VFD-V变频器应用于注塑机
本文主要介绍了台达VFD变频器系列、TAC伺服/台达DVP系列PLC/HITECH人机/HIWIN直线传动机构在注塑机上的应用情况，并且进行了方案比较。
前言 在塑料加工企业中，注塑机是应用面最广，耗能较多的生产设备。在注塑机上推广应用变频器/伺服系统可以可消除注塑设备普遍存在的"大马拉小车"的动力浪费现象，使注塑机运行在最佳效率的工作中，实现节约电能（约30%-60%，具体参数根据加工的产品具体工况）、提高产品质量、降低油污染和噪声污染、提高可靠性、延长机器使用寿命等优点。
一、节能注塑机控制系统的方案起因
注塑机的工作循环如下:
锁合模-----注射台前移----注射----保压、冷却----预塑-----开模-----（顶出制品 ）
以上这些动作在传统的注塑机上都是以液压系统来完成的。通过油泵和阀门的配合产生不同的压力和流量，提供油缸和液压马达所要求的推动力和移动速度。
我们知道，油泵输出功率（不考虑能量损耗）：
P=2π×T×n
即油泵功率等于电机输出转矩与电机转速的乘积。
传统注塑机由于异步电动机始终运行在工频状态上，不能根据实际情况改变转速和转矩，从而不能改变油路的流量，最终只能将多余的液压油通过流量阀回流到油箱，造成能量的白白损耗。
二、目前节能塑机的两种方案
以上述理论为基础，我们在多次的试验中，提出了在注塑机械上使用变频器、伺服电机等其它工业控制应用的多种方案，即通过在不同工艺流程（见下表）情况下提供不同的工作压力，具体如下：
1、 变频调速控制注塑机（电液混合型）
此种方案采用了VFD B/V开/闭环矢量控制变频器。将控制比例流量阀的电流信号同时输入给变频器的模拟量输入端，通过控制油泵电机的转速，油泵的实际流量正比于电机的转速，油泵的输出功率因此也正比于电机的转速，起到了节能的目的。根据塑料制品和工艺要求的不同，其整体节能效果从30%至60%的范围内不等。
2、 全电动注塑机
全电动注塑机方案是在变频调速的思路上，将锁模、落料、注射等机构都采用台达伺服系统，关键移动部位是用了上银滚珠丝杠和直线导轨以减小系统损耗，使用台达PLC来分配控制顺序指令，通过HITECH人机来进行人性化中央控制，从而彻底抛弃了液压系统，使传统注塑机的油污染问题得到根本解决，而整机的效率也随着伺服电机、滚珠丝杠和直线导轨的使用而得到了全面的提高，并且产品的精度都得到了有效保证。目前由于成本问题和控制系统的相对复杂，市场上并没有普遍接受。但在使用情况要求比较高的情况下，优势很明显。
其它节能塑机控制方案还有使用变量泵等，在此不多叙述，以下我们着重讨论变频调速控制塑机的原理
三、变频调速节能塑机方案简叙
变频调速节能塑机有可分为如下：
- 采用不加编码起反馈的开环通用VVVF方式变频器，台达VFD_F/B系列；
- 采用编码器速度反馈的闭环泛用矢量变频器，台达VFD_B+PG系列；
- 采用编码器速度反馈的闭环纯矢量控制变频器，台达VFD_V+PG系列。
方案1、不加编码器反馈的开环通用VVVF方式
普通的VVVF（变压变频调速）调速方式，即使用正弦波PWM控制，由于是没有速度反馈的开环控制，变频器不能根据电机的实际转速和理论转速的偏差值来进行补偿。而我们知道，在外部负载发生变化时，电机的转差率也会随之变化，从而速度产生偏差，这样必然致使油泵提供的油量与需求值发生偏差。另外，由于空间矢量PWM控制变频器在低频率（5HZ以下）的扭矩输出不够理想，导致注塑机的低速保压和响应速度能力都不尽人意，也就影响的产品质量和工作效率，从而失去的节能的意义。
方案2、带编码器速度反馈的闭环泛用矢量控制
区别于1点，由于加了编码器，当负载产生波动，变频器控制部分可迅速计算出实际转差频率，从而给出定子精确的旋转频率，使电机转速保持不变，提高了电机面对负载变化的运行稳定性。虽然使用的泛用矢量B系列变频器，在1HZ可达150%额定转矩，但并不能完全满足注塑机系统的要求，并且B系列使用的是16位微处理器，因而，总体上系统的响应速度并没有得到彻底的提高。
方案3、带编码器速度反馈闭环纯矢量控制
由于台达V系列采用了32位微处理器，无感测器向量控制方式（定子电流相位是由内部计算得出），这种方式相比2方案，可使电机在低速运行时有更大的转矩(0.5HZ可达 150%以上的启动转矩)，相同压力和流量下相对电流小，响应性能有了极大的提高，从而整台注塑机的工作效率得到了保障。
四、三种方案不同工况下的电流值
以下测试参数为台达18.5KW系列变频器，注塑机为150吨,测量满载油压为140kg/m2，电机为15KW,额定电流29.7A
方案1、无反馈的泛用矢量控制，变频器为台达18.5Kw B型
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流量设定值 % |
