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| 康沃变频器在注塑机节能改造中的应用 |
康沃电气
作者：无
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（提供：博世力士乐电子传动与控制（深圳）有限公司，应用领域：塑料机械）
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变频器在注塑机节能改造中的应用
1、引言
近几年塑料行业发展越来越迅速，其中注塑行业也正迎来一个飞速发展的机遇。但同时行业内的竞争也日渐激烈，各厂家除了重视产品质量和品牌外，也越来越重视生产成本的控制。从注塑机工艺过程知道，在注塑成型产品成本中，电能消耗成本占了很大的比例，因而能否有效减少电能损耗，受到了各注塑机厂家和用户的关注。随着变频调速技术的推广，变频调速在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变频控制节能效果显著。本文以康沃注塑机专用型变频器为例，介绍了注塑机变频改造的可行性和改造中常出现的问题及相应处理方法，并统计了某注塑机变频改造项目的节电效果及投资成本的回收情况。
2、注塑机变频改造可行性
2.1节能改造的提出
目前市场上的各类注塑机约90%以上采用液压传动和电液比例控制方式。事实上，在采用电液阀控（即高压节流）控制模式的情况下，注塑机工作时存在很大的能量浪费。图1为一般产品的注塑成型的过程示意图。
注塑成型工艺过程示意图
图1：注塑成型工艺过程示意图
各个过程所需的速度和压力因不同工艺而不同，即所需的液压油流量不同，因而注塑机整个动作过程对油泵电机来说是个变负载过程。在定量泵注塑机液压系统中，油泵电机始终以恒定转速提供恒定流量的液压油，各个动作中相应多余的液压油则通过溢流阀回流，从而造成电能的浪费。据统计，由电液阀控模式造成电能损耗高达36～68%；根据注塑机设备工艺，油泵电机耗电占整个设备耗电比例高达65～80%。因此，对阀控电液模式进行节能改造具有很大的潜力。
2.2节能改造原理
由泵类负载的工作特性可知，泵的流量与转速成正比，泵的扬程与转速的平方成正比，泵电机轴功率与转速的立方成正比,如下述公式所示:
Q2/Q1=N2/N1 ；H2/H1=(N2/N1)2 ；P2/P1=(N2/N1)3
其中Q为流量、N为转速、H为扬程。
图2：阀门控制与变频控制节能比较
图2：阀门控制与变频控制节能比较
图2给出了阀门控制与变频控制两种模式下的节能效果比较。原有注塑机系统采用阀门控制，当流量由QA减少到QB时，由于管阻特性，工作点由A点转移B点，消耗的功率与0EBF的面积成正比。若采用变频控制，这时因阀门全开，其管阻特性不变，工作点由A点转移到C点，消耗的功率与0ECH的面积成正比。因此，从图2中可以看出，采用变频调速比阀门控制更加节能，且随着转速的降低，电机输出功率成立方关系减少。这样，根据注塑工艺适时地调节油泵电机的转速，即可达到节能的目的。
目前三相异步电动机大多采用变频调速，由电机同步转速公式：
n=60（1-S）f/p
其中，n为电机转速；s为转差率；f为供电频率；p为极对数。
由上式可知，改变电源频率即可改变电机转速。因此，采用注塑机比例流量阀及比例压力阀的控制信号同步控制油泵马达的变频器，使油泵电机的转速与注塑机工作所需的压力、流量成正比，从而使溢流阀的回流量减到最小，液压系统输出与注塑机生产所需功率相匹配，便可达到节能目的。据统计，其单机节电率可达25～65%。
3、康沃变频器的应用
3.1康沃注塑机专用变频器的特点
康沃注塑机专用变频器（CVF-ZS系列）是在通用变频器（CVF-G2系列）的基础上，根据注塑机工作特性专门设计的变频调速器。通过对阀控电流、电压信号的采集，经CPU处理后对油泵电机进行相应的调速，从而满足注塑机工艺要求。它具有以下特点：
（1） 具有适合注塑机专用的频率给定信号通道
通用变频器的频率给定信号标准为0～10V电压信号或4～20mA电流信号，但注塑机专用变频器则需具有0～1A/10V信号接收通道。康沃ZS系列变频器可直接入0～1A电流信号，而不需要另外加装信号转换电路。
（2） 过载能力强、响应速度快
一般注塑产品的工艺周期相对较短，从10几秒到几分钟不等。一个成型产品从开模到合模，要求各个过程动作迅速。采用变频控制时，油泵电机负载频繁变化，这就要求变频器有很强的过载能力。康沃ZS系列变频器根据阀控信号进行快速升降速，加减速时间可达0.5～1s。
康沃注塑机专用变频器根据注塑的工艺要求设计，已在海天、震雄等品牌的注塑机改造中得到了成功应用。
3.2变频改造电路
注塑机变频改造时采用变频＋工频控制方式。其控制柜主电路由电度表、ZS变频器和工频旁路接触器等构成，控制电路由工频/变频切换开关、启动、复位开关、指示灯等构成。
（1） 变频控制柜主电路
图3给出了注塑机变频节能改造的主电路图。图中，ZD为断路器，K1、K2、K3为接触器，SB3为故障复位按钮。在改造注塑机时仍保留注塑机原有控制电路中的星-三角转换电路，这样可方便改造同时保持注塑原来的控制特性。采用工频旁路目的是为了在变频器出故障时可直接切换到工频运行，而不影响生产。
