註塑機伺服節能改造工程

　　註塑機伺服節能改造工程焦點

　　註塑機：取勝的關建如何讓註塑機更加節能，成瞭業界廣泛關註的焦點。

　　隨著在環保、能耗等方麵日益嚴格控制，節能已成為各國註塑機電液系統的研究重點。針對閥控電液系統有較大能量損失的不足，德國、日本等國發展瞭應用變量泵和電液比例閥結合的負載感應型註塑機電液控制系統。為進一步降低能耗，減少噪音，最新一代註塑機是用轉速可調的電動機驅動液壓泵為動力源，在保壓、冷卻及空轉工況保持很低轉速，以達到節能、降噪的目的。因此，各種註射控制精度較高，轉速較穩定，可多級調節，電耗低，具有環保和節能優勢的全電動式註塑機不斷麵世，為註塑機註入瞭新的活力，但其使用壽命與全液壓式註塑機比稍有遜色。於是，集液壓和電驅動於一體的新型註塑機―――電動液壓式註塑機應運而生。它融合瞭全液壓式註塑機的高性能和全電動式的節能優點：可提高動力驅動系統效率，降低能耗損失，促使液壓註塑機加快節能技術開發和應用。電動液壓式註塑機正以前所未有的力度沖擊著傳統的液壓式註塑機市場，其銷售目前雖然還沒占很大比例，但代表瞭今後的發展趨勢，已成為註塑機技術發展方向。

　　國內研發註塑機節能技術的同時，還對節能註射成型原理進行瞭創新。因為要從根本上實現註射成型的節能，必須開發節能註射成型原理，機構、電氣控制及液壓動力系統是為註射成型原理服務的，是一種輔助性節能。隻有開發出新的節能註射成型原理，配上節能的動力系統和執行機構，才能實現真正的節能。

　　伺服驅動系統（Servo System）簡稱伺服系統，是一種以機械位置或角度作為控制對象的自動控制系統，例如數控機床等。使用在伺服系統中的驅動電機要求具有響應速度快、定位準確、轉動慣量較大等特點，這類專用的電機稱為伺服電機。當然，其基本工作原理和普通的交直流電機沒有什麼不同。該類電機的專用驅動單元稱為伺服驅動單元，有時簡稱為伺服，一般其內部包括電流、速度和/或位置閉環

　　伺服在註塑機中三大優勢:

　　1、節電：由於伺服型註塑機中的伺服電機其是根據需要而改變的，不象三相交流異步電機轉速和力矩是不變的，而電機的輸出功率=扭矩X轉速，因此實現瞭節電的效果，這是很明顯的。另外，伺服電機內的磁場由強磁材料自行產生的；而交流異步電機的磁場是交變電流通過電機的定子產生的，要耗去電能（估計10%左右）。所以節電是伺服型註塑機的特點；

　　2、精密：由於伺服型註塑機采用瞭壓力傳感器，通過壓力傳感器不斷反饋信號，控制系統作出實時控制，使各階段所需壓力、流量快速、準確地實現。實現瞭閉環控制。產品的重復精度提高。而傳統註塑機是開環控制的，精度要低的多。

　　3、高效：由於伺服電機的響應速度快，從0到額定轉速隻需幾毫秒，因此加工產品的效率提高2%左右。

　　註塑行業為什麼要進行伺服系統節能改造

　　註塑機是塑膠行業的主要生產設備，電能浪費嚴重。由於電價昂貴，電費在企生產成本中占有相當大的比重，已經成為嚴重響企業生產效益的重要因素。隨著市場競爭的日益加劇，各企業都在采取各種節能降耗措施、努力降低生產成本，以便提高市場競爭，能根據用戶的註塑機的電機功率、電機轉速、油泵排量和系統壓力定制產品，滿足所有規格設備。安裝過程和普通塑機一樣，方便簡易，受到廣大塑膠行業企業的歡迎，既響應瞭國傢的節能減排、節能降耗號召，也帶瞭可觀的經濟效益。產品美觀耐用,省電環保，根據註塑制品的不同，節電率達20%-80%。全部收回投資時間在6-12個月。是企業進行註塑機節能改造、註塑節電改造的最佳最理想的產品。

