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浅谈变频节能器在注塑行业中的运用

摘要：变频器运用于注塑行业中，节能已经成为不争的事实，但在运用中仍然存在一些问题，问题的原因表现在变频器的性能方面，它反应了安装使用调试的方法不当，或对注塑成型工况了解不够，导致变频器性能与复杂注塑成型工况之间的匹配仍有一段距离，作者本人以具体的实际工作经验，阐述变频器自身的弱点，注塑成型工艺的工况特征、注塑机本身的弱点，变频器如何在注塑过程中节能的原理以及注塑节能改造的工程技术要求等实质性的问题。

关键词：

变频节能器 注塑成型工艺工况特征 注塑节能改造工程技术要求 变频器与注塑机工况的匹配问题

Abstract: The inverter aimed to saving the energy was applied in molding injection industries is factual, improper debug method of assembly or operation and insufficient comprehend in Molding Injection situation will be a problem reflects on the inverter performance, and effects a matching distance between inverter and multi- injection. With the Author resourceful experience, the inverter weakness and the principle of energy saving in injection process is introduced, and the weakness of molding machine during injection process. The substantial problem of energy saving injection requirement is also presented.

Keywords: Energy Saving Inverter、Molding Injection Technics Features、Energy Saving Injection Requirements、Matching Problem Between Inverter & Molding Machine

序言

尽管近几年来，变频器节能运用注塑行业如雨后春笋般的异军突起，但是真正成功的典范还是屈指可数的，并且很多的塑料厂家也已经试用过两三个品牌，但他们的结论是否定的，这无疑给节能安装公司浇上一瓢冷水，甚至关门大吉。我们承认变频器运用注塑机的工况是一个严峻的挑战；但也并非不能用，除变频器本身的性能局限外，最重要的是缺乏变频器的使用技术，只要突破使用技术瓶颈，注塑行业的节能改造工程仍是浩大的，整个珠江三角洲有几千万台注塑机等着您去改造它。

一 我司变频节能改造概况

1. 公司电力设施状况：

本司有市电容量7100A，有备用发电输出容量5400A，未节能改造前，因我司电路分布不合理状况，生产所需供电除市电供电外，还需开启2台发电机提供A电流才能满足生产的需要，若遇停市电，用发电供应，还差三分之一的缺口。

2.公司用电设施及用电状况：

本司有PC的注塑机138台，其中注塑机用电总电流为6000A，除此之外的其它设备需用1500A左右，即总用电量为7600A左右。本司除带变量泵的进口注塑机外，可进行节能改造的注塑机有80台，总马达功率为2800KW。

3.本司的节能改造计划：

因本司电力供应紧张，每月有天会停市电，在停电时需由发电供应，而发电供应尚差2100A的缺口，若要用发电机供电还需要增加两台1250千瓦的发电机组，需投资250万左右，用发电机会让资金投入越来越多，而用变频节能的方法则-------华中科技大学模具技术国家重点实验室 王云明 副高可以在一定时间内收回成本。故本司决定做节能改造。本司先于1999年12月就委托深圳市泰发兴电子有限公司安装了一台华为TD-KW的泛用型变频器；在后来的两年内有4家节能公司先后来安装试机，其间本司投入大量的时间，对各型变频器节能效果、运行状况等多项资料做详细周密的测试，同时亦应多家节能器安装公司的邀请，先后十几次到其它注塑厂家参观其它品牌节能器的使用运行状况。据本司的使用测试结果和到其它厂家参观累积的经验；又恰逢华为公司新推出的高性能向量控制的TD-3000变频器。故本司于2002年4月份决定做节能改造，并要求一定要改造成功，(因99年12月份启用的37KW变频器，在两年的使用中能实现无故障运行)，所以我们选用了华为TD-3000的高性能矢量控制变频器，安装工程仍由深圳泰发兴公司完成。

4.安装后的用电状况：

全厂的用电量由7500A降至了5400A左右，也就是说，若市电停电，本司由现有的发电机供电也能满足生产的需要，生产不受停市电的影响。另外原来要开的两台发电机可以不用开了。通过对比每月可节电50万度，同时省开2台发电机，可节省发电费用30万元左右。这个效果是我们改造前未能预料的；我司对此改造效果非常满意。通过改造我司的市电装机容量扩大了近2000A，为我司新的发展计划提供了可靠的电力保证。

我司已经安装80台TD-3000的变频节能器，其功率从15千瓦到100千瓦，总改造功率为2800KW，每台机都能正常使用，到目前为止，尚未发现任何故障，也没收到某台机或者某套模具不适合使用的信息。这种使用状况就连泰发兴公司的工程技术人员都觉得是不可能的事，但是我们真的做到了。

