森蘭變頻器在塑機行業的應用

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森蘭變頻器在塑機行業的應用簡介
     【塑機行業的現狀】   【行業概述】   塑料機械工業是隨著高分子化學和塑料加工工藝的發展而發展起來的,並逐步形成為一個獨立的工業部門 ……
森蘭變頻器在塑機行業的應用正文


【塑機行業的現狀】

【行業概述】

塑料機械工業是隨著高分子化學和塑料加工工藝的發展而發展起來的,並逐步形成為一個獨立的工業部門。二次世界大戰後,許多塑料原料已能大規模生產,塑料製品代替金屬、木材、玻璃、紙、纖維等材料製成的產品,在國民經濟各部門以及人們生活領域的應用越來越多。今天,塑料與金屬、木材、水泥被稱為現代工業建設的四大結構材料。

我國塑機產業起始於上世紀五十年代末,經過近五十年的發展,尤其是改革開放以來的快速發展,以及進入新世紀以後的跨越式發展,走過了從無到有、從小到大的歷程,取得了輝煌的成果,發生了歷史性的巨大變化,生產產量位居世界第一,是名副其實的塑料機械製造大國。目前,我國塑機行業不僅擁有前景廣闊、空間巨大的消費市場,並且形成了門類齊全、規模相當、有較先進水平、能基本滿足國內需求和具有相當國際競爭能力的產業體系,形成了特點鮮明的若干產業集群和企業遍布全國的工業格局。

【塑機行業節能潛力分析】

按我國塑料製品的年產量為3000萬噸、加工每噸塑料製品耗電能300度計算,我國每年僅塑料加工業就需要90億度電,所消耗的電能極為巨大。總體上,國產設備能耗同國際先進設備比較,上世紀八十年代為3倍左右,九十年代中期為2倍左右,目前為1.5倍左右。因此,塑料機械節能改造大有可為,不僅可以為企業帶來巨大的經濟效益,還會產生巨大的社會效益。

傳統的塑機沒有對機器的驅動電機進行調整,即只要機器通電,電機就始終以額定轉速運行。由於電機與油泵同軸,油泵將以額定排量將油吸入液壓系統中,當系統需要的流量小於油泵所提供的流量時,多餘的油將被迴流,這勢必造成極大的浪費。在塑料機械上引入變頻節能技術,節能效果可以達到20~70%。應用變頻器對塑料機械液壓系統的主電機進行調速控制,既大幅度降低了液壓系統的溢流損耗,又具有閥控系統的快速響應性,從而達到高效節能的目的。採用變頻器后,當系統需要的流量發生變化時,電機的轉速也跟著發生變化,從而使得油泵排出的油的流量發生變化,即真正做到「需要多少給多少」。同時,變頻調速后電機的電能轉換效率明顯高於以往的電磁調速電機、直流電機等。隨著變頻調速技術的成熟以及變頻器成本的降低,變頻器在塑料機械中,特別是在擠出裝備上得到了廣泛採用。


【森蘭塑機行業應用典型解決方案】

1、塑料注射成形機

(1).塑料注射成形機工作原理

從50年代推出了螺桿式塑料注射成形機,至今已有50多年的歷史。目前在工程塑料加工業中,80%採用注射成型。塑料顆粒(ABS?聚乙烯?改型聚苯乙烯?聚碳酸酯等)在注塑機料筒內進行多段加熱器加熱融蝕后,經螺桿攪拌增壓后注射入模具腔內,保壓冷卻成形,完成一個工件的加工過程。對於塑料加工,注塑機完整的工藝流程為,合模—鎖模—注射—保壓—冷卻—脫模—開模。其中保壓和冷卻、脫模和開模是同時進行的,即保壓過程中,模具在通水冷卻;在開模的過程中,模具內的脫模頂針由隱蔽處逐漸伸出,使附著在模具上的工件脫落,開模到位后一個加工過程結束。不論大、中、小型注塑機,其工藝流程都是相同的。目前絕大多數的注塑機都是液壓傳動的注塑機,以上的工藝動作過程所需要的動力,均由液壓系統中的油泵提供,油泵又有變數泵和定量泵之分。在注塑機工作時,一個工作周期中各個工序的負荷變化很大,液壓系統所要求的流量和壓力是不同的,生產油泵時已經考慮了這種變化,當液壓系統需要的流量和壓力變化時,油泵的供油量自動地增大或減小來與以適應,這種油泵就是變數泵,不需要再用變頻器進行調速控制。廣泛使用的另一種油泵是定量泵,它的供油量是恆定的,注塑機工作過程中流量和壓力的變化是靠流量比例閥和壓力閥來調節的,多餘的油量經溢流閥流回油箱。這樣,加劇了閥門和油泵的磨損,造成油溫升高,電機雜訊過大。另外,從注塑機的設計看,通常在設計時油泵都要留有餘量,一般考慮10%~15%,但油泵的系列是有限的,往往選不到合適的油泵型號時就往上靠,存在嚴重的「大馬拉小車」現象,造成電能的大量浪費。因此,對定量泵的注塑機進行變頻調速改造,對節約電能、提高經濟效率具有重要的意義。

