立式注塑机驱动节能技术分析
注塑行业正面临着一个飞速发展的机遇,然而在注塑产品的成本构成中,电费占了相当的比例,依据立式注塑机设备工艺的需求,立式注塑机油泵马达耗电占整个设备耗电量的比例高达50%~65%,因而设计与制造新一代“节能型”立式注塑机,就成为迫切需要关注和解决的问题。
立式注塑机的电能消耗主要表现在以下几个部分:液压系统油泵的电能消耗;加热器的电能消耗;循环冷却水泵的电能消耗。立式注塑机的节能技术,实际上主要包涵三个方面:一是节能注射成型技术,二是节能的执行机构,三是节能的动力驱动系统。立式注塑机最主要的能耗即是动力驱动系统,立式注塑机节能的重点即是提高动力驱动系统本身的能耗效率及驱动系统输出功率与执行机构执行功率达到自适应调节匹配,两者之间的能量利用率越高,即系统节能率越高,达到节省能源的功效。节能动力驱动系统是立式注塑机节能的主要研发课题。
1 立式注塑机动力驱动系统分析
动力驱动系统一般有以下三种:液压驱动系统、全电子驱动系统和液电混合驱动系统。液压驱动系统是立式注塑机泛使用的动力驱动系统,是节能动力驱动系统重点研究对象。从节能角度来说,全电子驱动系统和电液混合驱动系统是对液压驱动系统能量利用率不高的创新发展,是两种理想的节能驱动系统。长期以来,立式注塑机节能液压系统是重点研究的节能动力驱动系统。
目前立式注塑机供油泵的驱动主要有三种方式:普通电机加变量泵、变频电机加定量泵和变频电机加变量泵。变转速控制的效率比变排量控制的效率高,而用变排量和变转速复合控制的效率比变转速控制的效率高。变转速控制的响应比变排量的响应快。尽管异步电机的控制技术也日渐完善,但其自身的功率因数、效率以及发热问题始终无法克服。同步电机技术越来越成熟,制造成本上也与异步电机越来越接近,正在越来越多的场合取代异步电机。同步电机在立式注塑机上的应用将成为趋势。
2 立式注塑机控制系统分析
立式注塑机控制系统=驱动系统+电子控制器,立式注塑机的驱动系统根据其控制的形式可以分为三类,即液压控制式、电动控制式与电动/液压复合控制。
2.1 采用泵供油复合控制阀调节的控制系统
采用定量泵供油,通过流量/压力复合控制阀调节式的缺点在于以下几点:第一是控制精度不高。整个控制其实是一个开关控制,由于开关阀的启闭有数十到数百毫秒的延时,所以对注射位置、开合模位置的控制精度不高,并且使运动速度难以提高。第二是能源耗费大。采用P/Q阀后,虽然压力可以随着工艺过程的不同而改变,但是定量泵所输出的流量一定,而不同的工艺流程需要的流量不同,多余的流量就通过溢流阀,造成了很大的溢流损失,特别是在高压、小流量的保压过程时损耗更大。同时,依靠流量阀的节流来获得不同的流量,其节流损失也相当大。溢流损失及节流损失最终都体现在液压油的发热上,而立式注塑机液压系统由于空间所限,油箱体积不能很大,必须配置油液的冷却系统来保证液压系统的正常工作。第三是噪声大。高速运行的大功率电动机与液压泵噪声很大,使得工作环境恶劣。
采用变量泵节能型液压控制系统。在立式注塑机液压控制系统中,其能量损失是由节流损失与溢流损失两大部分组成的,节能的关键就在于减少这两类的损失。采用变量泵是一个很好的办法。它通过调节泵的排量,从而使泵输出的流量、压力与系统的要求相适应,最大限度地减少液压系统的溢流损失与节流损失,可以显著节能。采用比例变量泵系统的全液压式立式注塑机是目前国内立式注塑机生产厂家的主流产品,技术比较成熟。采用变量泵的缺点在于变量泵价格昂贵、结构复杂、调试维护不易和易受油液污染的影响。若采用比例/伺服变量泵,价格要比定量泵贵得多,而且较易受到油液污染的影响。
2.2 采用电液伺服阀控制的控制系统
高速液压控制系统对于一些需要快速运动的回路,如开合模、注射回路,采用电液伺服阀代替开关阀,利用电液伺服阀的快速响应能力实现对运动的高速、精确控制,可以对立式注塑机的`流量与压力形成闭环控制,获得对位置的精确控制。它的缺点在于价格昂贵与抗油污能力差,这也是由于电液伺服阀本身的特点所决定的。大流量的电液伺服阀及其放大器均较昂贵,并且对液压油的污染非常敏感,而立式注塑机的工作场合一般均较为恶劣,如果不能对液压油的污染进行控制,极易发生阀卡的故障。
2.3 变频器节能型液压控制系统
目前变频液压立式注塑机的动力源主要有两种变频驱动方式:一种为普通异步电动机通过变频调速与定量泵组成动力源;另一种为用高响应的交流(AC)伺服电动机驱动定量泵作为动力源。当采用AC伺服电动机驱动定量泵作为动力源时,电动机成本较高,但AC伺服电动机响应速度快、过载能力高,压力和流量均可通过改变电动机转速来进行闭环控制,适合于动态响应要求高的场合。
采用变频器控制普通的三相异步电动机,从而驱动定量液压泵,通过变频器改变电动机的转速,达到改变液压泵输出流量的目的。在国内,变频液压技术主要用于对原有立式注塑机液压系统进行改造。立式注塑机变频调速存在的问题:立式注塑机液压系统必须严格按照注塑工艺要求提供所需的流量和压力,并应具有较高的重复精度和灵敏度,否则将对制品的质量有极大的影响。从目前国内外在立式注塑机上应用变频液压技术的研究结果看,尚存在诸如低速特性差,动态响应慢,调速精度不易保证等问题。
2.3.1 低速稳定性
在 立式注塑机液压系统中,如果液压泵的转速过低,自吸能力下降,容易造成吸没不充分而形成气蚀,引起噪声和流量脉动,影响速度的稳定性。二是低速过载能力差,特别是电动机制动时速度慢,不能很好满足控制系统的要求。因此,油泵存在一个最低稳定转速限制问题,使得变频液压系统在小流量的状态下节能效果并不理想。另外,低频力矩不足和异步电动机低频运行时固有的不稳定性,电动机转动部分与逆变器直流中间环节中滤波,贮能元件之间能量交换中产生的谐振现象,无功功率的影响等都是引起转速不稳定的可能原因解决低速稳定性,可以从选择低速性能好的泵和高性能变频器或伺服控制器来考虑,但需要付出较高的成本,可以采用合理的控制结构和好的控制算法,通过软件补偿的办法来优化系统参数,提高系统的动态品质和低速稳定性,使变频液压系统满足注塑工艺过程,达到预期的节能和系统优化效果。