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立式注塑機驅動節能技術分析
注塑行業正面臨著一個飛速發展的機遇,然而在注塑產品的成本構成中,電費占了相當的比例,依據立式注塑機設備工藝的需求,立式注塑機油泵馬達耗電占整個設備耗電量的比例高達50%~65%,因而設計與制造新一代“節能型”立式注塑機,就成為迫切需要關注和解決的問題。
立式注塑機的電能消耗主要表現在以下幾個部分:液壓系統油泵的電能消耗;加熱器的電能消耗;循環冷卻水泵的電能消耗。立式注塑機的節能技術,實際上主要包涵三個方面:一是節能注射成型技術,二是節能的執行機構,三是節能的動力驅動系統。立式注塑機最主要的能耗即是動力驅動系統,立式注塑機節能的重點即是提高動力驅動系統本身的能耗效率及驅動系統輸出功率與執行機構執行功率達到自適應調節匹配,兩者之間的能量利用率越高,即系統節能率越高,達到節省能源的功效。節能動力驅動系統是立式注塑機節能的主要研發課題。
1 立式注塑機動力驅動系統分析
動力驅動系統一般有以下三種:液壓驅動系統、全電子驅動系統和液電混合驅動系統。液壓驅動系統是立式注塑機泛使用的動力驅動系統,是節能動力驅動系統重點研究對象。從節能角度來說,全電子驅動系統和電液混合驅動系統是對液壓驅動系統能量利用率不高的創新發展,是兩種理想的節能驅動系統。長期以來,立式注塑機節能液壓系統是重點研究的節能動力驅動系統。
目前立式注塑機供油泵的驅動主要有三種方式:普通電機加變量泵、變頻電機加定量泵和變頻電機加變量泵。變轉速控制的效率比變排量控制的效率高,而用變排量和變轉速復合控制的效率比變轉速控制的效率高。變轉速控制的響應比變排量的響應快。盡管異步電機的控制技術也日漸完善,但其自身的功率因數、效率以及發熱問題始終無法克服。同步電機技術越來越成熟,制造成本上也與異步電機越來越接近,正在越來越多的場合取代異步電機。同步電機在立式注塑機上的應用將成為趨勢。
2 立式注塑機控制系統分析
立式注塑機控制系統=驅動系統+電子控制器,立式注塑機的驅動系統根據其控制的形式可以分為三類,即液壓控制式、電動控制式與電動/液壓復合控制。
2.1 采用泵供油復合控制閥調節的控制系統
采用定量泵供油,通過流量/壓力復合控制閥調節式的缺點在于以下幾點:第一是控制精度不高。整個控制其實是一個開關控制,由于開關閥的啟閉有數十到數百毫秒的延時,所以對注射位置、開合模位置的控制精度不高,并且使運動速度難以提高。第二是能源耗費大。采用P/Q閥后,雖然壓力可以隨著工藝過程的不同而改變,但是定量泵所輸出的流量一定,而不同的工藝流程需要的流量不同,多余的流量就通過溢流閥,造成了很大的溢流損失,特別是在高壓、小流量的保壓過程時損耗更大。同時,依靠流量閥的節流來獲得不同的流量,其節流損失也相當大。溢流損失及節流損失最終都體現在液壓油的發熱上,而立式注塑機液壓系統由于空間所限,油箱體積不能很大,必須配置油液的冷卻系統來保證液壓系統的正常工作。第三是噪聲大。高速運行的大功率電動機與液壓泵噪聲很大,使得工作環境惡劣。
采用變量泵節能型液壓控制系統。在立式注塑機液壓控制系統中,其能量損失是由節流損失與溢流損失兩大部分組成的,節能的關鍵就在于減少這兩類的損失。采用變量泵是一個很好的辦法。它通過調節泵的排量,從而使泵輸出的流量、壓力與系統的要求相適應,最大限度地減少液壓系統的溢流損失與節流損失,可以顯著節能。采用比例變量泵系統的全液壓式立式注塑機是目前國內立式注塑機生產廠家的主流產品,技術比較成熟。采用變量泵的缺點在于變量泵價格昂貴、結構復雜、調試維護不易和易受油液污染的影響。若采用比例/伺服變量泵,價格要比定量泵貴得多,而且較易受到油液污染的影響。