注塑机变频节能改造主电路图
图3：注塑机变频节能改造主电路图
（2）变频控制柜控制电路
图4为注塑机变频柜的控制电路框图。图中，SB1为工频/变频转换开关，选用三级开关；SB2为变频器启动按钮；L1为总电源指示灯；L2为工频运行指示灯；L3变频运行指示灯；L4为变频器故障指示灯，其故障信号由变频器TA、TC输出；KM1、KM2变频运行接触器；KM3为工频运行接触器。
注塑机变频柜控制电路框图
图4：注塑机变频柜控制电路框图
3.3变频主要参数设置
以康沃CVF-ZS-4T0150变频器在注塑机中的应用为例，变频器采用比例流量＋比例压力两路信号控制，主要参数设定如表1所示。
表1：CVF-ZS-4T0150的主要参数设定
参数
设定值
意 义
代码
设定值
意 义
b-0
3
注塑机专用参数
H-11
0.5
故障恢复时间
b-2
3
注塑机专用设定
S-0
2
取两路信号
b-4
380
电机额定电压
S-1
0.8
流量比例信号为主
b-5
60
电机额定电流
S-2
0.2
流量压力信号为辅
b-6
50
电机额定频率
S-3
0.15
最小信号值1
b-7
1450
电机额定转速
S-4
5.0
最小频率1
L-0
0
恒转矩曲线
S-5
0.8
最大信号值1
L-1
4
低频转矩补偿
S-6
46
最大频率1
L-7
0.7
加速时间
S-7
0.15
最小信号值1
L-8
0.8
加速时间
S-8
5
最小频率1
L-26
1
外部运行命令
S-9
0.7
最大信号值1
H-3
1
自动节能运行
S-10
46
最大频率1
H-10
3
故障恢复次数
康沃第二代注塑机专用变频器在第一代机型的基础上，增加了两路信号比较、信号取大等功能，更加满足注塑机不同的工艺要求。
4、调试中常出现的问题及处理方法
4.1调试前注意事项
注塑机变频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。
4.2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，以下为在注塑机变频改造中常遇到的问题及处理方法。
（1） 变频器频率无变化
由于变频器采用注塑机阀控电流信号进行调速，变频器运行后可能出现频率显示为0.0（有的变频器显示为0）现象，其主要原因包括：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。出现这种故障时，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（部分机型），及信号正负极性是否与变频器控制端子对应。
（2） 油泵噪音大
变频器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。遇到该情况应先检查注塑机油泵，排除故障后方可运行。另外，当注塑机处于低速高压工作状态时，也会出现油泵噪音异常情况，这时应适当提高速度给定。
（3）温度控制干扰
另一个注塑机变频器改造中常遇见的问题，是改造后注塑机因干扰不能正常运行。注塑机加热单元一般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。这时可从以下方面排除干扰：尽量缩短变频器与注塑机电动机之间的连线，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；在变频器近端主回路线缆上加装电抗器或磁环；变频器可靠接地；或给注塑机内部温控电偶供电电源加阻容滤波电路，如图5所示。
注塑机温度干扰滤波电路图
图5：注塑机温度干扰滤波电路图
图中，A+为热电偶端，B+接温度控制板，处理时即在温度检测（热电偶）线路中对称地加入以上阻、容元器件以消除干扰。
5、节能实例及收回
深圳横岗镇某电子厂主要生产吸尘器，其吸尘器外壳采用亿利达E-140品牌注塑机注塑成型。注塑机油泵电机为15kW三相异步电动机，采用康沃注塑机专用型变频器CVF-ZS-4T0150进行节能改造。经统计，其节能情况如下：
耗电量/小时
耗电量kWh/月
节电率
月节电量
月节省电费
市电运行
6.6 kWh
4065．6
36%
1478．4 kWh
1034．6元
变频运行
4.2 kWh
2587．2
以每天工作22小时，每月工作28天计算，每月节电1478.4KWh，该电子厂所在工业区电价为0.7元/KWh，一台变频节能控制柜投资为9300元，使用约9个月后便收回投资。同时，采用变频改造后实现了电机的软启动，可减少机械冲击，并降低液压油温等。该厂自去年初改造以来，系统运行稳定。
6、结论
随着变频技术的成熟，变频器在注塑机改造中日渐得以广泛应用。实践证明，注塑机采用变频控制节能效果明显，值得推广和应用
注塑成型工艺过程示意图
图2：阀门控制与变频控制节能比较
注塑机变频节能改造主电路图
注塑机变频柜控制电路框图
注塑机温度干扰滤波电路图 |
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