(2).塑料注射成形機變頻調速

a.使用變頻器控制油泵電機

變頻器控制的油泵電機從根本上克服了傳統注塑機能量浪費的弊病,當系統需要的流量發生變化時,電機的轉速也跟著發生變化,從而使定量油泵排出的油流量發生變化,即「需要多少供給多少」,從而節約了大量的電能。根據注塑製品的不同,節電率達20%-70%。

b.變頻器控制信號的選取

對所改造的注塑機要充分了解其控制電路、液壓電路和工作原理,巧妙取得控制信號,實現現有注塑機和變頻器的結合。注塑機液壓油需求量的信號是連接壓力和流量比例閥的電流信號(0-1A),經處理後轉換成4-20mA的標準信號直接連接到變頻的輸入端,從而控制變頻器改變輸出頻率,隨即改變了油泵電機的轉速,達到調壓節電的雙重作用。針對注塑機液壓系統特有的大負荷超載、頻響要求高和低速轉矩大、電機加減速時間長的特點,在控制過程中應用了PLC控制器,引入各電液換向閥的信號,由PLC根據這些信號鑒別注塑機的工藝流程,提前對變頻器給出加速和減速指令。

c.注塑機變頻器的選型

普通的V/F控制變頻器,頻率與電壓的比率保持恆定,由於沒有速度反饋,不能準確控制電機的轉速(一般誤差在5%以上),三相非同步電機的轉子實際轉速同定子旋轉磁場間存在轉差,當外部負載發生變化時,轉差率也隨之發生變化,但變頻器並不能對此補償,導致油泵轉速發生變化,造成了流量誤差,次品率高。
無感測器矢量控制變頻器,採用轉子磁場方向的控制方式,即對非同步電機進行坐標變換等效成直流電機的控制方式,相當於直流電機中同轉矩成正比的電樞電流,無論電機的狀態如何,都維持其勵磁電流的恆定,而轉矩的大小隻要獨立調節電樞電流,故可以使非同步電機始終處於高動態的狀態,從0rpm加速到1000rpm只需30ms,改善了變頻器調速系統的動態性能,對於注塑整個運行循環的跟附性大大提高;轉差在2%-3%內,提高了電機面對負載變化的運轉穩定性;電機在低速運轉時有2倍以上的額定轉矩,有較好的加減速性能,轉矩變化時響應也快。因此,選擇開環V/F控制通用變頻器,由於其響應慢,並不適用於注塑機油泵的調速,相比之下無感測器矢量控制的變頻器,因其高動態性、穩定性好等特性更適合注塑機的使用。

d.使用中注意的問題

(a) 採用變頻運行后,電機的表面溫度有所提高,溫升會增加10%,使用中建議保持散熱風扇和電機的清潔,加裝恆速風機。

(b) 採用變頻運行后,變頻器的加減速時間盡量短,或由PLC根據各電液換向閥的信號鑒別注塑機的工藝流程,提前對變頻器給出加速和減速指令。另外,根據情況修改部分注塑機的參數,就能較好地解決這個問題,以此來保證注塑機動作的快速性。

(c) 對溫度控制器的干擾。注塑機加熱單元採用熱電偶檢測溫度,熱電勢最高只有幾十毫伏,容易受諧波干擾,造成注塑機溫度顯示的不準確。對此,盡量縮短變頻器與注塑機電動機之間的連線;動力線用金屬管套裝;變頻器可靠接地和加裝輸入電抗器;注塑機溫控器的供電加裝濾波電路等。

