，液壓油的溢流部分便沒有了，徹底消除了溢流現(xiàn)象，油泵出力減少，節(jié)省了油泵電機(jī)的電能消耗。變頻節(jié)能控制器便是利用控制供油馬達(dá)在不同的階段，提供相應(yīng)的轉(zhuǎn)速，使定量泵變?yōu)楣?jié)能型變量這一原理，來達(dá)到注塑機(jī)節(jié)能的目的。

三、注塑機(jī)能耗分析

a、注塑機(jī)哪里存在嚴(yán)重的浪費現(xiàn)象？

          有99%注塑機(jī)采用液壓傳動和電液比例控制技術(shù)，安裝定量泵的液壓系統(tǒng)過程一般分為鎖模、射膠、熔膠、保壓、冷卻、開模﹑頂針﹑待機(jī)（半自動）等幾個階段，各階段需要的壓力和流量就不同，對于油泵馬達(dá)而言，注塑過程是處于變化的負(fù)載狀態(tài)。在定量泵的液壓系統(tǒng)中，其轉(zhuǎn)速提供恒定的流量，多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓節(jié)流。據(jù)統(tǒng)計電能量損失高達(dá)35%-70%。

b、注塑機(jī)油泵馬達(dá)耗電在生產(chǎn)全過程中的比例是多少？

根據(jù)注塑機(jī)設(shè)備工藝的需求，注塑機(jī)油泵馬達(dá)耗電占整個設(shè)備耗電量的三分之二以上。極具節(jié)能潛力。

c、國際注塑機(jī)狀況如何？

隨著世界各國在環(huán)境保護(hù)，如能耗、噪聲、泄漏等其控制方面日益嚴(yán)格的要求，注塑機(jī)節(jié)能系統(tǒng)成為研究的重點。針對閥控電液控制系統(tǒng)有較大能量損失的不足，德、日等國著手研究電液比例閥結(jié)合的負(fù)載感應(yīng)型的注塑機(jī)電液控制系統(tǒng)。為進(jìn)一步降低能耗，減低成本。電機(jī)是用轉(zhuǎn)速可調(diào)的電動機(jī)驅(qū)動液壓泵為動力源。在保壓、冷卻及空轉(zhuǎn)工況保持恒定下達(dá)到節(jié)能、降噪音目的。

四、注塑機(jī)、油壓機(jī)節(jié)電改造原理

1.采用比例閥控制的節(jié)電改造方案：

注塑機(jī)油泵的流量Q與油泵轉(zhuǎn)速n成正比，只要改油泵電機(jī)的轉(zhuǎn)速就能改變泵的轉(zhuǎn)速，從而改變泵的吸油量．在油泵電機(jī)前面加節(jié)能器，節(jié)能器的轉(zhuǎn)速信號取自比例流量閥的驅(qū)動信號(0一1A），使節(jié)能器輸出轉(zhuǎn)速與注塑機(jī)流量比例閥門通過的流量保持同步。例如執(zhí)行元件需要50%流量，節(jié)能器帶動電機(jī)( Ne=1500)提供750轉(zhuǎn)的同步轉(zhuǎn)速，那么電機(jī)帶動油泵從油缸抽取50%流量。不抽取溢流的那部分流量，也就不產(chǎn)生不必要的浪費。特別冷卻和放料過程中油泵完全不從油缸抽取流量，電機(jī)可以完全停下，不消耗電能。與注塑機(jī)整個工藝完全吻合，在不影響生產(chǎn)效率的前提下實現(xiàn)高效節(jié)能。

2.注塑機(jī)節(jié)能變頻器特點

適用于注塑機(jī)節(jié)能與自動化改造的專用節(jié)能變頻器，采用優(yōu)良的控制策略使其具有較快的動態(tài)響應(yīng)，先進(jìn)的電流限制技術(shù)和硬件優(yōu)化設(shè)計，使產(chǎn)品具有超強(qiáng)的過載能力，能保證在負(fù)載頻繁波動的情況下，節(jié)能變頻器不跳閘。并具有以下特點：

a.高可靠性

完善的可靠性設(shè)計方案：如冗余設(shè)計，降額設(shè)計等，所有元器件全部采用工業(yè)或軍工等級，關(guān)鍵元器件全部采用進(jìn)口元件，關(guān)鍵電路全部采用高集成度厚膜IC，從而保證整機(jī)的可靠性；

b.高節(jié)電率

保留注塑機(jī)原有控制方式油路不變，采用先進(jìn)的微電腦控制技術(shù)，使定量泵變?yōu)楣?jié)能型變量泵，注塑機(jī)液壓系統(tǒng)與整機(jī)運行所需要的功率匹配，無高壓節(jié)流溢流能量之損失，提高油泵電機(jī)功率因素至0.96以上，節(jié)電率一般可達(dá)25%~65%，所有投資6~8個月便可收回。

c.軟啟動節(jié)能

由于電機(jī)為直接啟動或Y/Δ啟動，啟動電流等于（3-7）倍額定電流，這樣會對機(jī)電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴(yán)重的損壞，而且會對電網(wǎng)容量要求過高，啟動時產(chǎn)生的大電流和震動時對設(shè)備的使用壽命極為不利。而使用變頻節(jié)能改造后，用變頻器的軟啟動功能將使啟動電流從零開始，最大值也不超過額定電流，減輕了對電網(wǎng)的沖擊和對供電的要求延長了設(shè)備和模具的使用壽命。

