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注塑機變頻改造方案

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，明確了目標和要求，在重點領(lǐng)域，特別是工業(yè)方面，必須加強節(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峻。

針對這些情況，各地政府也在積極努力，特別是經(jīng)濟相對發(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。下文注塑機為例，主要介紹注塑機的工作原理及節(jié)能改造方案。

二、注塑機、油壓機節(jié)電工作介紹

注塑機液壓系統(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)注塑機當前的工作狀態(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實際負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)省了油泵電機的電能消耗。變頻節(jié)能控制器便是利用控制供油馬達在不同的階段，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，來達到注塑機節(jié)能的目的。

三、注塑機能耗分析

a、注塑機哪里存在嚴重的浪費現(xiàn)象？

          有99%注塑機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（半自動）等幾個階段，各階段需要的壓力和流量就不同，對于油泵馬達而言，注塑過程是處于變化的負載狀態(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35%-70%。

b、注塑機油泵馬達耗電在生產(chǎn)全過程中的比例是多少？

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

c、國際注塑機狀況如何？

隨著世界各國在環(huán)境保護，如能耗、噪聲、泄漏等其控制方面日益嚴格的要求，注塑機節(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)合的負載感應(yīng)型的注塑機電液控制系統(tǒng)。為進一步降低能耗，減低成本。電機是用轉(zhuǎn)速可調(diào)的電動機驅(qū)動液壓泵為動力源。在保壓、冷卻及空轉(zhuǎn)工況保持恒定下達到節(jié)能、降噪音目的。

四、注塑機、油壓機節(jié)電改造原理

1.采用比例閥控制的節(jié)電改造方案：

注塑機油泵的流量Q與油泵轉(zhuǎn)速n成正比，只要改油泵電機的轉(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( Ne=1500)提供750轉(zhuǎn)的同步轉(zhuǎn)速，那么電機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，電機可以完全停下，不消耗電能。與注塑機整個工藝完全吻合，在不影響生產(chǎn)效率的前提下實現(xiàn)高效節(jié)能。

2.注塑機節(jié)能變頻器特點

適用于注塑機節(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)品具有超強的過載能力，能保證在負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，從而保證整機的可靠性；

b.高節(jié)電率

保留注塑機原有控制方式油路不變，采用先進的微電腦控制技術(shù)，使定量泵變?yōu)楣?jié)能型變量泵，注塑機液壓系統(tǒng)與整機運行所需要的功率匹配，無高壓節(jié)流溢流能量之損失，提高油泵電機功率因素至0.96以上，節(jié)電率一般可達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，這樣會對機電設(shè)備和供電電網(wǎng)造成嚴重的損壞，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、油壓機專用節(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、立式注塑機、壓鑄機、吹塑機，其中包括單泵、多泵系統(tǒng)，單電機和雙電機注塑機，節(jié)電效果可達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、壓鑄機、油壓機節(jié)電效果可達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、立式注塑機、油壓機、大型油壓沖床，節(jié)電效果可達20-65%。

六、注塑機專用節(jié)電器選型及改造方案

現(xiàn)我司針對注塑機節(jié)能改造方面主要有以下三種思路：

一是注塑機電機部分改伺服，而這其中又分為幾個小類別，這也是本文介紹的重點；

二是對注塑機加熱料筒采用新的加熱方式；

三是將注塑機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節(jié)能常見方式，也是最主要方式，差不多占注塑機總能量損耗的百分之八十以上，注塑機電機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采用不同的伺服改造方案進行說明，并做一些簡單分析：

注塑機的生產(chǎn)周期原理是：合模-注射-保壓-回料-冷卻-開模-頂出。定量泵注塑機設(shè)計時電機的功率是按照各個原理動作的最大消耗功率來進行設(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電機的平均負載只有60%，個別情況甚至只有40%。注塑機并不會根據(jù)負載不同調(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，注塑機電機輸出變成可調(diào)式控制方式，泵輸出的流量是可變的，注塑機沒有動作時，特別是冷卻時間，電機可以完全停止運行，通過測試，冷卻時間20秒左右的注塑機經(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)的電機轉(zhuǎn)速更準確，電機速度響應(yīng)也會更迅速，接線圖如下

分析：此方案需要在注塑機輸出油缸上安裝油壓傳感器，部分注塑機可能還需要鉆孔，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秒注塑機為例，節(jié)能相比開環(huán)控制增加10%，達到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，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)，免除客戶趕貨擔憂。

B、注塑機同步伺服改造方案

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為三相交流同步電機，伺服器需支持同步電機驅(qū)動，接線與異步伺服基本一致。

分析：同步電機相比異步電機優(yōu)點，功率因素更高，矢量控制性能更好。此方案除異步電機更換同步電機外，注塑機本身的油泵和油路都要進行相應(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%。當然，此種方案的改造成本更高，部分場合已經(jīng)相當于注塑機本身一半的成本了?，F(xiàn)在市面上各品牌注塑機，比如市場占有量很高的海天注塑機，現(xiàn)在推出的新品注塑機設(shè)備已經(jīng)有很大一部分采用同步電機加閉環(huán)控制的方案了。

注塑機節(jié)能改造的原理說到底就是極盡可能的減少電機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，注塑機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VF控制轉(zhuǎn)變到電機精準的矢量控制，技術(shù)的進步帶來的必將是產(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)的前題條件下進行的實施。

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

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．油壓機安裝前后投資效益分析：

以一臺25噸5.5KW油泵馬達的立式注塑機投資效益分析：

1、25噸立式注塑機：功率為5.5Kw：a=5.5Kw

2、日耗電(b)：按負載率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油泵馬達的立式注塑機，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

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，達到節(jié)約開支，降低經(jīng)營成本、促進企業(yè)發(fā)展的目標。

2、隱含的經(jīng)濟效益

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、維護費用減少，對投資方來說也是一筆不可忽視的經(jīng)濟效益。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：注塑機節(jié)能改造中有變頻器和伺服器一說，很多人認為是兩種不同的設(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0-1A信號，而注塑機專用伺服器（注塑機專用變頻器）放大了一定功率，過載能力可以達到200%，配置了專用信號板，內(nèi)置參數(shù)進行了優(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之間不建議有開關(guān)比如接觸器什么的，否則操作不當，變頻器很容易燒壞，而變頻器帶電機相當于軟啟動，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，電機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，電機已經(jīng)有一定速度，此時變頻器通過角接驅(qū)動電機已經(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?shù)膯栴}；

第二個問題，變頻器驅(qū)動電機從0hz加速到50hz是需要時間的，時間的長短取決于負載的大小和變頻器本身的驅(qū)動電流，注塑機啟動屬于帶載啟動，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。