2、塑料制管機

塑料制管機生產線主要是塑料擠出機及冷卻槽、牽引機三部份組成。在沒有改造前,擠出機、牽引機都是交流滑差電動機傳動,存在耗電量大、傳動效率低、速度精度差、速度不夠穩定等情況,因此影響產品的質量,需要進行技術改造。採用變頻調速能解決上述的弊病。

塑料制管機經變頻改造后,調速範圍、起動特性、動態響應、調節精度、輸出特性、經濟指標和操作監視方便性等各個方面都優於電磁調速。此外,變頻調速還具有保護功能完善、通用性強、維護工作量小、運行安全可靠、電耗小、設備壽命長等優點。還可以從零平穩起步升速,並能選擇升速和降速曲線,節能顯著,深得操作人員和維修人員好評。可以值得在類似塑料加工機上推廣,例造粒機、制管機、拌料機等上的應用。

3、塑料吹膜機

塑料吹膜機生產線主要是塑料擠出機及空壓機、牽引機三部份組成。塑料擠出機和牽引機都是交流電磁調速傳動,交流電磁調速簡單、經濟,但存在耗電量大、傳動效率低、速度精度差、穩定性較差等不足之處。現在生產的塑料吹膜機絕大多數都是變頻調速的了,變頻器可作為塑料吹膜機的配套設備。以前出產的塑料吹膜機還有不少需要改造,其目的是為了節能。


應用解決方案一、森蘭變頻器在注塑機上的節能改造

一、注塑機節能分析

塑料在注塑機料筒內進行多段加熱器加熱融蝕后,經螺桿攪拌增壓后注射入模具腔內,保壓冷卻成形,完成一個工件的加工過程。對於塑料加工,注塑機完整的工藝流程為,合模—鎖模—注射—保壓—冷卻—脫模—開模,完成一個工藝過程。

根據注塑機的工藝過程,畫出系統油壓P與時間t的關係圖如圖1:


由圖1可見,合模和脫模、開模系統所需油壓較低,且時間較短;而注射、保壓、冷卻系統所需油壓較高,且時間較長,一般為一個工作周期的40%~60%,時間的長短與加工工件有關;間歇期更短,這也與加工工件的情況有關,有時可以不要間歇期。上圖只是一種簡單的近似表示,實際上,如果注射的螺桿用油馬達驅動,注射時的系統油壓會高一些。注塑機加工工件的重量,從數十克到數萬克不等,因此,注塑機就有中、小型和大型之分。加工數十克的小工件和加工數千克的大工件一個周期的時間也是不相同的;就是對同一台注塑機,加工工件的原料不同,各段工藝流程中所需的壓力和時間也是變化的。但油泵仍在50Hz運行,其供油量是恆定不變的,多餘的液壓油經溢流閥流回油箱,做無用功,白白地浪費了電能。對油泵進行變頻調速,將定量泵改變為類似變數泵的特性。系統所需壓力較高時,油泵電機50Hz運行,所需壓力較小時,變頻器降頻運行。電機輸出的軸功率與油泵的出口壓力和流量的乘積成正比,油泵電機轉速降低后,輸出軸功率降低,就可以達到有效節能,一般節電率在20%~50%。

二、注塑機變頻節能調速改造方案

注塑機有立式和卧式之分。數十克的立式注塑機,油泵採用一個齒輪泵,電機的容量也較小,電器控制電路也較簡單。改造時,將變頻器接入電機的供電迴路,再將流量比例閥的信號(0~1A),經變換為4~20mA或0~10V信號送到變頻器的相應埠上,這樣,隨著加工過程的變化,液壓油的流量也在變化。

60克以上的都是卧式注塑機,60克~500克的注塑機,有的是一個油泵,也有的是兩個油泵。一個油泵注塑機的改造和立式注塑機的改造是相同的,仍然是從流量比例閥取出0~1A的信號作為變頻器的速度調節信號,雖然速度調節信號是由液壓迴路元件反饋到變頻器,但調節迴路中沒有給定信號,因此控制還是屬於開環控制方式。

也是因為節能的原因,大中型注塑機的油泵可能不止一個,如三菱850-MM、1300-MM、1800-MM、2000-MM注塑機均有三個油泵。對應注塑工藝流程,在合模階段,所需的系統壓力較低,這時只有1#油泵工作,到鎖模階段所需的系統壓力較高時,2#油泵再投入工作,在注射階段所需的壓力最高,三台油泵同時投入工作,脫模開模所需的壓力較低,再分別停止3#、2#油泵工作。只要開機,1#油泵就一直運行。用三台小油泵按不同的工藝階段間斷工作,比用一台大泵一直在運行要節能。

