无速度传感器矢量变频器在塑料机械上节能改造

1 引言 我国已持续近两年的电力供应短缺的现象，到2004年形势更加严峻，上半年出现拉闸限电的省市区已经达到24个。今年上半年，电力需求受9.7%GDP增长拉动，继续高速增长，并呈“工业用电继续保持快速增长，高耗电行业用电增长居高不下”的特征。而电力供应能力则增加有限，出现持续供应不足的局面，致使电力供需矛盾紧张，缺电范围和持续缺电地区进一步扩大。 我国是世界鞋业制造大国，制鞋企业约有2万多家，其中福建是全国重要的塑料制鞋基地，每年鞋的产量和出口均名列前茅，泉州市先后引进1000多条制鞋流水线，晋江市是著名的“中国鞋都”，从皮革、鞋材、化工原料、数字制模都有专业厂家，现拥有鞋业生产经营企业3000多家，年产量7亿多双…… 限电拉闸，已经严重影响企业的正常生产。今年1～7月，塑料成本的增长，使得中国塑料制造业竞争日益激烈。节能作为企业增效降耗、降低经营成本、提高竞争力的重要手段，已经显得特别有意义，并逐步的被人们所认识和接受。 2 全自动圆盘式塑胶类射出成型机的工作原理 众所周知，国内有大量卧式注塑机变频节能改造的成功案例。制鞋企业的全自动圆盘式塑胶类射出成型机，是制鞋企业中主要的一种常见用电设备，人称电老虎。我国是制鞋大国，有大量的制鞋设备，而目前涉及节能改造的单位比较少，主要原因是人们对全自动圆盘式塑胶类射出成型机的工作原理不太熟悉。 2.1全自动圆盘式塑胶类射出成型机（以下简称：圆盘机）的机械特点 1)本机械专用于生产各类高级单色、双色和三色的运动鞋、休闲鞋鞋底，男女童鞋底等产品。 2)原料适用于生产发泡等各种热可塑性之原料，如PVC、TPR等。 3)本机以电脑程序（单片机、PLC）控制，主、副机控制精确，操作简单，保养容易。 2.2圆盘机与传统的卧式注塑机的比较 1)液压马达 卧式注塑机和圆盘机的油泵都是定量泵。注塑过程中，油泵压力高低变化频繁，其中低压维持过程的传统处理方式是通过比例阀泄压，而电机一直在工频下全速运行。电能浪费非常严重。 2)按圆盘机的机型分，分为单色机和双色机、三色机等机型。 其中单色机只有一台主机，与卧式注塑机类似。 双色机有一台主机和一台副机组成。副机负责射胶、熔胶、上模、下模等动作，主机包含了副机的动作，且多了一个圆盘旋转的动作，实现模具的移动和定位。三色机有一台主机和两台副机组成。 3)模具数量 卧式注塑机一般只有一套模具在工作，生产工艺在变更时，需要更换模具。 圆盘机按机型不同，模具的数量也不同，一般有18、20、24、30套模具。根据生产工艺，通过控制面板，设定模位使用有效与否。如：TY-322机型，24站模位（可安装24个模具），生产中可按需要灵活选定全部或部分模具为有效模位）。圆盘机工作时，大转盘执行高速顺时针方向旋转动作，PLC或单片机执行程序的运算，当只有检测到有效模位时，PLC或单片机扫描到有减速信号时，转盘开始减速。到达定位信号时，转盘进行精确定位。否则，如果没有检测到有效模位时，大转盘一直旋转至下一有效模位.卧式注塑机只要有锁模或开模信号，就会执行相关动作。 4)压力调整方式 卧式注塑机和圆盘机的压力调整方式都是压力比例控制方式，但圆盘机（模具较多）各模射料压力可以通过控制面板进行独立设定，适用于不同射出量的产品制造。卧式注塑机生产每一产品，相关参数均一致。 5)模具工作方式 卧式注塑机工作时，固定模是不动的，只有活动模在有指令时执行左右锁模或开模，呈左右直线运动。圆盘机工作时，固定模具和活动模具由大转盘移动、定位。