变频器在塑胶行业的应用案例
随着塑料制品的广泛应用及其产量的迅猛增长，塑料机械已成为建材、包装、电子电气、汽车、石化、机械等行业的重要技术装备，需求量激增，塑机行业已成为21世纪我国经济发展中的朝阳产业随着我国塑料工业的发展，塑料机械工业近几年来的增长率都在30％左右，是增长最快的产业之一。
在世界能源日益枯竭的今天，节能早已被人们放在突出位置。与世界上一些能源丰富的国家相中国是一个能源短缺国。然而我们在能源特别是能源的最主要的利用形式电力方面的利用率却很低，存在触目惊心的浪费现象。在新产品开发?新设备研制以及原有设备的改造上，必须将能耗作为重要指标予以关注。塑胶行业是21世纪的朝阳行业。然而由于其产品主要是通过加热，加压等物理方法生产，从而决定了它的生产方式的高能耗特点。对于高能耗的塑胶制品设备，如何节电，已成为提升产品竞争力的一个重要手段。
塑料机械是塑料工业发展的重要支柱，它为塑料行业提供了先进的技术装备，它的发展是塑料工业发展的基础，也受塑料工业发展的影响。从世界范围看，塑料机械的三大类品种依次是注塑机、挤出机：挤出生产线和吹塑机，它们占了塑料机械总产值的80%以上，其中注塑机占这三类机械总和的一半以上。我们从切身经历中谈谈变频器在塑胶机械中的应用，从其各自特点及现场应用作一个简介。
1、注塑机专用节能系统简介
要作好注塑机节能系统首先从注塑说起。注塑过程一般分为以下步骤：锁模→注射保压→熔胶加料→冷却定型→开模→顶针。每一动作的完成都有时间、压力、速度、位置等几个参数的精妙配合，也就是说在某一位置的位移都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都是可变的。同时每一动作完成后发出终止信号传送给程序控制器，程序控制器收到信号后才发出执行下一动作的指令。此外注塑机系统本身还存在一些弱点：第一、注塑机动作内部有着十分剧烈的突变过程：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就很剧烈的；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剧烈的，对机器的冲击都十分的大，影响了整个注塑系统的寿命。第二、动作油路制动达不到设计的精度，油路制动的开闭取决于电磁阀，而电磁阀的动作又取决于过程控制器提供的电压和电流，因大多数注塑机都没有死循环控制，阀的开闭精度就会大打折扣，尤其是阀的开闭程度在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。第三、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。这是由于多数时间内，负载的实际耗油量均小于油泵的供油量，造成高压状态下的液压油部分经溢流阀、比例阀等液压元件溢出。该溢流部分不仅未作任何有用功，而且产生热量，造成液压油发热，既耗能，又有害。采用注塑机节能系统后，就能很好的解决这些问题，既提高了整个注塑系统的精度和稳定性，减少了巨大的机械冲击，延长了系统使用寿命，又能够节约大量的电能。
2、挤出机的变频应用简介：
如塑料制管机生产线主要是塑料挤出机及冷却槽，牵引机三部份组成。在没有改造前挤出机、牵引机都是交流滑差电动机传动，存在耗电量大，传动效率低，速度精度差，速度不够稳定，因此影响产品的质量，需要进行技术改造。经我公司工程师现场调查，我们认为采用变频调速能解决上述的弊病。
经我公司变频改造后，调速速范围，起动特性，动态响应，调节精度，输出特性，经济指标和操作监视方便等各个方面；都优于电磁调速。此外，变频调速还具有保护功能完善，通用性强，维护工作量小，运行安全可靠，电耗小，设备寿命长等优点。转可以从零平稳起步升速，并能选择升速和降速曲线，节能显著，深得操作人员和维修人员好评。可以值得在类似塑料加工机上推广，例造粒机，制管机，拌料机等上的应用。