具有二個以上油泵的注塑機如何改造?這裡以三菱1800-MM注塑機的改造為例加以說明。三菱1800-MM注塑機有三個45kW油泵電機,用一台森蘭SB70G45變頻器驅動1#油泵電機,變頻器的調節信號取自注塑機流量比例閥,這樣,此變頻器的頻率就隨注塑機液壓油的流量的改變而變化。另外兩個油泵電機,可以分別用兩台森蘭SB70G45變頻器驅動,不過這二台變頻器對電機不進行調速,只作兩位式的控制,即起動和停止。控制變頻器的起動和停止信號,取自於原來該油泵電機的起動和停止信號。變頻器的上限頻率設定在50Hz以下,具體設定值與加工的工件尺寸、材料、料筒的溫度等因素有關。如果變頻器運行頻率低於50Hz,就可以節能。實際上,注塑機設計時都留有餘量,加工工件尺寸、材料的變化所需的油壓也要隨之變化。本例兩台變頻器的運行頻率為37Hz,注塑機的節能率達23%。


應用解決方案二、森蘭變頻器在塑料吹膜機上的節能改造

吹膜機是塑料薄膜製造的一種設備。四川綿陽塑料廠有吹膜機九台,這是前幾年購進的塑料加工機械,調速採用電磁調速。從電磁調速的原理可知,這是一種耗能的低效的調速方式,最高轉速時的效率僅為85%,隨著轉速的降低,效率也隨之下降。而且電磁調速的機械特性較軟,低速帶載的能力差,不能在較低的轉速下運行。為節能考慮對吹膜機進行變頻節能改造,其方法如下:

吹膜機的塑料擠出機和卷繞牽引用一台37kW交流非同步鼠籠電機傳動,擠出和卷繞的機械特性均為恆轉矩負載,因此選用具有恆轉矩特性的通用變頻器,本例選用森蘭SB70G37KW變頻器。SB70G系列變頻器為希望森蘭科技股份有限公司自主開發的新一代低噪音、高性能、多功能變頻器,採用轉子磁場定向的無速度感測器矢量控制方式,1Hz時的轉矩可達200%,實現了對電機大轉矩起動和高精度的控制。其操作面板具有編程、操作、參數複製、熱拔插功能,大大方便了操作人員對參數的修改(僅對一台變頻器設置參數,其它均可進行參數複製,減少調試過程中的工作量),速定給定可通過端子切換。吹膜機對變頻器的其他要求就是運行穩定,調節方便。

改造實施比較簡單,將變頻器接到電機迴路中。設定變頻器為外控端子操作,用電位器調速。為使加減速平穩,加減速時間設為20s。對電機的改造有兩種方法,一種是用普通鼠籠電機代換電磁調速電機,另一種是將電磁調速的調速器調到最大,還是用電磁調速電機傳動。前一種節能效果顯著,后一種節能較前一種少節能15%以上,因此,后一種辦法只是權宜之計。


應用解決方案三、森蘭變頻器在塑料制管機上的應用

塑料制管機是生產各種軟管、硬塑管的設備,生產線主要是塑料擠出機及冷卻槽、牽引機三部份組成。塑料擠出機的傳動電機一般需要調速,早期常用交流電磁調速器或直流調速器,現在基本上用交流變頻器或直流調速器調速。直流調速器和交流變頻器比較,價格上有一些優勢,但有它固有的劣勢,用戶在選購時還是願意選擇變頻調速。

塑料制管機對變頻器的要求是低速力矩大,開環運轉時轉速穩定,這樣生產的軟管、硬塑管管壁的厚度比較均勻。另外,生產現場環境不是很好,塑料粉塵較多,變頻器裝在封閉的控制櫃內,散熱條件較差,因此在選用變頻器時,變頻器的容量適當增大一些,或者變頻器的通風散熱做得好些,並且定期除塵檢修,使變頻器能可靠地運行。