5.节能改造后的测试：

总的来讲：节能效果是肯定的，平均节电达56.2%，并且TD-3000较TD-2000在运行的可靠性方面有了很大程度的提高，运行稳定可靠。

1) 在工变频对比方面：在不改变注塑机和变频器参数的前提下作比较：射出成型品的品质方面无影响，周期在变频工作时会慢0..2秒(变频器功率越大，产品工况越复杂，周期就会相应的增加)，在射出的稳定性和重复精度方面，变频状况较工频状态稳定，因为变频状况注塑机压力油温度可降至℃左右，在此状况下的油温最能保证液压执组件的重复精度成形机床和稳定性，压力油的使用寿命也会延长，也减轻了中央运水系统的负荷，油温较工频状态降低℃。

2) 增加了本司电力系统的装机容量。电力系统本身预留一定的容量供用电设施激活用，工频状况下激活马达是采用的星三角形降压延时激活，此激活电流是电机额定电流的倍，若多台大功率的电机同时激活，将对电造成很大的冲击。为经得起激活冲击，只有加大系统的容量。故本司先前的用电容量很大。而采用变频时激活马达属软起动，只需在额定电流下就可以激活，且起动平滑无冲击，这样，可以减小激活时对马达和电的冲击，从另外角度来讲可以算是增加了系统的装机容量。

3) 变频状态下工作时有很强的保护功能。变频器的保护可从以下三个方面去认识：第一，可以保护变器本身。第二，可以保护马达。第三，可保护注塑机免受错误操作。在此保护功能下，可以保证注塑机在标准的系统压力和系统速度下工作，若所执行的动作需要的压力和速度超过系统压力和速度，此时变频器就将进入保护状态。比如：未到熔融温度强行熔胶，因注塑机过负载工作，变频器就会通过恒速过电流进行保护，若是工频状态下，注塑机可以借助强大的动力，扭断火箭头、炮筒、螺杆或者损坏熔胶液压马达。又比如超过140bar的锁模压力强行高压锁模，变频器会对超过140bar的锁模力的执行动作进行保护，也会出现恒速过电流，工频时其锁模力还可大幅度地提高，这样机械系统将会受到致命的打击。若保证所有执行动作所需的压力和速度都在标准的系统压力和速度之内，变频器也就不会频繁保护，对注塑机本身也有很大的好处。

4) 变频状态下，因马达的转速随不同的动作需求在作剧烈的变化，马达的平均转速会降低一半以上，而马达散热风扇的排量与马达转速有直接的关系，故散热效果就会减低，马达温度会较工频状态升高℃，马达温度会升到55℃左右。

二.节能器厂家怎样做好注塑机的节能改造工作

基于注塑机本身的一些弱点和变频器本身存在的一些不足叠加在一起，再加之注塑复杂多变的工况，以及原料、模具的一些问题，以及技术员参数设定的不合理性，使得变频器运用于注塑节能上还存在诸多的技术瓶颈问题，那么如何让变频器很好地运用于注塑节能中就成了人们共同关心的问题。

1.如何正确了解注塑成型的工况特点

(1).注塑成型工况的特点：第一，每一动作的完成都必须有时间、压力、速度、位置等几个参数的配合，也就是说在某一位置的位移都必须要有相应的压力和速度，且在不同的位置和时间内其压力和速度又是可变的。第二，注塑动作的执行是程序化的，也就是说，某一动作完成后必须要将其终止信号传送给程序控制器，程序控制器收到信号后才会发出执行下一动作的指令，而在每一个动作的交换与确认的过程中一定有一个信号传送和终止时间，这个终止时间循环往复不规律的在周期动作内出现，就会让注塑工况趋于复杂变化之中，尤其是变频工作时，信号的激活与停止会造成变频器的激活与停止，而变频器频繁的启停状态是对变频器本身的一个考验。马达剧烈的加减速度，可能会导致加减速时过电压、过电流。换句话说，本身注塑机的工况就很复杂多变，而加装变频器后，其复杂多变的程度又大大地加深，以致于有些性能较差的变频器根本无法适应注塑成型生产的需要。第三，动作内部的剧烈突变也是其工况的特点(如锁模过程中，快速锁模→慢速低压护模→高压高速锁模的工况突变都是很剧烈的，又如注射过程中，慢速注射→快速→慢速→快速→慢速的射胶过程工况也是很严峻的)。第四，动作与动作之间的转换使得原本复杂的工况进一步叠加起来。第五，成型工艺的状况会随注塑机台、模具、原料性能等因素的变化，其工况可能会变得极其严峻。

以射胶动作为例来说明马达及变频器工况的突变性、复杂性(本司生产某产品的射胶参数)