３、 液压塑胶中空成型机变频简介：
基于多年生产现场经验，作者在实践中对各种不同类型的塑胶中空成型机的性能作了深入的调查研究，并由此有针对性地对各种档次的中空成型机进行了局部或整机的改造，提出了变频式液压塑胶中空成型机的构想。
3.1 塑胶中空成型机工作原理及特性
根据驱动方式的不同，塑胶中空成型机可以分为气动式和液压式两类。无论采用哪种方式，都是将模具送至接胶位，接取胶胚后再回到吹制位，通过吹针将5-6Mpa的压缩空气引入模腔将胶胚吹制成形。PLC控制气动单/双工位塑胶中空成型机采用了全气动驱动，反应快，效率高，但正是由于采用了气动方式，根据公式F=P·S。其中Ｆ为锁模力，Ｐ为系统工作气压，Ｓ为活塞有效面积。由此可知，当系统工作压力为一定值时，锁模力与活塞有效面积成正比。一旦确定了缸径，锁模力也就确定了。以缸径150mm为例，在6MPa的工作压力下，只能产生10.38KN的力。所以此类机型仅适合500ml以下的瓶子。同时需要指出的是，由于采用全气动，间接增加了用风量，若将风泵的耗电量及其维修保养费折算进去，其产品单耗是相当高的。
由上可知，若要生产500ml以上容量的容器，只有采用液压油缸的合模系统。利用液压系统可以产生足够的压力，保证各种大容积产品的生产及质量。但当今最先进的液压伺服系统价格依然不菲。如日本油研公司采用EFRG-03-125-C-50型比例压力流量控制阀售价在7000元左右，一台行程仅为14mm、缸径120mm的伺服油缸售价过万元。尽管采用比例式压力、流量控制系统价格不菲，且液压系统耗电量是整机用电量的30%左右，但其优良的动态特性足以保证产品的质量稳定，所以依然获得了广泛应用[1、2]。
根据测算，除外部提供的供风系统外，整机能源消耗，以挤出机螺杆直径为70mm的液压双工位机为例，在以PE(聚氯乙烯)为原料生产4500ml容器时，电热加温占整机耗电量的22.6%，挤出机运料系统马达为11kW，约占53%，液压系统是7.5kW马达，约占24.4%。在液压单工位机中，当生产280ml容积的PE料产品时，液压系统耗电占整机耗电量的41.35％，电热占42.33％,挤出机运料系统(已改变频驱动)耗电占16.32%。目前绝大多数中空成型机厂家的做法都是仅在挤出机运料系统中将滑差电机调速改为变频调速。
3.2 变频式中空成型机工作原理
综上所述，如何将液压系统的耗电量降下来，就成了新一代高效节能液压系统的关键问题。传统控制理论注重系统稳定性的方法往往是首先确保有一个稳定系统的存在，在系统稳定性发生变化时再以PID之类方法进行调节。定压式液压系统就是其典型代表。其代价就是高能耗。比例式液压系统较前者已有很大进步，然而，从比例压力比例流量阀的结构可知，依然是上述思路的延伸，只是以内部溢流的方式尽量加大阀门开度而已。而现代控制理论则更注重动态稳定和动态调节。众所周知，变频调速是一种高效率、高性能的调速方法，特别适用于笼型异步电机。脉宽调制(PWM)技术，矢量控制技术，无速度传感器技术的发展和应用使得交流电机变频调速在许多场合已经大量取代直流调速系统。从目前工控领域的发展现状看，它也代表着电力驱动的水平与方向。随着各种大功率智能型电力电子器件的不断问世和计算机技术的飞速发展，变频调速技术愈加成熟。其动态响应速度和过载能力已经能够满足一般液压系统动态稳定性的要求，其价格已下降到用户普遍可以接受的程度[3]。由此，我们在液压控制系统中融入变频调速技术，将传统的定量泵转化为“变量泵”，变回流式调节为容积式调节，根据生产中各工艺流程“按需分配”，从而达到高效节电之目的。
整机能源消耗由四部分组成，分别为中空成型机加温系统，挤出机构，比例式液压系统和压缩空气源。其中除压缩空气源为外部系统提供外，其余均由该机的动力用电提供。该机与目前常见的中空成型机不同之处在于增加了2个环节，一个是保温系统，另一个是带D/A转换器和同步控制器的变频式液压系统。关于保温系统，仅在发热管部分?复一种复合硅酸盐保温材料，约30mm厚，因该材料无腐蚀性，隔热性能优良且容重轻。仅此一举，加温系统节电30%。因保温系统十分简单，故不在本文重点讨论之列。