2.2 采用電液伺服閥控制的控制系統
高速液壓控制系統對于一些需要快速運動的回路,如開合模、注射回路,采用電液伺服閥代替開關閥,利用電液伺服閥的快速響應能力實現對運動的高速、精確控制,可以對立式注塑機的流量與壓力形成閉環控制,獲得對位置的精確控制。它的缺點在于價格昂貴與抗油污能力差,這也是由于電液伺服閥本身的特點所決定的。大流量的電液伺服閥及其放大器均較昂貴,并且對液壓油的污染非常敏感,而立式注塑機的工作場合一般均較為惡劣,如果不能對液壓油的污染進行控制,極易發生閥卡的故障。
2.3 變頻器節能型液壓控制系統
目前變頻液壓立式注塑機的動力源主要有兩種變頻驅動方式:一種為普通異步電動機通過變頻調速與定量泵組成動力源;另一種為用高響應的交流(AC)伺服電動機驅動定量泵作為動力源。當采用AC伺服電動機驅動定量泵作為動力源時,電動機成本較高,但AC伺服電動機響應速度快、過載能力高,壓力和流量均可通過改變電動機轉速來進行閉環控制,適合于動態響應要求高的場合。
采用變頻器控制普通的三相異步電動機,從而驅動定量液壓泵,通過變頻器改變電動機的轉速,達到改變液壓泵輸出流量的目的。在國內,變頻液壓技術主要用于對原有立式注塑機液壓系統進行改造。立式注塑機變頻調速存在的問題:立式注塑機液壓系統必須嚴格按照注塑工藝要求提供所需的流量和壓力,并應具有較高的重復精度和靈敏度,否則將對制品的質量有極大的影響。從目前國內外在立式注塑機上應用變頻液壓技術的研究結果看,尚存在諸如低速特性差,動態響應慢,調速精度不易保證等問題。
2.3.1 低速穩定性
在 立式注塑機液壓系統中,如果液壓泵的轉速過低,自吸能力下降,容易造成吸沒不充分而形成氣蝕,引起噪聲和流量脈動,影響速度的穩定性。二是低速過載能力差,特別是電動機制動時速度慢,不能很好滿足控制系統的要求。因此,油泵存在一個最低穩定轉速限制問題,使得變頻液壓系統在小流量的狀態下節能效果并不理想。另外,低頻力矩不足和異步電動機低頻運行時固有的不穩定性,電動機轉動部分與逆變器直流中間環節中濾波,貯能元件之間能量交換中產生的諧振現象,無功功率的影響等都是引起轉速不穩定的可能原因解決低速穩定性,可以從選擇低速性能好的泵和高性能變頻器或伺服控制器來考慮,但需要付出較高的成本,可以采用合理的控制結構和好的控制算法,通過軟件補償的辦法來優化系統參數,提高系統的動態品質和低速穩定性,使變頻液壓系統滿足注塑工藝過程,達到預期的節能和系統優化效果。
2.3.2 響應快速性
從立式注塑機的特點和注塑的工藝過程來看,需要系統的響應快,否則會影響注塑制品的質量和生產效率,因此響應的快速性是立式注塑機驅動控制系統的一個重要的性能指標之一。
變頻容積液壓控制系統是通過改變電動機轉速來改變液壓系統的流量。由于一般的異步電動機的轉動慣量大于液壓泵的轉動慣量以及由于變頻器的過載能力有限,影響了加速性能。因此一般變頻容積控制系統比傳統容積控制系統的響應要慢。在立式注塑機變頻液壓驅動系統中選擇性能好的變頻器可以提高立式注塑機驅動控制系統響應的快速性。在矢量型變頻器中,通過設定速度調節器的比例增益P和積分時間I,可以改變矢量控制的速度響應特性,這個速度響應特性直接影響到立式注塑機成型周期的快慢和執行動作的力度.其調節的方法是既要加快響應特性,同時避免產生電動機振蕩。另外采用高響應的交流伺服電動機代替一般的異步電動機,可以很大地提高響應速度,可使用在動態響應高的注塑生產場合。當既要求大范圍調速,又要求響應速度較快時,可采用綜合調速控制。既充分利用變轉速容積控制系統調速范圍大,節能效果顯著的特點,又保留閥控缸或閥控馬達響應快的優點,組成復合調速系統變頻系統交流電動機速度在變頻器的控制下隨負載變化而變化,受磁滯效應及轉動慣量的影響,響應速度慢(800~1000ms)。