有锁模和开模指令时，油缸执行上升或下降动作。取产品时，由操作人员人为的打开活动模具，取出产品。 6)圆盘（转盘） 全自动圆盘式塑胶类射出成型机因转盘是圆形而得名，简称圆盘机（鞋底机）。在圆盘上等分了若干等份。如TY-322被等分成了24个模位。若主机和副机都没有检测到有效模位时，并且主机和副机都处于开模状时，PLC或单片机发出指令，圆盘由主机提供压力，进行高速旋转。系统自动检测到有效模位，圆盘进行减速后精确定位。 7)冷却方式 传统的卧式注塑机有“冷却时间”这个概念，模具上安装了冷却水循环，目的是保护模具和产品的冷却。 圆盘机则不同，它没有冷却水循环系统，因为产品成型后，圆盘机本身的转盘有一段时间处于旋转状态或待机状态，另外机器上有安装几台冷却风机的方式，模具和产品进行冷却。 2.3圆盘机工作原理 圆盘机的注塑过程中的锁模、射料、熔胶、开模、圆盘快慢速等各个动作，对速度、压力的要求都不一样，它们由控制面板上的比例值设定，如：P1设定关模压、P2设定射料一次压、P3设定射料二次压、P4设定进料压。当圆盘机的流量压力需求发生变化时，由设在油泵出口的比例阀（溢流阀）来调节负载压力和流量，将多余的油高压溢流回油箱。 单色圆盘机只有一台主机，主要向系统提供压力，完成射胶熔胶动作及锁模开模动作，另外控制一个转盘系统，完成模具的移动与定位。 双色机既有主机、副机之分。它们主要由加热、射胶、熔胶系统、锁模系统组成。三色机则与双色机类似，它有一台主机，两台副机组成。主机负责圆盘的旋转及定位。 圆盘机工作时分手动运行和自动运行两部分。 手动运行时，操作人员必须提供相应的命令，圆盘机才会完成相应的动作。如射胶、熔胶、上模、下模、圆盘旋转等动作。 自动运行时，各模位选用完成，进料量压力、时间都设定完成且料管温度加热已到达后，将主机油泵启动，将手动、自动开锁切换至自动位置，按一次自动启动按键即可进行自动步骤。 1)如果现在模位有使用，按自动启动键后，进料量为这模设定量。若进料未达设定量，而有锁模的动作。只允许快速锁模动作，等进料到达设定量后才有慢速锁模动作。锁模停止后，执行射料、开模动作。 2)若现在模位不使用，按自动启动键，则圆盘运行往下一有使用的模位，且进料的进料量到达，也以下一有使用的模位之设定量执行进料动作，转盘定位后，快速锁模（用时间设定），计时止，且进料时到达，执行慢速锁模，锁模停止后执行射料、开模动作。 3)主副机同时使用时，须等主、副机自动动作皆完成至开模止，圆盘才运行并旋转至下一使用模位。 4)转盘暂停在圆盘“慢速点”前动作时，圆盘即在“慢速点”检出时，慢速至定位停止。若该模位有使用，定位后，这模动作会做锁模等动作至开模为止。转盘即不动作，但进料动作，会执行下一使用模次的进料，将转盘暂停解除（顺时针旋转）圆盘即往下一模位移动。如果这模位未使用，则圆盘即在最近一模执行定位，直到解除转盘暂停，方往下一模移动。 5)在自动运行中，将自动状态切回手动状态，除圆盘会执行慢速定位的动作外（圆盘在运行中作此切换）其他动作及时停止。可用手动操作复位。 2.4圆盘机的电能消耗主要表现在以下几个部分 1)液压系统油泵的电能消耗 2)加热器的电能消耗 3)冷却风机。 对于制鞋企业来说，电耗是其生产成本的主要部分，上述电能消耗中，液压油泵的用电量占整个圆盘机用电量的80%左右，所以降低其耗电量是圆盘机节能的关键。 3 圆盘机节电原理 在了解圆盘机的工作原理后，我们不难知道 ，圆盘机动作内部有着十分剧烈的突变过程，对机器的冲击非常大，影响了整个注塑系统的寿命。