在世界能源日益枯竭的今天，节能早已被人们放在突出位置。与世界上一些能源丰富的国家相中国是一个能源短缺国。然而我们在能源特别是能源的最主要的利用形式电力方面的利用率却很低，存在触目惊心的浪费现象。在新产品开发?新设备研制以及原有设备的改造上，必须将能耗作为重要指标予以关注。塑胶行业是21世纪的朝阳行业。然而由于其产品主要是通过加热，加压等物理方法生产，从而决定了它的生产方式的高能耗特点。对于高能耗的塑胶制品设备，如何节电，已成为提升产品竞争力的一个重要手段。
塑料机械是塑料工业发展的重要支柱，它为塑料行业提供了先进的技术装备，它的发展是塑料工业发展的基础，也受塑料工业发展的影响。从世界范围看，塑料机械的三大类品种依次是注塑机、挤出机：挤出生产线和吹塑机，它们占了塑料机械总产值的80%以上，其中注塑机占这三类机械总和的一半以上。我们从切身经历中谈谈变频器在塑胶机械中的应用，从其各自特点及现场应用作一个简介。
1、注塑机专用节能系统简介
要作好注塑机节能系统首先从注塑说起。注塑过程一般分为以下步骤：锁模→注射保压→熔胶加料→冷却定型→开模→顶针。每一动作的完成都有时间、压力、速度、位置等几个参数的精妙配合，也就是说在某一位置的位移都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都是可变的。同时每一动作完成后发出终止信号传送给程序控制器，程序控制器收到信号后才发出执行下一动作的指令。此外注塑机系统本身还存在一些弱点：第一、注塑机动作内部有着十分剧烈的突变过程：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就很剧烈的；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剧烈的，对机器的冲击都十分的大，影响了整个注塑系统的寿命。第二、动作油路制动达不到设计的精度，油路制动的开闭取决于电磁阀，而电磁阀的动作又取决于过程控制器提供的电压和电流，因大多数注塑机都没有死循环控制，阀的开闭精度就会大打折扣，尤其是阀的开闭程度在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。第三、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。这是由于多数时间内，负载的实际耗油量均小于油泵的供油量，造成高压状态下的液压油部分经溢流阀、比例阀等液压元件溢出。该溢流部分不仅未作任何有用功，而且产生热量，造成液压油发热，既耗能，又有害。采用注塑机节能系统后，就能很好的解决这些问题，既提高了整个注塑系统的精度和稳定性，减少了巨大的机械冲击，延长了系统使用寿命，又能够节约大量的电能。
2、挤出机的变频应用简介：
如塑料制管机生产线主要是塑料挤出机及冷却槽，牵引机三部份组成。在没有改造前挤出机、牵引机都是交流滑差电动机传动，存在耗电量大，传动效率低，速度精度差，速度不够稳定，因此影响产品的质量，需要进行技术改造。经我公司工程师现场调查，我们认为采用变频调速能解决上述的弊病。
经我公司变频改造后，调速速范围，起动特性，动态响应，调节精度，输出特性，经济指标和操作监视方便等各个方面；都优于电磁调速。此外，变频调速还具有保护功能完善，通用性强，维护工作量小，运行安全可靠，电耗小，设备寿命长等优点。转可以从零平稳起步升速，并能选择升速和降速曲线，节能显著，深得操作人员和维修人员好评。可以值得在类似塑料加工机上推广，例造粒机，制管机，拌料机等上的应用。
３、 液压塑胶中空成型机变频简介：
基于多年生产现场经验，作者在实践中对各种不同类型的塑胶中空成型机的性能作了深入的调查研究，并由此有针对性地对各种档次的中空成型机进行了局部或整机的改造，提出了变频式液压塑胶中空成型机的构想。