(2).注塑机本身的一些弱点：第一，动作油制达不到设计的精度，油制的开闭取决于电磁阀，而电磁阀的动作又取决于管接头过程控制器提供的电压和电流，因大多数机都没有死循环控制，阀的开闭精度就会大打折扣，又尤其是阀的开闭程度于10%以下和90%以上时，动作的重复精度和稳定性都是极差的，某一动作在此状态下被执行很难保证其稳定性和重复精度，第二：执行动作的油缸本身有油封破损，有内泄现象，执行动作的可靠性和稳定性不高。第三：液压系统比例输出的线性差，且精度不高，导致设定值与实际值偏差太大，第四：液压系统本身内泄较大，导致执行偏差较大。

2.变频器节能的基本原理

传统的注塑机采用定量泵供油，在额定的转速下供油量不变，而注塑过程的各个动作对速度，压力的要求不一样，通过注塑机的比例阀采用溢流调节的方式将多余的油旁路流回油箱，在整个过程中，马达的转速是不变的，故供油量也是固定的，而执行动作又是间隙性的，也并不是满负载的，定量供油就有很大的浪费空间，据实测看来至少有50%左右。而变频节能正是针对这一浪费空间，据注塑机发出的各个动作信号，适时适量调整各个动作所需的马达转速(即流量调节)让泵出的油量刚好能满足动作的需要，且在非动作状态时让马达停止下来，这样节能空间就进一步地增大了，故对注塑机进行节能改造能够带来剧大的节能效果(附图)

现以宝源450PC机台，生产手提电锯外壳时(原料材质PC+ABS)生产的各个动作状态，所消耗的电流对比。(不含电热功率消耗)

从此对比中可以看出，变频时各动作的工作电流降低，若此产品所需的冷却时间和中间时间越长，节能效果会越好。

3. 变频节能器运用于注塑机上时应注意以下参数调较

首先，变频器为了满足节能的目的，控制马达随动作参数的变化适时调整马达转速，转速大幅度的剧烈突变是对变频器的考验。因其加减速必须一定的时间，若加速时间设定过长会影响动作的响应速度，导致某些无法完成或者动作缓慢，加速时间过短，会导致动作加速时过电压，过电流，变频器会频繁地进行过载保护，故此时间的设置就应适中才能保证变器的正常使用，又不至于影响生产。减速时间的设定也是如此，过长会影响节能效果，过短会出现直流母线过电压，过电流，变频器同样会进行保护。其原理是：当变频器指挥马达执行某一高频运行动作完成后，同时又接受到停机命令，其停机按照设定的减速时间来完成，由于高频运行的马达有极大的惯性，当其减速时间过短设置时，马达转速超过变频器输出的停机速度时，电动机就变成发电机，直接向变频器直流母线馈电，变频器被迫保护。这里所说的加速时间是指变频器从零频率加速至变频器最大输出频率的时间，减速时间是指从变频器最大输出频率降至零频率所需的时间。而华为TD-3000变频器在这方面做得较好，既可提高反应速度又有很强的过流、过压能力，从0HZ←→40U盘代理0HZ的加减速时间只需0.3秒，就可完成。这是它能成功运行于注塑机工况上最根本的一点。

其次，过载保护问题也是变频器的一项基本功能，过载能力的高低直接影响到注塑生产的连续性。一般来讲，其过载保护能力是指变频器允许注塑机执行某一动作时超一定程度的负载，过载能力的强弱与允许过载的时间和允许过载的百分比有关，TD-3000的过载能力指针为150%额定电流时允许过载时间为120秒，180%额定电流时允许过载时间为10秒，假如在执行某动作时是超载，并且在允许超载的百分比和保护时间以内，变频器仍能保持正常工作，而注塑工艺的某一动作执行所需时间超过10秒的不多见。故这种过流的存载能力是能否满足注塑工艺需要的一个重要参数。在以前我司试用的几款变频器，常出现频繁的过载保护现象，其主要原因就是变频本身过载能力不强所致。

第三.过压失速的功能选择和失速过压点调节。这也是变频器的一个保护功能；若选择设定不当会影响正常生产。这主要是因为变频器在减速运行过程中由于负载惯性的作ooho亦希望在未来能广泛的利用在生活上用，会出现电机的实际转速高于变频器输出同步速度的情况，此时电机向变频器馈电，造成变频器直流母线电压升高，若不采取措施，可能会出现过压失速，变频器会进入保护状态。而失速过压点的调节是通过过压失速保护功能，由变频器在减速运行的过程中通过检测直流母线的电压，若超出过压点，变频器便停止减速动作，当低于过压点后再继续减速运行，这样就可避免变频器频繁保护。TD-3000过压点设定范围%倍额定电压峰直

第四.失速过流现象也会导致变频器保护模压门。变频器运行在加减速过程中，由于加减速时间与电机惯量不匹配或负载突变，会出现电流急升现象，失速过流保护则是通过检测变频器的输出电流，并与失速过流点进行比较，当实际输出电流达到失速过流点时，停止加减速动作，直到电流低于失速过流点后再继续减速。TD-3000过流点有很大的设定范围，可以设定到200%倍变频器额定输出电流