2.3.3 控制精度
影響調速精度的一個主要原因是速度剛度。所謂速度剛度是指執行器的速度不隨負載變化的能力;另一個主要原因是系統的慢時變特性,如液壓系統中的油液溫度、油液黏性和泄漏量的大小等都會隨著時間呈非線性變化,從而影響系統的輸出特性,影響調速精度。為消除或減弱負載對轉速的影響以及液壓系統的慢時變特性對系統輸出的影響,需要從兩個方面來考慮,一個方面是要確保電動機轉速不隨負載變化而變化,另一個方面是要消除或減小液壓系統的慢時變特性對系統輸出的影響,對變頻器設定合適的轉矩補償和滑差補償,在負載變化時適當調節泵的(電動機的)轉速,即可適度補償回路泄漏的流量,維持執行器轉速的穩定性,保證其速度剛度得以較大提高,符合注塑工藝過程和注塑產品所需要的控制精度。
2.4 全電動控制系統
由于伺服電動機在功率及響應方面均有較大的提高,且伺服控制器的功率及控制精度也有提高,即出現了驅動部分采用伺服電動機加滾珠絲桿傳動方式的全電動控制式立式注塑機。它特別適用于小型的高速精密立式注塑機。據統計,目前北美立式注塑機市場中有25%為全電動立式注塑機。全電動立式注塑機將成為注射機市場的主流。電動控制式的優點有四方面。第一是節能。全電動控制式為目前最為節能的驅動方式。它的電力消耗僅為液壓式的1/3左右,而且越是大型機,節能越明顯。第二是無污染。由于不使用液壓油,電動式立式注塑機不需要冷卻液壓油的設備,節省了資源,無漏油、漏水現象,可以保持工作場地的清潔。第三是易于控制。電動控制系統的可控性好,所以穩定性高,控制精度高。第四是成型周期短。與液壓式系統不同,它有多個驅動電動機,從而使各動作相對獨立,可以實現部分動作的復合動作,縮短成型周期。缺點有:第一是價格昂貴。由于伺服電動機及其驅動器價格昂貴,目前全電動式的要比液壓式的價格高約2~3成。第二是對環境要求高。全電動式立式注塑機要求環境清潔,以保證其控制電路、電動機等的正常運轉。第三是構成大型立式注塑機較困難。由于缺乏經濟的大型伺服電動機,全電動立式注塑機的大型化受到限制。第四是受機械傳動部件的限制。由于傳動部分為機械傳動,磨損問題較為突出,整機后期維修費用相對較高。
2.5 電動/液壓復合控制式
電動液壓復合控制式的優點在于融合了全電動與全液壓式兩者的優點,即可以利用液壓系統功率大的優點,又可以利用電動系統節能、快速的特點。同時由于采用了多個驅動器,也可以實現部分動作的復合動作,縮短成型周期。缺點在于結構較復雜,控制困難,要協調電動與液壓兩個不同系統的工作。電動-液壓式立式注塑機是集液壓和電驅動于一體的新型立式注塑機,它融合了全液壓式立式注塑機的高性能和全電動式的節能優點,這種電動-液壓相結合的復合式立式注塑機已成為立式注塑機技術發展方向。
3 國內外發展情況及未來展望
應用變量泵與比例閥構成的負載感應系統,是電液控制中最基本的節能方法,已在國外的工程機械中被廣泛應用,不足的是仍存在與流量有關的能量損失;p/Q復合泵與變頻調速電機驅動的定量泵均不存在任何節流量損失。相比之下,應用調頻電機加定量泵可進一步減少空轉能耗及噪聲,更具競爭性,但應進一步提高其動態快速性。