森蘭SB70G系列、SB61Z+系列變頻器長期與塑料制管機配套,變頻器的容量從數kW到最大200kW。每台塑料制管機配套一台變頻器,控制方式設為端子控制。塑料制管機使用變頻器非常簡單,在運轉開始時,根據工藝調好變頻器的輸出頻率,生產過程中一般不調節。特別注意的是:所有的塑料擠出機的進料螺桿不允許反轉,加熱塑料沒有融蝕之前不允許啟動電機運轉。這時電機處於堵轉狀態,如果變頻器的過流保護功能不靈敏,嚴重時可能扭斷進料螺桿。在對變頻器端子控制設置電機轉向時,其轉嚮應與鍵盤控制時的轉向相同,且均為正轉,避免端子控制和鍵盤控制方式切換時損壞進料螺桿。


應用解決方案四、森蘭SB70變頻器在薄膜卷繞機上的應用

工業上常見的薄膜卷繞主要包括布、紙張、塑料薄膜等,對於張力的精度要求高,而且卷徑的變化範圍很大,張力要求是隨卷徑增大而不斷變化的,即需要張力錐度控制,防止損傷捲軸或造成內部褶皺。森蘭SB70變頻器可通過對現有功能進行設置,充分利用算術單元和計數器等功能,實現薄膜卷繞所要求的張力控制。方案如下:

由代表薄膜線速度的主機(加工機)運行頻率和卷繞薄膜的實時卷徑,計算出相應的從機(收卷機)主給定頻率,以此作為前饋;同時用PID調節器控制薄膜的張力PID輸出,對給定頻率進行不斷修正,將修正後的頻率作為收卷電機的給定頻率。這種前饋和反饋共用的複合控制方法控制精度很高,很多張力控制專用的變頻器都使用了這種方法。

第一部分:收卷機給定頻率的計算。

用戶需要知道三個值,分別是初始卷徑、最終卷徑和薄膜厚度。根據這三個值,計算出參數設置所需要的幾個數值:

假設薄膜的最終卷徑為1000mm,初始卷徑為100mm,薄膜厚度為0.05mm,則:

初始卷徑百分比值D0=100/1000=10%;

計數器設定值=1000/(0.05×2)=20000;

計數器預置值=100/(0.05×2)=2000。

此時計數器計數值(以設定計數值為100%)就相當於一個卷徑感測器的輸出信號,即為實時的卷徑值D(以最終卷徑為100%)。

主機頻率為F0,從機頻率為F,當前卷徑值為D(以最終卷徑為100%),則可以知道:

F0×D0=F×D;

即可以算出F=F0×(D0/D);

先通過算術單元3算出D0/D的值;再通過算術單元2計算F0(即AI1)乘以算術單元3的輸出,即為F的值。此時算數單元2的結果即為收卷機的主給定頻率,所以將收卷機的頻率給定通道設成算術單元2給定。這樣就完成了收卷機主給定頻率的設定。

第二部分:PID的給定計算。

採用閉環張力控制的方法,PID的給定值應該設定為用戶需要的張力值。但是,用戶需要的張力值並不是一個常數,而是一個隨著卷徑變化而不斷變小的值,即張力有一個錐度。如圖2:

圖2 張力錐度示意圖


張力的錐度公式為:

T=T0×[1-K×(1-D0/D)]

=T0×(1-K)+T0×K×(D0/D)

其中T為實際的理想張力(以張力感測器最大張力值為100%);

T0為初始張力值(以張力感測器最大張力值為100%);

K為張力錐度係數,範圍為0~100%;

D0為初始卷徑(以最終卷徑為100%);

D為實時卷徑(以最終卷徑為100%)。

其中T0×(1-K)和T0×K都是常量。

於是由算術單元4算出T0×K×(D0/D)的值,其中D0/D為算數單元3的結果,T0×K為數字設定;再由算術單元1計算出T,即T0×(1-K)+T0×K×(D0/D),其中T0×K×(D0/D)為算術單元4的結果,T0×(1-K)為數字設定。

此時,算術單元1的結果即為用戶需要的實時張力值,將PID的給定通道選擇為算術單元1給定。這就完成了PID給定通道的設定,至此,就完成了張力控制方案設計。

現場運行情況如下:當主機開始起動后,從機接受起動信號開始起動,並根據卷徑的變化和張力感測器的反饋不斷調整輸出頻率,使張力感測器以基準位置按張力錐度要求隨卷徑變化,卷繞電機一直穩定運行。減速過程中張力感測器也沒有大的偏移,直至停機。整個過程中沒有變形或鬆弛現象發生。

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