1 前言 

    半個世紀以來，塑料已成為工農業和民用主要的材料之一。注塑機就是一種專用的塑料成型機械。它利用塑料的熱塑性，經適當加熱熔化后，加高壓快速流入模腔，經一定時間保壓、冷卻，成為各種型材和塑料制品。在注塑機上推廣應用變頻器可以實現節約電能、提高生產率和產品質量，降低油污染和噪聲污染，延長機器使用壽命等優點。因此將逐步推廣使用。 

2 注塑機變頻調速系統的方案 

注塑機的工作循環如下: 

    1) 鎖合模:模板快速接近定模板，且確認無異物存在時，系統轉為高壓，將模板鎖合。 
    2) 注射臺前移:噴嘴與模具緊貼。 
    3) 注射:注射螺桿以一定的壓力和速度將料筒前端的熔料注入模腔。 
    4) 保壓、冷卻:通過此動作，使模腔內的塑料制品冷卻成形。 
    5) 預塑:傳統上應用液壓馬達驅動螺桿并后退，料斗中加入的塑料粒子被前推，并進行預塑。螺桿后退到預定位置，停止轉動，準備下一次注射。 
    6) 注射臺后退，開模 
    7) 頂出制品 

以上這些動作在傳統的注塑機上都是以液壓系統來完成的。由油泵和不同閥門的配合產生不同的壓力方向和流量，提供油缸和液壓馬達所要求的推動力和移動速度。 
眾所周知，油泵的輸出功率 
Pt=p×Qt=p×V×n (1) 
而油泵的理論轉矩: 
Tt=1/2π×p×V (2) 
式中p為壓力，Qt為流量，V為油泵排量(油泵每轉排出的油量)，n為油泵轉速 
將(2)式代入(1)式得: 
Pt=2π×Tt×n (3) 

    如果忽略機械能到液壓能轉換過程中的能量損失，則可近似認為油泵的輸出功率等于電機的輸出轉矩與電機轉速的乘積。因此可以看出，當系統要求低流量時，系統需要的功率其實是非常低的。但是實際情況卻是，由于電動機始終運行在工頻50Hz狀態上，并不能根據實際的需求來降低其轉速，從而減小流量。因此多余的液壓油只能通過比例流量閥流回油箱，造成能源的白白浪費。 

    根據以上事實，德國科比(KEB)公司以此為基礎，在前幾年的實踐應用中積累了許多寶貴經驗，提出了在注塑機械上變頻器應用的多種節能方案，并且取得了成功。 

2.1 油泵變頻調速 
    此種方案采用了KEB F4-F系列閉環矢量控制水冷變頻器。將控制比例流量閥的電流信號同時輸入給變頻器的模擬量輸入端，通過控制油泵電機的轉速，油泵的實際流量正比于電機的轉速，油泵的輸出功率因此也正比于電機的轉速(見公式3)，起到了節能的目的。根據塑料制品和工藝要求的不同，其整體節能效果從35%至70%的范圍內不等，表1示出不同流量時節能對比。 

表1 節能數據對比 

    同時與始終運行在工頻轉速上的電機和油泵相比較，伴隨著電機轉速的降低，系統平均音量降低3-5分貝。減少3分貝的噪音可使實際噪音降低50%，因此工廠的環境和員工的勞動條件得到改善。由于變頻器采用水冷穿墻形式，變頻器主體與散熱片通過電控箱完全隔離，變頻器實際密閉于電控箱中，其防護等級可由原先的IP20提高到IP54，減小了由于粉塵、油污侵入電子設備中導致損壞的可能性，確保了變頻器的使用安全。同時，采用水冷散熱方式，變頻器的功率單元IGBT始終工作在某一設定溫度范圍內有溫控功能，采用水冷方式可使變頻器的平均壽命延長達到15年以上。 

2.2 電動預塑機構(電液混合式注塑機) 

    作為電液混合式注塑機，是采用電動機構來替代一部分液壓系統，這樣既保留了液壓系統的動力強、響應快等優點，同時又增加了電動系統的高效率、節省能源的優勢，使機器本身的性能有了很大的提高。圖2示出電動預塑機構，是電液混合式注塑機中最常見的一種方式。它使用了包括水冷矢量控制F4-F變頻器和水冷減速箱電機(或大轉矩電機)，以取代傳統的液壓馬達。其帶來的優點:除了節約(25%以上)和降低噪音以外(3分貝)，還大大縮減了原有的液壓系統，液壓系統的功率可因此平均降低了30%。相關的液壓設備安裝及維護費用大幅降低。由于使用F4-F矢量控制變頻器，對于預塑螺桿的速度控制較之液壓馬達更為精確，故能保證每模注塑量的一致性，使產品的質量得到提高。并且電動預塑機構是一個獨立系統，因此預塑動作可在開合模時同時完成，對于一些冷卻時間較短的制品，其每模的生產周期可以大幅縮短，從而提高了制品的產量。 

