注塑机变频改造方案

一、前言

众所周知，节能减排，低碳生活，是现代社会的一种必然趋势，能源危机在未来很长一段时间都会持续下去，所以这种必然趋势也会逐渐成为一种生活习惯，乃至成为国家政策。

国家十三五会议中，针对节能减排，明确了目标和要求，在重点领域，特别是工业方面，必须加强节能，要求规模以上企业逐年降低能耗百分之十几，政府也会大力支持重点行业改造升级，构建绿色制造体系。

2017年，特别刚刚过去的夏季，全国多个地方在用电高峰时期出现用电缺口，政府分区拉闸限电，并呼吁企业事业单和办公楼，以及市民节约用电，家用大功率电器使用尽量避开用电高峰，高耗能电器尽量不同时使用，少开一盏灯，少用一样电器。机关、事业单位、商业、娱乐、公共场所的空调温度不低于26摄氏度。

根据统计，今年前八个月，我国工业用电量相比去年同期增长6.1%，如果不重视节能减排，用电形势只会越来越严峻。

针对这些情况，各地政府也在积极努力，特别是经济相对发展较快的城市，政府从政策上和税收上鼓励节能减排，促进制造业绿色、低碳、循环发展。

大环境的趋势明显，而作为企业老板，随着这几年原材料成本的不断上升，生意也越来越难做，企业利润空间被压缩，而占企业支出比例越来越大的能源消耗也开始被老板所重视，特别是很多中小制造企业的老板感叹，电费都快交不起了。中国早期很多机电设备并没有考虑节能减排，或者出于短期利益的考虑，没有选择价格昂贵的节能设备，以致生产工艺流程中存在许多空载运行的情况，白白浪费了很多能源，而这一部分浪费随着产业利润降低，企业老板也不得不想方设法考虑长效节能的方式降低成本支出。下文注塑机为例，主要介绍注塑机的工作原理及节能改造方案。

二、注塑机、油压机节电工作介绍

注塑机液压系统是一个压力和流量波动较大的系统，在开模、合模、射胶、回料、顶出等不同工作阶段，其压力和流量都要发生有规律的变化。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。该溢流部分不仅未伯任何有用功，而且产生热量，造成液压油发热，既耗能，又有害。根据注塑机当前的工作状态，如开模、合模、射胶、回料、顶出等阶段以及压力和速度的高定要求，自动调节油泵的转速，调节油泵供油量，使油泵实际供油量与注塑机实际负载流量在任何工作阶段均保持一致，这样，液压油的溢流部分便没有了，彻底消除了溢流现象，油泵出力减少，节省了油泵电机的电能消耗。变频节能控制器便是利用控制供油马达在不同的阶段，提供相应的转速，使定量泵变为节能型变量这一原理，来达到注塑机节能的目的。

三、注塑机能耗分析

a、注塑机哪里存在严重的浪费现象？

          有99%注塑机采用液压传动和电液比例控制技术，安装定量泵的液压系统过程一般分为锁模、射胶、熔胶、保压、冷却、开模﹑顶针﹑待机（半自动）等几个阶段，各阶段需要的压力和流量就不同，对于油泵马达而言，注塑过程是处于变化的负载状态。在定量泵的液压系统中，其转速提供恒定的流量，多余的液压油通过溢流阀回流，此过程称为高压节流。据统计电能量损失高达35%-70%。

b、注塑机油泵马达耗电在生产全过程中的比例是多少？

根据注塑机设备工艺的需求，注塑机油泵马达耗电占整个设备耗电量的三分之二以上。极具节能潜力。

c、国际注塑机状况如何？

随着世界各国在环境保护，如能耗、噪声、泄漏等其控制方面日益严格的要求，注塑机节能系统成为研究的重点。针对阀控电液控制系统有较大能量损失的不足，德、日等国着手研究电液比例阀结合的负载感应型的注塑机电液控制系统。为进一步降低能耗，减低成本。电机是用转速可调的电动机驱动液压泵为动力源。在保压、冷却及空转工况保持恒定下达到节能、降噪音目的。