马达实际转速 Hz |
压力实际值 Kg/cm２ |
马达实际电流A |
|
0 |
3.01 备注：压力从0到140时不能迅速达到设定值，中间停顿、摆动后才达到，过程大概2秒 |
0 |
20.5 |
|
20 |
21.3 | ||
|
50 |
21.3 | ||
|
100 |
33.3 | ||
|
138 |
42.8 | ||
|
10 |
8.51 |
0 |
20.9 |
|
50 |
21.7 | ||
|
100 |
32.7 | ||
|
140 |
41.4 | ||
|
50 |
27.41 |
0 |
20.8 |
|
50 |
24.6 | ||
|
100 |
34.1 | ||
|
135 |
42.8 | ||
|
90 |
45.33 |
15 |
14.7 |
|
50 |
23.1 | ||
|
100 |
39 | ||
|
135 |
50.4 | ||
|
99 |
49.3 |
20 |
14.4 |
|
58 |
25.4 | ||
|
105 |
44.4 | ||
|
140 |
57.7 |
高速满载时电流过大，且低速时压力不太稳定
方案2、带反馈的泛用矢量控制，变频器为台达18.5Kw B型带PG卡反馈
|
流量设定值 % |
马达实际转速 Hz |
压力实际值 Kg/cm２ |
马达实际电流A |
|
0 |
3.01 |
0 |
20.9 |
|
50 |
20.8 | ||
|
100 |
33.4 | ||
|
140 |
40.7 | ||
|
10 |
8.51 |
0 |
20.9 |
|
50 |
22 | ||
|
100 |
32.3 | ||
|
140 |
42.1 | ||
|
50 |
27.4 |
0 |
20.8 |
|
50 |
23.9 | ||
|
100 |
33.7 | ||
|
140 |
43.6 | ||
|
90 |
45.32 |
15 |
14.3 |
|
50 |
22.3 | ||
|
100 |
37.1 | ||
|
150 |
54.6 | ||
|
99 |
49.33 |
20 |
19.1 |
|
55 |
23.8 | ||
|
100 |
41.7 | ||
|
148 |
59.2 |
高速大压力时电流偏大，超出了油泵实际所需流量压力的对应电流
方案3、带反馈的纯矢量控制，变频器为台达18.5Kw V型带PG卡反馈
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流量设定值 % |
压力实际值 Kg/cm２ |
马达实际电流A |
|
20 |
20 |
12.1 |
|
50 |
18.6 | |
|
100 |
31.7 | |
|
140 |
38.2 | |
|
50 |
20 |
12.1 |
|
50 |
18.8 | |
|
100 |
31.9 | |
|
140 |
38.2 | |
|
80 |
20 |
12.1 |
|
50 |
18.8 | |
|
100 |
32.3 | |
|
140 |
41.8 | |
|
99 |
20 |
13.1 |
|
50 |
20.1 | |
|
100 |
33.6 | |
|
140 |
44.5 |
从参数可以看出，三种方案中，同等流量和压力下，V系列变频器输出电流最小
五、V系列测量的一些重要参数
空载实际加速(3.5HZ-50HZ)时间为0.3s
满载实际加速时间0.44s
20HZ空载到满载在0.4s内响应完成
另：全速满载电流为44.5A
六、结论
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工作效率 |
产品质量 |
节能效果 |
使用成本 |
安装情况 |
使用场合 |
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方案1 |
低 |
低 |
一般 |
低 |
简单 |
不推荐使用 |
|
方案2 |
中 |
一般 |
一般 |
中 |
简单 |
低档变频塑机，变频改造 |
|
方案3 |
高 |
好 |
好 |
中 |
简单 |
适用范围广，市场前景大 |
|
全电动 |
高 |
极好 |
好 |
高 |
复杂 |
要求零件精度很高的场合 |
注：
- 以上数据为18.5变频器测试参数，可能在实际操作中有偏差，只起参考作用；
- 考虑方案可靠性，变频注塑机的接线应该设有直接外连市电的切换装置，以方便维护和维修；
- 以上参考中达电通电气股份有限公司产品选型样本和经销商提供的测试数据。