五、注塑機(jī)、油壓機(jī)專用節(jié)電器應(yīng)用范圍

有采用比例閥控制油路系統(tǒng)的定量泵…一臥式注塑機(jī)、立式注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、吹塑機(jī)，其中包括單泵、多泵系統(tǒng)，單電機(jī)和雙電機(jī)注塑機(jī)，節(jié)電效果可達(dá)20%-65%；

所有采用比例閥控制油路系統(tǒng)的變量泵…一如注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、油壓機(jī)節(jié)電效果可達(dá)15-40%;

所有采用方向閥控制油路系統(tǒng)的定量泵一如臥式注塑機(jī)、立式注塑機(jī)、油壓機(jī)、大型油壓沖床，節(jié)電效果可達(dá)20-65%。

六、注塑機(jī)專用節(jié)電器選型及改造方案

現(xiàn)我司針對注塑機(jī)節(jié)能改造方面主要有以下三種思路：

一是注塑機(jī)電機(jī)部分改伺服，而這其中又分為幾個小類別，這也是本文介紹的重點；

二是對注塑機(jī)加熱料筒采用新的加熱方式；

三是將注塑機(jī)加熱部分的多余熱量回收利用到烘料。

第一種思路是注塑機(jī)節(jié)能常見方式，也是最主要方式，差不多占注塑機(jī)總能量損耗的百分之八十以上，注塑機(jī)電機(jī)改伺服又可以分為異步伺服和同步伺服，以及對應(yīng)的開環(huán)控制和閉環(huán)控制?，F(xiàn)就市面占比80%以上的定量泵注塑機(jī)采用不同的伺服改造方案進(jìn)行說明，并做一些簡單分析：

注塑機(jī)的生產(chǎn)周期原理是：合模-注射-保壓-回料-冷卻-開模-頂出。定量泵注塑機(jī)設(shè)計時電機(jī)的功率是按照各個原理動作的最大消耗功率來進(jìn)行設(shè)計的，其中以高速高壓的動作的能耗為最大。但實際生產(chǎn)中，由于產(chǎn)品的表面精度的要求，往往產(chǎn)品不適合高速高壓成型，因此通常情況下注塑機(jī)電機(jī)的平均負(fù)載只有60%，個別情況甚至只有40%。注塑機(jī)并不會根據(jù)負(fù)載不同調(diào)整輸出能量，大部分能量作了大量的無用功，因此能量損失巨大。

A、注塑機(jī)異步伺服節(jié)能改造方案

①開環(huán)控制；此方案是將注塑機(jī)流量與壓力的電流（0-1A）信號串聯(lián)入伺服器信號轉(zhuǎn)換板，部分注塑機(jī)僅有壓力信號（伺服器支持單比例信號），流量與壓力信號同時輸入時，伺服器選擇數(shù)值比較大的信號作為參考輸出。節(jié)能原理是通過自動檢測生產(chǎn)過程中的所有階段

（合模、注塑、保壓、回料、冷卻、開模、頂出）的壓力和流量設(shè)定，計算出對應(yīng)的比例控制信號輸出給伺服器，伺服器根據(jù)接收的控制信號后，動態(tài)地調(diào)整電機(jī)轉(zhuǎn)速以保證油泵輸出的液壓油盡可能少地產(chǎn)生無功回流。以瑋肯Wk9600系列變頻器為例，其原理圖和接線圖如下：

原理圖：

電氣接線圖

分析：此方案為注塑機(jī)節(jié)能改造最簡單的方式，無需任何其他配件，普通電工即可完成。改造后，注塑機(jī)電機(jī)輸出變成可調(diào)式控制方式，泵輸出的流量是可變的，注塑機(jī)沒有動作時，特別是冷卻時間，電機(jī)可以完全停止運行，通過測試，冷卻時間20秒左右的注塑機(jī)經(jīng)此方案改造后節(jié)能30%。

②閉環(huán)控制；此方案在開環(huán)控制基礎(chǔ)上增加一路油壓檢測信號作為反饋源，形成閉環(huán)控制。相比開環(huán)控制，比例控制信號所對應(yīng)的電機(jī)轉(zhuǎn)速更準(zhǔn)確，電機(jī)速度響應(yīng)也會更迅速，接線圖如下