　　註塑機伺服節能改造原理

　　註塑機節能控制器，可根據註塑機電腦板給出的壓力及流量信號，經處理後，送入驅動器。隨著合模、射膠、保壓、開模等不同工藝段，輸出信號，控制驅動器的運行頻率。將註塑過程中多餘的能量節省下來，節電效果非常顯著。實踐表明節電50%-80%。

　　註塑機電液伺服系統技術與應用？

　　自動控制系統中將輸出量以一定準確度跟隨輸入量變化而變化的系統稱為伺服系統，穩定性好、精度高、響應快是對它的基本要求。具體到註塑機，電液伺服系統實現被控制油泵的輸出流量和壓力快速、準確地跟隨上位機給定信號的變化，適應註塑工藝對壓力、速度、時間的要求。

　　按所用的驅動電機來分，伺服電機系統可分為直流和交流系統，後者又可分為感應電動機伺服系統和永磁同步電動機交流伺服系統。直流電機的勵磁回路和電樞回路相互獨立，獨立地調節兩個磁場中的一個來進行調速，控制性能優異，但它采用機械換向裝置，碳刷易磨損，運行時易起火花。轉子采用永磁材料的同步伺服電機比非同步感應交流伺服電機應用更為廣泛，主要是因為永磁材料性能不斷提高，價格下降，相對於非同步電機而言，控制較簡單，易達到高性能控制要求，因此，近年來永磁伺服電機的交流伺服系統發展勢頭非常迅猛，註塑機電液伺服系統的出現和發展正是順應瞭這一時代潮流。

　　電液伺服系統的構成

　　下麵以騰博信註塑機電液伺服系統為例，簡單介紹電液伺服系統的構成。如圖1所示，騰博信註塑機電液伺服系統主要由永磁同步伺服電機、電機轉子位置/速度傳感器、伺服驅動控制器、與伺服電機同軸連接的油泵，以及檢測系統油壓的壓力傳感器等關鍵部件組成。

　　交流永磁同步電機

　　永磁同步電動機特點是：結構簡單、體積小、重量輕、損耗小、效率高。和感應非同步電動機相比，它由於沒有轉子電流，轉子損耗很小；它不需要無功勵磁電流，功率因數高，定子電流和定子損耗減小，因此，永磁電機總體效率比感應電機高5%-10%。此外，永磁電機的最大輸出力矩與轉子慣量的比值可比感應電機大很多，因此永磁電機動態性能優越，適於用作高精度、高動態性能的伺服控制電機。

　　功率調速范圍不夠寬是永磁電機的一個局限。騰博信公司借鑒在電動汽車電機系統方麵的經驗，采用永磁-磁阻同步電機的結構，有效地突破瞭這一局限，可完全滿足註塑機電液伺服應用的要求。

　　電機轉子位置/速度傳感器

　　為控制伺服電機的力矩和轉速，需檢測電機轉子的位置和轉速。大部分伺服電機采用光電編碼器作為位置/速度傳感器。光電編碼盤的優點是結構簡單，易獲得較高 精度，但由於其處理電路須與電機集成在一起，在電機溫度高、震動大的環境下，再加上電磁乾擾，其電子電路往往不能正常工作，出現丟碼，導致電機控制紊亂甚至損壞電機。

　　騰博信伺服系統采用滿足電動汽車要求的高性能旋轉變壓器作為速度反饋部件，結構牢固，耐高溫、抗震動、抗乾擾能力強，確保系統在註塑機的“惡劣環境下穩定可靠的工作，且精度可達每轉4096個脈沖。

　　伺服驅動控制器

　　伺服驅動器根據註塑機控制器（上位電腦）的壓力和流量的指令，控制伺服電機的電流、力矩和轉速。騰博信伺服驅動器包含伺服控制、整流/逆變功率、通訊接口和 反饋檢測等單元。整流/逆變功率單元采用先進的集成IGBT模組；伺服控制單元包括位置控制器、速度控制器、轉矩和電流控制器等。采用高速數字信號處理器 （DSP）作為驅動器的控制核心，實現各種復雜的控制算法，並輸出脈寬調制（PWM）信號至逆變功率驅動電路，來改變逆變器輸出功率，達到控制三相永磁同步交流伺服電機的目的。