伺服電機驅動系統,由于伺服電機使用永久磁鐵結構,且由于轉矩及慣量的密切配合下,又在低慣量的轉子的配合下,免除了脈動轉矩,在速度范圍內有著良好的加減速度動態反應特性。因轉矩是由感應式電流產生,具有完滿磁性分布之高密度磁通所生,在2000r/min速度范圍內,輸出高比例(可達到218倍)的額定轉矩情況下,能保持非常低的轉矩波動,在非常低的速度下也可有大的定轉矩區,達到衡定的流量輸出。轉速隨系統流量需求而改變,反應速度比伺服閥快01004s,液壓系統基本上不需冷卻水,對于保壓及冷卻時間長的制品,節能可達80%。交流伺服電機的最高轉速可達4000r/min,從理論上講,與之相配的液壓泵的排量可根據最高轉速選擇,選用比一般系統中應用的更小排量的液壓泵,降低系統中應用液壓泵的成本。但目前一般液壓泵的最高轉速為1800r/min,同時,考慮到液壓泵的高速工作噪音及使用壽命,選用液壓泵的工作轉速低于1800r/min、較大排量的液壓泵與伺服電機組成動力驅動系統,所以還不能充分發揮交流伺服電機能高速運轉的優良特性,提高了驅動系統的成本。高響應的交流伺服電機驅動定量泵系統在立式注塑機上的推廣應用,有待于高速低噪音液壓泵的研發,以降低制造成本。如單純從節能角度來推廣應用高響應的交流伺服電機驅動定量泵系統,由于成本太高,達不到效果。如把高響應的交流伺服電機驅動定量泵系統,應用于普通立式注塑機上,僅體現出節能效果,只能當展品,不能成為商品。應把伺服電機高速靈敏反應的特性與精密注射成型結合起來,創新出一種新的高性能的注射成型,能對高端的塑料制品進行特定加工,才能使之應用越來越廣。特別對電子類薄壁產品注射成型,更顯示出高性能高精度注射成型的優勢。
變量泵和電液比例閥結合的負載敏感泵節能控制系統,整個控制機構由差壓控制型徑向變量柱塞泵、含位置閉環的高速比例閥、以及壓力傳感器和位移傳感器組成,提高了動態響應速度。控制流量由比例閥與檢測變量泵偏心量的位移傳感器構成的位置閉環系統完成。通過壓力傳感器補償因泄漏造成的流量損失,使泵輸出的流量在0~10V內與設定值信號成線性比例。控制系統壓力由比例閥與壓力傳感器構成的電閉環回路完成,壓力與流量兩種控制狀態的分離與轉換由電子放大器根據設定信號自動完成。系統的輸出流量由0增大到90%時,響應時間約為50ms;而由90%輸出流量減小為0時,響應時間約為30ms,系統壓力的動態響應時間當負載容腔為4L時,小于200ms,均與高性能的比例閥相當,因而完全適合于立式注塑機的過程控制。負載敏感比例泵節能液壓系統,液壓動力輸出隨負載而同步化,其差值達到最小,基本上沒有能量浪費,與定量系統相比,節能達到30%~60%,是理想的節能液壓系統。
全電動驅動系統,由于各個執行機構都有獨立的伺服電機驅動,能進行復合動作,電動立式注塑機市場迅速發展,國內制造商目前仍只能提供樣機,開發出的全電動驅動系統立式注塑機,注射成型的技術性能低國際上幾個擋次,體現不出全電動驅動系統立式注塑機的高性能的綜合技術優勢。全電動立式注塑機在國內的研究開發起步較晚,伺服電機、專用控制器等核心技術還沒掌握,整體技術上與日本等先進國家相比還存在著較大的差距。技術與成本將是中國制造商開發全電動機面對的最大問題。然而,即便克服了技術瓶頸,成功開發出電動式立式注塑機,成本高昂問題仍將困擾著歐美日以外的電動式立式注塑機制造商。因為與歐美日相近甚至更高的零件成本、加上沒有特色的控制系統,難以說服客戶采用國內制造的電動式立式注塑機。
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