目前国内制鞋企业中，有大量旧设备，自动化程度低，能耗大。机器一般按最大的生产能力设计，其实在生产时往往用不了那么大的功率。油泵马达的转速保持不变，所以输出功率几乎也是不变的，生产中存在大马拉小车的现象。因此造成大量能量浪费。 由于圆盘机特有的主、副机及旋转式模具的特性，生产时，往往使用到的有效模位没有那么多，如：TY-322机型，24套模具，有时只用了10几套，在试机、打样时用到的模具甚至更少，这就决定了主副机经常处于长时间的待机状态。副机只有检测到有效模位时，才执行动作。在圆盘旋转时，副机不做任何动作，而平时，电机却仍然一直工作于额定转速，这时候的高压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。 我们采用圆盘机的无速度传感器矢量变频运行技术（参考电气原理图），变频器实时的检测来自圆盘机电脑板给出的压力及流量信号，圆盘机压力或流量信号是0～1A，经内部处理后，输出不同的频率，调节马达转速，即：输出功率与压力和流量同步自动跟踪控制，相当于定量泵变成了节能型的变量泵，原液压系统与整机运行所需功率匹配，消除了原系统的高压溢流能量的损失。可以大大减轻合模、开模的震动，稳定生产工艺、提高产品质量，减少机械故障，延长机器使用寿命，又能够节约大量的电能。 4 圆盘机节能改造案例 2004年12月，我们协助代理单位。在福建泉州的南龙鞋底厂，安装了一台KV2000-Z0220-4T变频器，经比较，22KW的马达在工频的时候，一个小时耗电量是14度，而变频运行时，一个小时耗电量是5度，小时节电达9度，节电率高达64.3%。当地的电费是0.80元每度，设备按年运行时间8640小时算。年节电率为8640×9×0.8=62208元。下表列举了部分应用KV2000无速度矢量变频器技术，在全自动圆盘式塑胶类射出成型机上的节能改造案例，供用户参考。 序号 公司名称 安装时间 装机数量 平均节电率 1 东莞市塘厦XX鞋材厂 2004.05 86台 43% 2 深圳龙岗XX鞋底厂 2004.08 8台 37% 3 泉州市晋江陈埭XX鞋底厂 2005.01 5 64 4 深圳市XX塑胶厂 2004.09 16台 40% 5 深圳市龙岗坪山碧岭XX鞋底厂 2003.08 16台 38% 6 深圳市龙岗坪山碧岭XX鞋材厂 2004.06 23台 42% 7 东莞市XX鞋材厂 2004.06 10台 33% 8 深圳市龙岗龙东XX鞋材厂 2003.07 9台 36% 9 深圳市龙岗同乐村XX鞋材厂 2004.05 14台 52% 5 变频节能注意事项 5.1变频节能的特点 1)操作简单，与圆盘机同步运行，不必进行任何调节； 2)高可靠性：保留圆盘机原有控制方式及油路不变；采用市电/节电运行控制方式，以备故障时不影响生产； 3)软启动：减轻机器震动，延长设备和模具的使用寿命；有效的减小噪音，改善工作环境；系统发热明显减少，油温稳定；延长密封组件的使用寿命，降低停机维修率，节省大量的维护费用，同时增加变压器的装机容量； 4)高回报率：根据工艺不同，所有投资约6～12个月通过电费节省回收。 5.2全自动圆盘式塑胶类射出成型机变频改造的注意事项 5.2.1变频器的选型及KV2000无速度传感器矢量变频器的特点 有参与过注塑机变频节能改造的厂家都清楚，用变频节能后，会出现生产周期延长的现象。节电的同时，不同程度上降低了生产效率。