分析：此方案需要在注塑機(jī)輸出油缸上安裝油壓傳感器，部分注塑機(jī)可能還需要鉆孔，相對比較麻煩，非專業(yè)人士不建議操作。以上述冷卻時間20秒注塑機(jī)為例，節(jié)能相比開環(huán)控制增加10%，達(dá)到40%。

③工變頻切換；此種方案是在前兩種方案基礎(chǔ)上增加工變頻切換組件，實現(xiàn)節(jié)電和市電可以相互切換，只是功能上的增加，對節(jié)能沒有影響。如下圖兩種產(chǎn)品：

分析：伺服器一般是單機(jī)，壁掛式安裝，增加工變頻切換功能可以做成立式的一體柜，無需固定；如果伺服器故障時不能及時處理，可能會耽誤工作效率，一體柜可以切換到市電模式不耽誤生產(chǎn)，免除客戶趕貨擔(dān)憂。

B、注塑機(jī)同步伺服改造方案

此方案可以理解為異步伺服方案的再次升級。

①開環(huán)控制；在異步伺服開環(huán)控制基礎(chǔ)上，更換三相交流異步電機(jī)為三相交流同步電機(jī)，伺服器需支持同步電機(jī)驅(qū)動，接線與異步伺服基本一致。

分析：同步電機(jī)相比異步電機(jī)優(yōu)點，功率因素更高，矢量控制性能更好。此方案除異步電機(jī)更換同步電機(jī)外，注塑機(jī)本身的油泵和油路都要進(jìn)行相應(yīng)改動，操作復(fù)雜，成本也較高。還是以之前的注塑機(jī)為例，節(jié)能大約40%。

②閉環(huán)控制；在上述方案基礎(chǔ)上增加油壓檢測信號作為反饋源形成閉環(huán)控制；或者電機(jī)增加旋轉(zhuǎn)編碼器，編碼器信號作為矢量控制本身的反饋源形成閉環(huán)控制；或者兩種方式都采用形成雙閉環(huán)控制。接線與異步伺服基本一致。

分析：按之前的注塑機(jī)為例，單一的閉環(huán)控制節(jié)能大概在50%，雙閉環(huán)可以做到節(jié)能接近60%。當(dāng)然，此種方案的改造成本更高，部分場合已經(jīng)相當(dāng)于注塑機(jī)本身一半的成本了?，F(xiàn)在市面上各品牌注塑機(jī)，比如市場占有量很高的海天注塑機(jī)，現(xiàn)在推出的新品注塑機(jī)設(shè)備已經(jīng)有很大一部分采用同步電機(jī)加閉環(huán)控制的方案了。

注塑機(jī)節(jié)能改造的原理說到底就是極盡可能的減少電機(jī)無用功的損耗和加熱部分的熱量回收利用。所以，針對市面上占比超過80%的老式注塑機(jī)，注塑機(jī)異步伺服改造方案無疑是最具性價比也是最簡單的方案了，隨著近幾年國內(nèi)變頻器技術(shù)的成熟，早已從最初的電機(jī)VF控制轉(zhuǎn)變到電機(jī)精準(zhǔn)的矢量控制，技術(shù)的進(jìn)步帶來的必將是產(chǎn)品性能更好，質(zhì)量更穩(wěn)定，操作更簡單，節(jié)能更明顯。

七、安裝及售后服務(wù)

1、安裝本節(jié)電器絕不改變原有設(shè)備的控制和生產(chǎn)產(chǎn)量及產(chǎn)品質(zhì)量，所有節(jié)能都是在不影響生產(chǎn)的前題條件下進(jìn)行的實施。

2、本產(chǎn)品質(zhì)量保修期為1年.使用壽命長達(dá)8—10年以上，終身維護(hù)。     

3、節(jié)能器若在使用中有技術(shù)問題時，可以我司聯(lián)系，尋求技術(shù)指導(dǎo) 。

八、注塑機(jī)．油壓機(jī)安裝前后投資效益分析：

以一臺25噸5.5KW油泵馬達(dá)的立式注塑機(jī)投資效益分析：

1、25噸立式注塑機(jī)：功率為5.5Kw：a=5.5Kw

2、日耗電(b)：按負(fù)載率60%來計算

b=a*b*24

=5.5KW*0.6*24

= 79度

3、電費以0.7元／度計，每日節(jié)省電費(c)為：

C=b*0.7=79*0.7=55元

4、改造后省電分析

按最低節(jié)電率35%計算

月節(jié)省電費(D)為：D=C*0.35*30=55*0.35*30=578元

年節(jié)省電費(G)為：G=D*12=578*12=6930元

投資回報分析(E)：

①一臺5 5KW油泵馬達(dá)的立式注塑機(jī)，配備一套瑋肯WK9600-3T-00550Z節(jié)電器，改造后，每月可為公司節(jié)省578元，每年可節(jié)省成本6930元