2.3 全電動注塑機 

    全電動注塑機方案是在方案二的基礎上，將鎖模機構、落料機構、注射機構等都采用伺服系統，從而徹底拋棄了液壓系統。由于KEB在此方案上采用了直流母線方式連接，當任意一個電機處于減速過程即能量反饋狀態，其反饋的電能可直接用于其它電機的運行，而不再是消耗在制動電阻上。此方案又可節省15%以上的電能。由于沒有了液壓系統，油污染的問題徹底解決，整機的效率也得到了顯著的提高，產品的精度在幾個環節上都得到了保證，比較適用于對產品要求十分高的場合。但目前情況下，初期投資比較大。 

3 油泵變頻調速方案的探討 

    由于現今在中國對注塑機節能改造的方案主要集中于油泵變頻調速，而針對油泵電機采用的變頻器，也有幾種不同類型的應用。例如:采用開環通用VVVF方式變頻器，KEB F4-C系列；采用編碼器速度反饋的閉環矢量控制變頻器 KEB F4-F系列；以及采用無速度傳感器矢量控制變頻器 KEB F5-G系列。現對以上三種不同類型的變頻器在油泵調速性能方面作一比較，并加以探討。 

1) 使用KEB F4-C開環通用變頻器 
    普通的VVVF調速方式，即變壓變頻，當頻率與電壓的比率保持恒定，則電機的磁通不變。由于此種方式沒有速度反饋裝置，即不能準確反映電機的實際轉速，而電機亦采用的是三相異步電機，轉子的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，轉差率也隨之變化，但變頻器并不能對此進行補償，致使油泵轉速發生變化，造成了流量的誤差，直接導致制品質量的下降。 

    而且，變壓變頻的另一缺陷在于，當輸出頻率為0Hz時，理論輸出電壓也為0V，電機定子的磁通Фm近似為0，從而影響了電機的起動特性，加速響應相對比較緩慢。雖然可采取低速力矩提升措施加以補償，但動態響應仍不理想。而對于注塑機而言，往往在完成某些如注射等動作時，需要瞬時提供高壓力、大流量，如采用開環通用變頻器，其起壓響應難以達到要求，影響注塑壓力。n(t)曲線如圖3所示。 

2) 使用KEB F4-F閉環矢量控制變頻器 
    KEB F4-F變頻器采用了轉子磁場定向的控制方式，即對異步電機進行坐標變換，等效成直流電機的控制方式。在三相坐標系下的定子交流電流iA、iB、iC通過三相/兩相變換，可以等效成兩相靜止坐標系下的交流電流iα，iβ，再通過按轉子磁場定向的旋轉變換，等效成同步旋轉坐標系下的直流電流it、im。im相當于直流電機的勵磁電流，it相當于直流電機中同轉矩成正比的電樞電流。由于無論電機處在什么狀態，運行或靜止，維持其勵磁電流im恒定，而轉矩的大小只要獨立調節電樞電流it，故可以使異步電機始終處于高動態的狀態，其從0rpm加速至1000rpm的時間，在無負載情況下只需不到30ms，改善了變壓變頻調速系統動態性能，對于注塑機整個運行循環的跟隨性就可大大提高，以滿足注塑工藝的要求，圖4為n(t)曲線。 

    通過KEB F4-F變頻器對電機的自學習，精確測量了定子的電阻和電感，從而使勵磁電流im恒定，即恒定磁通Фm。再由于電機轉差頻率: 
ωs=K×it/Фm (4) 
即當磁通Фm恒定時，矢量控制系統的轉差頻率在動態中與轉矩成正比，則定子磁場頻率ω1: 
ω1=ω+ωs (5) 
(ω為轉子頻率，由編碼器測得)可以受控。這就意味著，當負載產生波動，變頻器控制部分可迅速計算出實際轉差頻率ωs，從而給出定子精確的旋轉頻率，使電機轉速保持不變，提高了電機面對負載變化的運行穩定性。 

3) 使用KEB F5-G無傳感器矢量控制變頻器 

    KEB F5-G變頻器采用矢量控制原理為基礎，同樣通過計算轉差頻率ωs，控制定子旋轉磁場。但與閉環矢量控制的區別在于，其定子電流相位是由內部計算得出，而并非靠對定子頻率ω1測量積分得到的實際相位信號。因此，此種方式相比F4-C通用變頻器，可使電機在低速運行時有更大的轉矩(2.5倍以上的額定轉矩)，有較好的加減速性能，轉矩突變時響應也很快。 

    由于此種方式可省去編碼器的安裝，對于注塑機節能改造來說，整個系統的改變相對比較簡單，同時又可獲得較高的動態性能。 

4 結束語 

    綜上所述，選擇開環通用變頻器(如F4-C)，由于其響應慢，并不適用于注塑機主油泵的變頻調速。相比之下，閉環矢量控制變頻器(如F4-F)因其高動態性、穩定性好等特性，更合適于此應用。而無傳感器矢量控制變頻器(如F5-G)，因其安裝方便、變更較少，則適于塑料制品廠的注塑機節能改造。