这是因为通用型变频器，采用传统V/F控制技术，其启动时间长，反应速度慢，力矩不够等造成节电厂家减模，压力不足的现象。甚至有些为了弥补反应慢的缺陷加大变频器的容量，造成油泵马达长期过载，温升提高或烧毁的现象。选用无速度传感器矢量变频器就可以解决上述问题。 科姆龙电气（亚洲）有限公司，最新推出KV2000系列高性能无速度传感器矢量变频器。KV2000系列变频器是全新一代可以广泛应用的多功能标准变频器，使用先进的无速度传感器矢量(Sensor-Less vector)控制技术，为电机在低速运行时提供更大的转矩，可自动补偿高负载时马达的转速变动。良好的动态特性，同时具备超强的过载能力，以满足广泛的应用场合。 KV2000无速度传感器矢量变频器具有电机参数自动调谐功能，转速精度高达5‰，低频转矩高达150％。 无速度传感器矢量控制、输出功率（转矩）控制、标准V/F控制等三种控制模式。 现代化通讯功能、远高于传统通用型变频器的0～650Hz高输出频率、丰富的内置PID功能、独特的冷却风扇、专为产业机械设计的近200种控制功能、转速追踪功能、独特的自动可变载波频率2～16.9KHz。 适用于各种塑料机械、化工纺织、水泵、风机、印刷机、输送带、食品包装机械、金属加工机械等通用机械的恒转矩、恒转速控制。应用KV2000无速度传感器矢量变频器，进行节能改造，既可达到高节电率，又保证了原有生产效率及品质不变的要求。 5.2.2变频器对圆盘机的温度影响及解决措施 变频器属于电力半导体装置，本身具有高频干扰与低频谐波的问题，但是由于有些应用单位技术不够专业，造成对机器设备控制系统的干扰，特别是对温度系统的干扰，严重的时候，系统将不能正常工作，甚至会出现烧毁设备的现象。改造单位应根据现场环境及设备情况，可以在变频器的输出侧安装同等规格的输出交流电抗器，以有效的滤除变频器输出电流中的高次谐波分量，减小因高次谐波引起的电磁干扰。同时改善电流波形，减小电机运行噪音和温升，提高电动机的运行稳定性。 当出现温度系统等被干扰时，我们也可以采取比如：降低载波频率；接专用接地线；调整载波频率；输出侧加磁环、滤波器、交流输出电抗器；在原有加热系统回路加装同等功率的1：1隔离器等一系列的措施来解决。 5.2.3 电气保护 KV2000无速度传感器矢量变频器具有全领域的保护功能：低电压、过电压、过电流保护，防止电机失速、过载、过热保护等，保证变频器和电机不受任何损害。 在设计系统时，我们还必须考虑到，市电状态时对电机的保护。如果直接从节电状态切换到市电状态，相当于电机直接启动，启动电流是额定电流的4～7倍。对设备和电网的冲击非常大，同时容易造成接触器过早的损坏，甚至造成电机的烧毁。 所以建议，在切换时，必须先停止电机（原系统的Y-△装置），再切换节电装置，最后再启动电机。 6 结束语 对多数企业而言，电费是未被企业控制的最后一项成本，人们普遍认为电费开支是难以被控制的，交电费天经地义，因为用电设备消耗多少电，是同其机电特性所决定的，主观的控制无能为力。很显然，此观念是错误的。在全国上下用电形势严峻的情况下，作为我们的企业而言，应该注重能源的节约，注重先进节能机制的采取，先进技术的应用，把能耗降到最低，即保护环境又为企业创造经济效益。实践证明，通过应用高性能高品质的KV2000无速度传感器矢量变频器技术及一系列的技术管理措施，企业至少可以减少20～60%的经营成本。 KV2000无感矢量变频器在塑料机械上的节能改造技术已在塑胶行业得到广泛的应用和推广，该技术为中国的节能事业做出了卓越的贡献。