　　油泵

　　作為註塑機主動力源，油泵與伺服系統的良好匹配對其整機性能及節能效果至關重要。目前適用於伺服系統的油泵有齒輪泵、柱塞泵和螺桿泵，特性各有不同，因此伺服系統要能適配各種油泵，並優化參數設置。騰博信伺服系統具備先進的負載參數辨識功能，可靈活優化適配各種油泵。

　　壓力反饋部件??壓力傳感器

　　騰博信伺服系統采用壓力閉環控制策略，即通過控制電機力矩與轉速來調節註塑機油壓並使之跟隨壓力命令值。油壓信號通過壓力傳感器獲得，其精度將決定註塑機壓力的控制精度。騰博信可提供不同控制精度要求的壓力傳感器。

　　磁場定向控制技術

　　磁場定向控制（向量控制）基本原理是在三相永磁同步電機上模擬直流電動機轉矩控制規律，在磁場定向座標上，將電流矢量分量分解成產生磁通的勵磁電流分量和產生轉矩的轉矩電流分量，並使兩分量互相垂直，彼此獨立，然後分別進行調節。交流電機的矢量控制使轉矩和磁通的控制實現瞭解耦，控制轉矩時不影響磁通的大小，控制磁通時不影響轉矩，使交流電機控制與直流電機控制一樣方便，且可獲得與直流調速系統相媲美的動態特性。

　　為瞭使電機始終維持最大輸出轉矩，系統需要獲得電機轉子的瞬時位置和轉速，通過將可測量的定子變量經過座標變換，變換到轉子坐標系中，從而形成電流閉環，動態地跟蹤電流的變化，再使用速度傳感器形成速度閉環，最終實現電流、轉速雙閉環，獲得優異的系統穩定性、快速響應性及控制精度。這些復雜的運算需借助高速數字信號處理晶片DSP來實現。

　　磁場定向控制的另一個好處是，通過力矩電流分量和磁通電流分量的分別控制，最佳分配電機的銅損和鐵損，從而獲得最佳系統效率。

　　電液伺服系統控制原理與算法

　　針對給定與反饋之間的誤差，伺服驅動器的高速DSP運用各種控制算法，生成對伺服電機的控制信號，通過IGBT模塊驅動伺服電機，實現對壓力和轉速的雙閉環控制。

　　針對註塑機的特定應用，騰博信公司開發出一系列專用控制算法：

　　A. 將現代非線性控制方法引入電機磁場定向控制算法，以消除磁阻電機參數的非線性影響，且對電機與控制器進行一體優化設計，實現永磁-磁阻伺服電機輸出力矩的精確控制。 C. 由於系統在流量控制與壓力控制模態之間頻繁轉換，采用模糊控制原理以實現流量和壓力控制間的平滑轉換。