四、注塑机、油压机节电改造原理

1.采用比例阀控制的节电改造方案：

注塑机油泵的流量Q与油泵转速n成正比，只要改油泵电机的转速就能改变泵的转速，从而改变泵的吸油量．在油泵电机前面加节能器，节能器的转速信号取自比例流量阀的驱动信号(0一1A），使节能器输出转速与注塑机流量比例阀门通过的流量保持同步。例如执行元件需要50%流量，节能器带动电机( Ne=1500)提供750转的同步转速，那么电机带动油泵从油缸抽取50%流量。不抽取溢流的那部分流量，也就不产生不必要的浪费。特别冷却和放料过程中油泵完全不从油缸抽取流量，电机可以完全停下，不消耗电能。与注塑机整个工艺完全吻合，在不影响生产效率的前提下实现高效节能。

2.注塑机节能变频器特点

适用于注塑机节能与自动化改造的专用节能变频器，采用优良的控制策略使其具有较快的动态响应，先进的电流限制技术和硬件优化设计，使产品具有超强的过载能力，能保证在负载频繁波动的情况下，节能变频器不跳闸。并具有以下特点：

a.高可靠性

完善的可靠性设计方案：如冗余设计，降额设计等，所有元器件全部采用工业或军工等级，关键元器件全部采用进口元件，关键电路全部采用高集成度厚膜IC，从而保证整机的可靠性；

b.高节电率

保留注塑机原有控制方式油路不变，采用先进的微电脑控制技术，使定量泵变为节能型变量泵，注塑机液压系统与整机运行所需要的功率匹配，无高压节流溢流能量之损失，提高油泵电机功率因素至0.96以上，节电率一般可达25%~65%，所有投资6~8个月便可收回。

c.软启动节能

由于电机为直接启动或Y/Δ启动，启动电流等于（3-7）倍额定电流，这样会对机电设备和供电电网造成严重的损坏，而且会对电网容量要求过高，启动时产生的大电流和震动时对设备的使用寿命极为不利。而使用变频节能改造后，用变频器的软启动功能将使启动电流从零开始，最大值也不超过额定电流，减轻了对电网的冲击和对供电的要求延长了设备和模具的使用寿命。

五、注塑机、油压机专用节电器应用范围

有采用比例阀控制油路系统的定量泵…一卧式注塑机、立式注塑机、压铸机、吹塑机，其中包括单泵、多泵系统，单电机和双电机注塑机，节电效果可达20%-65%；

所有采用比例阀控制油路系统的变量泵…一如注塑机、压铸机、油压机节电效果可达15-40%;

所有采用方向阀控制油路系统的定量泵一如卧式注塑机、立式注塑机、油压机、大型油压冲床，节电效果可达20-65%。

六、注塑机专用节电器选型及改造方案

现我司针对注塑机节能改造方面主要有以下三种思路：

一是注塑机电机部分改伺服，而这其中又分为几个小类别，这也是本文介绍的重点；

二是对注塑机加热料筒采用新的加热方式；

三是将注塑机加热部分的多余热量回收利用到烘料。

第一种思路是注塑机节能常见方式，也是最主要方式，差不多占注塑机总能量损耗的百分之八十以上，注塑机电机改伺服又可以分为异步伺服和同步伺服，以及对应的开环控制和闭环控制。现就市面占比80%以上的定量泵注塑机采用不同的伺服改造方案进行说明，并做一些简单分析：

注塑机的生产周期原理是：合模-注射-保压-回料-冷却-开模-顶出。定量泵注塑机设计时电机的功率是按照各个原理动作的最大消耗功率来进行设计的，其中以高速高压的动作的能耗为最大。但实际生产中，由于产品的表面精度的要求，往往产品不适合高速高压成型，因此通常情况下注塑机电机的平均负载只有60%，个别情况甚至只有40%。注塑机并不会根据负载不同调整输出能量，大部分能量作了大量的无用功，因此能量损失巨大。