3.1 塑胶中空成型机工作原理及特性
根据驱动方式的不同，塑胶中空成型机可以分为气动式和液压式两类。无论采用哪种方式，都是将模具送至接胶位，接取胶胚后再回到吹制位，通过吹针将5-6Mpa的压缩空气引入模腔将胶胚吹制成形。PLC控制气动单/双工位塑胶中空成型机采用了全气动驱动，反应快，效率高，但正是由于采用了气动方式，根据公式F=P·S。其中Ｆ为锁模力，Ｐ为系统工作气压，Ｓ为活塞有效面积。由此可知，当系统工作压力为一定值时，锁模力与活塞有效面积成正比。一旦确定了缸径，锁模力也就确定了。以缸径150mm为例，在6MPa的工作压力下，只能产生10.38KN的力。所以此类机型仅适合500ml以下的瓶子。同时需要指出的是，由于采用全气动，间接增加了用风量，若将风泵的耗电量及其维修保养费折算进去，其产品单耗是相当高的。
由上可知，若要生产500ml以上容量的容器，只有采用液压油缸的合模系统。利用液压系统可以产生足够的压力，保证各种大容积产品的生产及质量。但当今最先进的液压伺服系统价格依然不菲。如日本油研公司采用EFRG-03-125-C-50型比例压力流量控制阀售价在7000元左右，一台行程仅为14mm、缸径120mm的伺服油缸售价过万元。尽管采用比例式压力、流量控制系统价格不菲，且液压系统耗电量是整机用电量的30%左右，但其优良的动态特性足以保证产品的质量稳定，所以依然获得了广泛应用[1、2]。
根据测算，除外部提供的供风系统外，整机能源消耗，以挤出机螺杆直径为70mm的液压双工位机为例，在以PE(聚氯乙烯)为原料生产4500ml容器时，电热加温占整机耗电量的22.6%，挤出机运料系统马达为11kW，约占53%，液压系统是7.5kW马达，约占24.4%。在液压单工位机中，当生产280ml容积的PE料产品时，液压系统耗电占整机耗电量的41.35％，电热占42.33％,挤出机运料系统(已改变频驱动)耗电占16.32%。目前绝大多数中空成型机厂家的做法都是仅在挤出机运料系统中将滑差电机调速改为变频调速。
3.2 变频式中空成型机工作原理
综上所述，如何将液压系统的耗电量降下来，就成了新一代高效节能液压系统的关键问题。传统控制理论注重系统稳定性的方法往往是首先确保有一个稳定系统的存在，在系统稳定性发生变化时再以PID之类方法进行调节。定压式液压系统就是其典型代表。其代价就是高能耗。比例式液压系统较前者已有很大进步，然而，从比例压力比例流量阀的结构可知，依然是上述思路的延伸，只是以内部溢流的方式尽量加大阀门开度而已。而现代控制理论则更注重动态稳定和动态调节。众所周知，变频调速是一种高效率、高性能的调速方法，特别适用于笼型异步电机。脉宽调制(PWM)技术，矢量控制技术，无速度传感器技术的发展和应用使得交流电机变频调速在许多场合已经大量取代直流调速系统。从目前工控领域的发展现状看，它也代表着电力驱动的水平与方向。随着各种大功率智能型电力电子器件的不断问世和计算机技术的飞速发展，变频调速技术愈加成熟。其动态响应速度和过载能力已经能够满足一般液压系统动态稳定性的要求，其价格已下降到用户普遍可以接受的程度[3]。由此，我们在液压控制系统中融入变频调速技术，将传统的定量泵转化为“变量泵”，变回流式调节为容积式调节，根据生产中各工艺流程“按需分配”，从而达到高效节电之目的。
整机能源消耗由四部分组成，分别为中空成型机加温系统，挤出机构，比例式液压系统和压缩空气源。其中除压缩空气源为外部系统提供外，其余均由该机的动力用电提供。该机与目前常见的中空成型机不同之处在于增加了2个环节，一个是保温系统，另一个是带D/A转换器和同步控制器的变频式液压系统。关于保温系统，仅在发热管部分?复一种复合硅酸盐保温材料，约30mm厚，因该材料无腐蚀性，隔热性能优良且容重轻。仅此一举，加温系统节电30%。因保温系统十分简单，故不在本文重点讨论之列。