　　D. 采用帶壓力補償的流量控制，消除壓力對流量估算精度的影響。

　　E. 采用滑模變結構等非線性控制方法，使系統快速響應並且超調小。

　　F. 采用弱磁控制算法，系統具有更好的高速特性、更寬的調速范圍。

　　G. 負載參數自適應算法，使系統可以適配各種油泵。

　　H. 由於給定信號具有非線性特征，設計瞭給定校正算法，配合系統的優異低速控制特性，有效解決瞭註塑機的低速爬行問題。

　　測試結果

　　騰博信伺服電液系統目前在註塑機的應用已收到節能、高效、精密的效果。

　　選型配置方法

　　在已知註塑機最大需求流量、最高系統壓力時，可用下麵的方法在油泵/電機/驅動器系列中配型。

　　第一：根據需求的最大流量，計算油泵理論需求排量。

　　理論需求排量=最大流量*1000/最高轉速

　　排量單位：毫升/轉，流量單位：升/分，轉速單位：轉/分，最高轉速取電機和油泵的最高轉速中的較小值。在油泵系列中選擇排量大於並最接近理論需求排量的油泵。

　　第二：由油泵排量和系統最大工作壓力，計算電機理論需求力矩，選擇電機。

　　理論需求力矩=（壓力*排量*9.55）/機械效率值*60

　　力矩單位：牛米，壓力單位：兆帕，機械效率取值1。

　　選擇電機中額定力矩與理論需求力矩/2相近的電機。

　　第三：由最大電流選擇伺服控制器

　　最大電流=額定電流*最大壓力/持續工作壓力

　　電流單位：安培。選擇伺服控制器中峰值電流大於並最接近需求最大電流的控制器。

　　B. 針對齒輪泵和柱塞泵壓力波動的特性，采用噪聲消除（Noise Cancellation) 控制方法減小油泵輸出壓力的波動。上述配型方法遵循力矩兩倍超載的原則，一般力矩兩倍超載的運行時間為20秒，三倍超載的運行時間為5秒，按比例可以計算出30秒、20秒、10秒對應的力矩超載倍數。

　　發展方向

　　伺服電液混合系統：除瞭用一個伺服電機為註塑機提供總動力外，還可以靈活地用一個電機單獨驅動指定的液壓部件，或用數個伺服電機實現組合驅動。

　　帶位置傳感器的伺服電液系統：通過螺桿行進油缸處的位置傳感器，可更直接的對射膠過程進行精確的速度和位置控制，試制品的合格率、質量、精度有會進一步提高。

　　融合塑料成型工藝技術的伺服電液系統：與上位機配合將註塑成型工藝技術與液壓動力系統相配合，可以期望將出現成型工藝技術與伺服控制技術融合起來的產品，以滿足高端客戶的需求。

　　多泵合流伺服電液系統：通過CAN匯流排技術，將若乾伺服電液泵相連接形成多泵合流控制，實現大型註塑機液壓控制，優化系統提高效率，增加系統的壽命等。

　　定量泵註塑機節能伺服改造?

　　註塑機伺服節能改造

　　註塑機節能控制器，可根據註塑機電腦板給出的壓力及流量信號，經處理後，送入驅動器。隨著合模、射膠、保壓、開模等不同工藝段，輸出信號，控制驅動器的運行頻率。將註塑過程中多餘的能量節省下來，節電效果非常顯著。實踐表明節電20%~80%。

　　一、節能原理:

　　註塑機的電能消耗主要是加熱體和油泵。

　　1、現行的加熱方式效果低，有50%的熱能不能利用，白白消耗電能。

　　2、油泵電機全速運轉，不需油壓時，處於空轉狀態，消耗電能。

　　本公司開發的註塑機節能控制系統是針對油泵電機實現變速控制，同步跟蹤壓力和流量實現不同階段時的不同轉速，從而達到節電目的。也就是說，通過控制器調整油泵電機轉速，用以改變普通定量泵的輸出功率，使其隨著負載的變化而變化，將註塑過程中多餘的能量及冷卻，等待產品的能量節約下來，所以節電效果十分明顯，同時還可以提高功率因素。

　　經實際檢測，本系統在註塑機上的節能效果可達20%~68%，節電效果與註塑機的狀態、註塑機容量的多少，註塑周期的長短，註塑的產品及原材料不同，節能效果也不同，同時與工藝也有很大的關系。

　　二、主要特點及功能:

　　1、 節電效果20%~80%。

　　2、 電機軟啟動，減少對機械的沖擊。

　　3、 動態調節油泵的功率輸出。

　　4、 無高壓節流能量損失

　　5、 具有欠壓、過壓、過載、短路、缺相等自動保護。

　　6、 系統為閉環控制，功率與壓力和流量同步自動跟蹤控制，大大減輕合模、開模振動，穩定生產工藝、提高產品質量，並減少註塑機故障率，延長註塑機壽命

　　7、 本系統可與原有系統共存，操作方式一樣，可互相控制，

　　註塑機伺服節能有什麼好處?