第五.矢量控制功能选择及调节：通过设定速度调节器的比例增益P和积分时间I，可以改变向量控制的速度响应特性，这个速度响应特性直接影响到注塑成型周期的快慢和执行动作的力度。其调节的方法是既要加快响应特性，又要避免产生电机振荡，这可以算是向量控制变频器优于其它泛用型变频器的一个显著优点，并其高速和低速时的比例增益和积分时间可分开调节；可以有针对性地个别调节。

第六.转差补偿增益，可通过此调节来精确地调整速度控制静差。有50%-250%倍额定的转矩电流。

以上这些功能参数的选择和设定直接影响到变频器本身的性能，以及与注塑工况的匹配性，若选择设定不当，变频器会处于频繁的保护，注塑机的正常生产就会被打断，注塑厂家的技术员就会武断地给你下一个结论，不适合于注塑成型生产。而TD-3000有490项功能供你选择和调节，在注塑工况匹配上有很强的适应性，故能成功地使用。

三.塑料厂家如何做好变频节能改造工作

1 如何做好注塑机的节能工程改造

(1) 选择一家实力雄厚，售后服务和信誉好的一级代理商，可以从那里得到有品质保证和价格公道合理的产品

(2)代理经销商的工程安装技术人员必须是有经过专业系统的培训，除了对变频器的安装调试有丰富的经验之外，还必须非常熟练地了解注塑机的性能，程序状况，以及生产的工艺状况。

(3)必须选择一个具有品牌的高性能矢量控制变频器。

(4)改造前先深入了解变频器市埸，对比各品牌变频器的主要技术参数，选择适合你公司复杂工况的变频器；多走访和观摹塑料生产同行(已做了节能改造的厂家)向他们了解使用状况和使用中遇到的问题。

(5)向选定的供货商提出合理、科学的工程技术要求。

2.塑料厂家对节能改造效果的基本要求

(1)节能器的主要的功能是节能，其效果至少要达到40%以上，但在节能的同时，不要给注塑生产带来任何不良的影响，把节能器只当成是一个可持续供电的优质电源。

(2)节能器安装调试OK之后，注塑厂家在今后任何模具生产时无须再调整变频参数；要求变频器初始参数设定非常优化，有适应各种恶劣、复杂、突变的工作范围。

(3)不影响生产周期(工变频比较相差1秒范围内可接受，因为1秒时间可以通过调整开合模参数，顶出速度等方面予以追回)要求变器有很强的动态响应速度，才能达到此目标；这样注塑生产的产量和效率才不至受影响。

(4)要求不影响产品的品质，并要求品质稳定，重复精度高。若对生产品质有影响或不稳定就是100%的节能效果也会被否定。

(5)要求调整变频器的性能参数与该注塑机的性能状况相匹配，即是工变转变无须调整注塑机和变频器参数，而品质保持一致。也就是要求做到工变频状态下注塑机的摸拟输出和响应速度保持不变。

(6)对注塑机的性能和工作程序状况无影响。

(7)对变频器产生的干扰和高次谐波必进行有效地处理，其干扰不可影响注塑机程控制器的正常工作状态，高次谐波对电的冲击要进行有效的抑制，要求达到国家标准。

(8)节能器的功率型号与马达型号一定要相吻合，不允许用加大变频器功率的方法来提高过载能力，只有选择高性能的变频器来完成，以免造成投资成本的增加。

(9)要求选用的变频器具有很快的转矩响应速度和转矩提升能力，有很强的过流、过压能力、有失速控制能力。

3.我司是怎样让变频器与注塑机进行完美的结合使用

(1) 我们已经有两年多的变频器使用经验，同时也试用了几家变频器，对变频器自身的弱点有充分的认识和丰富的使用经验，知道怎样选择和设定合理的变频器功能参数来满足复杂的注塑工况需求，让变频器有很大的适应范围，

(2) 我们也对注塑机本身的弱点做了全面的剖析，避免本身的不足，主动与变频器的功能相匹配。

(3) 我们对现埸技术人员做了使用方法的培训，授之以合理参数的设定方法，让注塑参数的设定尽可能避开注塑机和变频器的弱点。

(4)我们对节能安装工程公司(深圳泰发兴公司)提出了较严苛的工程技术要求。要求选用高性能向量控制的变频器，要求变频器的各项技术标准是最高，最新的

上述各项问题的阐述是我在本司节能改造过程中的一些心得体会，总的来说：注塑行业的节能改造工程要达到预期的目标―节能，运行稳定，操作、保养是简单的，这就得要求有高品质的变频器，有足够的注塑机和变频器范围涵盖GB、ASTM、DIN、JIS、BS 等使用经验，掌握注塑机复杂的工况特征，只有这样节能改造才能在塑料业赢得市场。(end)

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