A、注塑机异步伺服节能改造方案

①开环控制；此方案是将注塑机流量与压力的电流（0-1A）信号串联入伺服器信号转换板，部分注塑机仅有压力信号（伺服器支持单比例信号），流量与压力信号同时输入时，伺服器选择数值比较大的信号作为参考输出。节能原理是通过自动检测生产过程中的所有阶段

（合模、注塑、保压、回料、冷却、开模、顶出）的压力和流量设定，计算出对应的比例控制信号输出给伺服器，伺服器根据接收的控制信号后，动态地调整电机转速以保证油泵输出的液压油尽可能少地产生无功回流。以玮肯Wk9600系列变频器为例，其原理图和接线图如下：

原理图：

电气接线图

分析：此方案为注塑机节能改造最简单的方式，无需任何其他配件，普通电工即可完成。改造后，注塑机电机输出变成可调式控制方式，泵输出的流量是可变的，注塑机没有动作时，特别是冷却时间，电机可以完全停止运行，通过测试，冷却时间20秒左右的注塑机经此方案改造后节能30%。

②闭环控制；此方案在开环控制基础上增加一路油压检测信号作为反馈源，形成闭环控制。相比开环控制，比例控制信号所对应的电机转速更准确，电机速度响应也会更迅速，接线图如下

分析：此方案需要在注塑机输出油缸上安装油压传感器，部分注塑机可能还需要钻孔，相对比较麻烦，非专业人士不建议操作。以上述冷却时间20秒注塑机为例，节能相比开环控制增加10%，达到40%。

③工变频切换；此种方案是在前两种方案基础上增加工变频切换组件，实现节电和市电可以相互切换，只是功能上的增加，对节能没有影响。如下图两种产品：

分析：伺服器一般是单机，壁挂式安装，增加工变频切换功能可以做成立式的一体柜，无需固定；如果伺服器故障时不能及时处理，可能会耽误工作效率，一体柜可以切换到市电模式不耽误生产，免除客户赶货担忧。

B、注塑机同步伺服改造方案

此方案可以理解为异步伺服方案的再次升级。

①开环控制；在异步伺服开环控制基础上，更换三相交流异步电机为三相交流同步电机，伺服器需支持同步电机驱动，接线与异步伺服基本一致。

分析：同步电机相比异步电机优点，功率因素更高，矢量控制性能更好。此方案除异步电机更换同步电机外，注塑机本身的油泵和油路都要进行相应改动，操作复杂，成本也较高。还是以之前的注塑机为例，节能大约40%。

②闭环控制；在上述方案基础上增加油压检测信号作为反馈源形成闭环控制；或者电机增加旋转编码器，编码器信号作为矢量控制本身的反馈源形成闭环控制；或者两种方式都采用形成双闭环控制。接线与异步伺服基本一致。

分析：按之前的注塑机为例，单一的闭环控制节能大概在50%，双闭环可以做到节能接近60%。当然，此种方案的改造成本更高，部分场合已经相当于注塑机本身一半的成本了。现在市面上各品牌注塑机，比如市场占有量很高的海天注塑机，现在推出的新品注塑机设备已经有很大一部分采用同步电机加闭环控制的方案了。

注塑机节能改造的原理说到底就是极尽可能的减少电机无用功的损耗和加热部分的热量回收利用。所以，针对市面上占比超过80%的老式注塑机，注塑机异步伺服改造方案无疑是最具性价比也是最简单的方案了，随着近几年国内变频器技术的成熟，早已从最初的电机VF控制转变到电机精准的矢量控制，技术的进步带来的必将是产品性能更好，质量更稳定，操作更简单，节能更明显。