　　當然有效，要不現在註塑機怎麼會全部采用伺服電機呢？發展伺服註塑機目的：節約資源、降低成本、提升品質、改善工況！註塑行業正麵臨著一個飛速發展的機遇，然而在註塑產品的成本的構成中，電費占瞭相當的比例，依據註塑機設備工藝的需求，傳統的註塑機油泵馬達耗電占整個設備耗電量比例高達80%-90%。隨著能源問題日益受到重視，節能降耗是國傢基本國策，降本增效是企業競爭核心。節約能源變得越來越重要，設計與制造新一代“節能型註塑機，就成為迫切需要關註和解決的問題。目前，伺服節能技術，已成功應用到註塑機上，比普通定量泵註塑機節能最高可達80%，比變量泵節能最高可達50%，同時，提高生產效率10%以上，註塑機制造廠商已經開始批量設產，將迅速成為主場主流產品。

　　對於正在使用的普通註塑機的伺服節能改造，也將刻不容緩，增產、節能、降耗等近乎全電機的優點，註塑機客戶將得以為力降低成本，美化工作環境，在其他成本上不斷上升的今天，相信會大行其道（節能技術，也是IE改善行動之一）。在註塑機制造和使用的發展過程中，節能是永恒的。

　　傳統的註塑機是開環油路定量泵和異步電機系統；異步電機是開啟後不會停止的。註塑機動作是有很多程序，每個程序裡麵還有分階段不同的功率，這些動作壓力、流量有很大的差距；而電機油泵是定量的，排量永遠是最大輸出，除瞭熔膠、射膠保壓要比較大的排量外，其它的會或大或小，可電機油泵那麼大的功率輸出到哪裡去瞭呢？除瞭給需要的動作之外，全由溢流閥、節流閥流回註塑機油箱瞭，這樣形成瞭大部分浪費。其次，冷卻產品過程中註塑機是沒有工作的，可電機油泵還是最大的功率輸出，全部由溢流閥、節流閥流回油箱，就等於全是在浪費。而且它是開環控制穩定性也沒有閉環控制那麼好。

　　第三，伺服電機系統是閉環系統，註塑機要多少壓力流量就給多少壓力流量，不會多也不會少，生產產品非常穩定。因為伺服系統是閉環，讓動作油直到動作閥，就是說這個動作要多少壓力流量，是靠壓力傳感器和編碼器反饋給驅動器來控制伺服電機油泵的多少，這是個明顯的節能要點之一。保壓時異步電機是要大負荷工作，負荷就是電流大的意思，電流大用電量也就大。而伺服電機剛好相反，伺服電機是瘧疾控制用扭矩保壓，內齒合齒輪泵是低轉數也可以起到高壓，所以比起原來的系統和變頻控制既不燒壞電機也更節能，這是節能要點之二。冷卻時伺服電機是不用電的，因為註塑機沒有工作信號，所以伺服驅動器不會給信號到伺服電機，這是節能要點之三。

　　例如：具我司技術人員看到貴公司此產品儲料的參數為：背壓為12，流量為65，冷卻時間為2秒左右。可是此註塑機壓力為140，流量為99,。這樣就明顯可以對比，生產此產品隻用註塑機功率的50%左右，其它的都是無功消耗，冷卻時也是無功消耗。而伺服系統是此產品要65的流量就給65的流量，沒有無功消耗，冷卻時伺服系統是沒有工作也就不用電的。

　　穩定性開閉環對比：

　　開環控制系統不能檢測誤差，也不能校正誤差，控制精度和仰制乾擾性能都比較差，而且對系統參數的變動很敏感。

　　閉環系統不管出於什麼原因（外部乾擾或系統內部變化）隻要被控制量偏離規定值，就會產生相應的控制作用去消除偏差。

　　開環系統沒有檢測設備，組成簡單，選用的原器件嚴格保證質量要求。

　　閉環系統具有仰制乾擾能力，對原器件特性不敏感，並能改善系統的響應特征。

　　其次，對於泵，如果由定量、變量等改成伺服，那不僅能減少40%以上的用電量，還能提升產品質量，這是行業認可的。而對炮筒（加熱部分）如果使用納米節能電熱圈，同樣能節省30%-70%的用電量，還能降低廠房溫度，改善工人工作環境，許多廠傢首先改造往往是這一部分。乾燥機經過改也能節省20%以上用電量。至於冷卻可能占比例相對少一些，但改造後同樣能節省用電量的20%以上

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