節(jié)電器使用8年以上，將為企業(yè)帶來(6930*8=55440元投資回報

②投資20臺立式注塑機(jī)

每年將回收：6930*20=138600元：

8年將產(chǎn)生：8*138010=1，108，800元

九、結(jié)論

1、直觀節(jié)電效果的結(jié)論

對注塑機(jī)節(jié)電改造之后，按最低的節(jié)電效果也只需6個月時間左右即可收回投資成本，而設(shè)備的可用期限至少十年以上，“節(jié)電是回收期最快的投資，也是受益最長的投資”．用戶可以減少實際的電費開支，達(dá)到節(jié)約開支，降低經(jīng)營成本、促進(jìn)企業(yè)發(fā)展的目標(biāo)。

2、隱含的經(jīng)濟(jì)效益

由節(jié)電器的節(jié)電原理可知，除了具有直觀的節(jié)電效益之外，其對設(shè)備及線路的保護(hù)作用從而產(chǎn)生的使系統(tǒng)運行壽命延長，設(shè)備發(fā)熱量小、運行效率提高、維護(hù)費用減少，對投資方來說也是一筆不可忽視的經(jīng)濟(jì)效益。特別是通過節(jié)電改造后，用電量下降20-40%，降低了配電網(wǎng)中的功率損耗，提高變壓器的用電效率，帶來的隱含的經(jīng)濟(jì)效益對投資方來說亦又是一筆可觀的收益。

十、安裝過程答疑

一、變頻器和伺服器是不是一回事？

解答：注塑機(jī)節(jié)能改造中有變頻器和伺服器一說，很多人認(rèn)為是兩種不同的設(shè)備，其實二者沒有區(qū)別，目的都是通過電機(jī)調(diào)速的方式節(jié)能，或者可以理解為伺服器是高配版的變頻器，常見通用型變頻器過載能力只有150%，不能直接接入注塑機(jī)0-1A信號，而注塑機(jī)專用伺服器（注塑機(jī)專用變頻器）放大了一定功率，過載能力可以達(dá)到200%，配置了專用信號板，內(nèi)置參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)定。通用型變頻器放大功率等級選用和加裝信號板，并設(shè)定參數(shù)也同樣可以實現(xiàn)與注塑機(jī)伺服器一樣的節(jié)能效果，只是成本和時間精力不劃算。

二、伺服器加裝制動單元和剎車電阻有沒有必要？

解答：部分廠家在注塑機(jī)節(jié)能改造時會為伺服器加裝制動單元和剎車電阻，目的是讓電機(jī)在沒有動作時快速停止，經(jīng)本公司技術(shù)人員實際測試，這種方式并沒有產(chǎn)生實質(zhì)性節(jié)能效果，快速停止回收的能量都被剎車電阻吸收發(fā)熱散失了，并沒有二次利用，不存在節(jié)能效果，只會增加節(jié)能改造成本。

三、變頻器和星三角降壓啟動不沖突嗎？

解答：加裝伺服器時，需要把伺服器串在電機(jī)原有星三角降壓啟動前面（見前文接線圖），只把角接接觸器常開點接入變頻器，或者干脆不接。有點電氣常識的人都會知道變頻器與電機(jī)之間不建議有開關(guān)比如接觸器什么的，否則操作不當(dāng)，變頻器很容易燒壞，而變頻器帶電機(jī)相當(dāng)于軟啟動，電流的限制速度不會很快。串在星三角啟動前面這不是違反操作？注塑機(jī)啟動會不會因為提速慢而影響工作效率？

先回答第一個問題，降壓啟動電路是先有星接接觸器啟動電機(jī)，電機(jī)星形接法啟動電流不大，變頻器在過載能力范圍內(nèi)也可以承受，后在瞬間轉(zhuǎn)換角接接觸器時，電機(jī)已經(jīng)有一定速度，此時變頻器通過角接驅(qū)動電機(jī)已經(jīng)不需要很大的電流加速，也不會過載，所以不存在使用不當(dāng)?shù)膯栴}；

第二個問題，變頻器驅(qū)動電機(jī)從0hz加速到50hz是需要時間的，時間的長短取決于負(fù)載的大小和變頻器本身的驅(qū)動電流，注塑機(jī)啟動屬于帶載啟動，但變頻器也放大了一定功率，在加上啟動過程電機(jī)是星形接法，加速時間可以極大的縮短，部分設(shè)備甚至可以到1s以內(nèi)（當(dāng)然也很少有設(shè)備需要設(shè)定這么短的時間），所以基本不會影響工作效率。