七、安装及售后服务

1、安装本节电器绝不改变原有设备的控制和生产产量及产品质量，所有节能都是在不影响生产的前题条件下进行的实施。

2、本产品质量保修期为1年.使用寿命长达8—10年以上，终身维护。     

3、节能器若在使用中有技术问题时，可以我司联系，寻求技术指导 。

八、注塑机．油压机安装前后投资效益分析：

以一台25吨5.5KW油泵马达的立式注塑机投资效益分析：

1、25吨立式注塑机：功率为5.5Kw：a=5.5Kw

2、日耗电(b)：按负载率60%来计算

b=a*b*24

=5.5KW*0.6*24

= 79度

3、电费以0.7元／度计，每日节省电费(c)为：

C=b*0.7=79*0.7=55元

4、改造后省电分析

按最低节电率35%计算

月节省电费(D)为：D=C*0.35*30=55*0.35*30=578元

年节省电费(G)为：G=D*12=578*12=6930元

投资回报分析(E)：

①一台5 5KW油泵马达的立式注塑机，配备一套玮肯WK9600-3T-00550Z节电器，改造后，每月可为公司节省578元，每年可节省成本6930元

节电器使用8年以上，将为企业带来(6930*8=55440元投资回报

②投资20台立式注塑机

每年将回收：6930*20=138600元：

8年将产生：8*138010=1，108，800元

九、结论

1、直观节电效果的结论

对注塑机节电改造之后，按最低的节电效果也只需6个月时间左右即可收回投资成本，而设备的可用期限至少十年以上，“节电是回收期最快的投资，也是受益最长的投资”．用户可以减少实际的电费开支，达到节约开支，降低经营成本、促进企业发展的目标。

2、隐含的经济效益

由节电器的节电原理可知，除了具有直观的节电效益之外，其对设备及线路的保护作用从而产生的使系统运行寿命延长，设备发热量小、运行效率提高、维护费用减少，对投资方来说也是一笔不可忽视的经济效益。特别是通过节电改造后，用电量下降20-40%，降低了配电网中的功率损耗，提高变压器的用电效率，带来的隐含的经济效益对投资方来说亦又是一笔可观的收益。

十、安装过程答疑

一、变频器和伺服器是不是一回事？

解答：注塑机节能改造中有变频器和伺服器一说，很多人认为是两种不同的设备，其实二者没有区别，目的都是通过电机调速的方式节能，或者可以理解为伺服器是高配版的变频器，常见通用型变频器过载能力只有150%，不能直接接入注塑机0-1A信号，而注塑机专用伺服器（注塑机专用变频器）放大了一定功率，过载能力可以达到200%，配置了专用信号板，内置参数进行了优化设定。通用型变频器放大功率等级选用和加装信号板，并设定参数也同样可以实现与注塑机伺服器一样的节能效果，只是成本和时间精力不划算。

二、伺服器加装制动单元和刹车电阻有没有必要？

解答：部分厂家在注塑机节能改造时会为伺服器加装制动单元和刹车电阻，目的是让电机在没有动作时快速停止，经本公司技术人员实际测试，这种方式并没有产生实质性节能效果，快速停止回收的能量都被刹车电阻吸收发热散失了，并没有二次利用，不存在节能效果，只会增加节能改造成本。

三、变频器和星三角降压启动不冲突吗？

解答：加装伺服器时，需要把伺服器串在电机原有星三角降压启动前面（见前文接线图），只把角接接触器常开点接入变频器，或者干脆不接。有点电气常识的人都会知道变频器与电机之间不建议有开关比如接触器什么的，否则操作不当，变频器很容易烧坏，而变频器带电机相当于软启动，电流的限制速度不会很快。串在星三角启动前面这不是违反操作？注塑机启动会不会因为提速慢而影响工作效率？

先回答第一个问题，降压启动电路是先有星接接触器启动电机，电机星形接法启动电流不大，变频器在过载能力范围内也可以承受，后在瞬间转换角接接触器时，电机已经有一定速度，此时变频器通过角接驱动电机已经不需要很大的电流加速，也不会过载，所以不存在使用不当的问题；

第二个问题，变频器驱动电机从0hz加速到50hz是需要时间的，时间的长短取决于负载的大小和变频器本身的驱动电流，注塑机启动属于带载启动，但变频器也放大了一定功率，在加上启动过程电机是星形接法，加速时间可以极大的缩短，部分设备甚至可以到1s以内（当然也很少有设备需要设定这么短的时间），所以基本不会影响工作效率。