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邁凱諾KE300T電液伺服驅動器在注塑機上的應用

一、引言

中國是注塑制品生產大國，國內注塑企業廣泛使用的傳統液壓系統式注塑機存在較高的能耗損失。近年來國家高度重視節能減排工作，對國內高能耗企業施行積極的節能政策導向，為推行節能改造提供了良好的環境基礎。文章采用電液伺服系統對傳統注塑機進行節能改造取得了較好的節能效果，對企業減少成本和節能減排工作具有良好的積極意義。

二、注塑機原理與工藝介紹

注塑機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,經一定時間保壓、冷卻，成為各種型材和塑料制品。

注塑機的一個工作循環包括如下運作：

(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。

液壓系統通過油泵和不同閥門的配合產生壓力和流量，提供油缸和液壓馬達所要求的推動力和移動速度。

電液伺服注塑機.jpg

三、注塑機能耗分析

注塑過程的功率消耗表
注塑過程	最大輸出功率占比（%）	循環時間(S)
模具閉合運動	5--20	5---10
建立合模力	5--20	5---10
注射	10	5---30
保壓	20	10---30
塑化	30---60	2---50
剩余冷卻時間	30---60	2---50
開模及脫模	5---20	5---10

經過測試，一般單臺傳統定量泵注塑機能耗和所占比例分別是：

項目耗能	占比(%)
油壓系統的耗能	75-80%
加熱單元的耗能	10-15%
冷卻系統的耗能	5-10%
控制組件的耗能	1-5%

目前大多數的注塑機都屬于液壓傳動注塑機，液壓傳動系統中的動力由電機帶動油泵提供。在注塑周期的過程中，鎖模,射出,保壓,冷卻,開模等過程需要不同的壓力和流量,對于油泵馬達都是處在于負載變動的狀態。液壓系統的負荷變化很大，傳統注塑機采用定量泵，不能調節輸出轉速和功率，因此多余的能量只能在擋板、油路泄露、油的溫升中消耗掉，當系統需求超過設定的流量及壓力,會由溢流閥或比例閥來調整壓力流量,這個過程稱之為高壓節流,造成的能量損失高達40%-75%。這樣既加劇了各種閥門的磨損，又造成油溫過高，電機噪音過大，以及機械壽命縮短等現象。并且通常在設計中，用戶油泵電機設計的容量比實際需要高出很多，存在“大馬拉小車”的現象，造成電能的大量浪費。

因此邁凱諾（Micno）KE300T系列電液伺服系統在注塑機上的應用，主要針對的就是塑機油壓系統，對于減少能源浪費提高生產效率具有重要意義。

四、注塑機常見方案對比

1、變頻改造方案：

此方案將控制比例流量閥的電流/壓力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，油泵的功率因此也正比于電機的轉速，起到了節能的目的。根據塑料制品和工藝要求的不同，其節能效果從35%至70%的范圍內不等。

2、伺服改造方案：

伺服改造方案原理與變頻改造方案相同，不同之處在于油泵的驅動不一樣。變頻改造方案由普通異步電機與變頻器驅動，而伺服方案中油泵的驅動由永磁同步伺服電機和伺服驅動器組成。系統方案如下圖所示：

注塑機伺服油泵方案.jpg

注塑機伺服油泵方案

伺服驅動方案與普通變頻異步電機驅動方案相比，具有節能率高、效率高、成品率高等優點。伺服驅動電機液壓能耗要比傳統注塑機節能40--90%，比變頻器改造注塑機節能20--50%。

三種油泵方案節能對比圖.jpg

三種油泵方案節能對比圖

五、邁凱諾KE300T系列電液伺服系統方案介紹

邁凱諾（MICNO）KE300T系列電液伺服系統主要由專用伺服驅動器、三相交流永磁同步電機、伺服液壓油泵、壓力傳感器等幾部分組成。利用先進的DSP和永磁交流伺服電機技術，搭配電液注塑伺服專用適配卡和旋變適配卡，與同步電機組成伺服閉環控制系統。實現電動液壓控制系統的壓力、流量自動調節等自動控制功能。

電液伺服系統方案介紹.jpg

1、專用伺服驅動器：

專為注塑機電液伺服系統開發的專用驅動器。內含工藝環、速度環和電流環，借助高性能的數字信號處理器（DSP）和低成本單片機（ARM）實現了高性能矢量控制、無位置傳感器力矩控制、精確位置和速度控制、非線性弱磁高速控制、位置校正空間矢量低速控制。通過嚴格的電磁兼容、高低溫、潮濕、震動試驗，適應各種惡劣環境。

2、三相交流永磁同步電機：

轉子磁鋼由高溫強磁釹鐵錋材料構成，采用表貼式固定方式，調速范圍更寬，高速運行更加可靠。由于采用細長型結構，電機轉子的轉動慣量小，動態響應更快，同時電機的運行噪聲更低。

3、伺服液壓泵：

選用住友伺服液壓內嚙合齒輪泵。

4、速度（流量）反饋器件：

采用結構牢固，耐高溫、抗震動、抗干擾的能力很強的機械型旋轉變壓器作為位置反饋部件，邁凱諾（Micno）開發了與旋轉變壓器相配合的專用信號處理芯片，速度反饋精度高，足以滿足注塑機的控制精度需要。

5、控制要求

將模擬量信號直接加在伺服驅動器的系統壓力給定信號和系統流量給定信號的輸入端；將油泵出口的壓力傳感器接入伺服的壓力反饋信號端口。伺服系統通過接入的壓力和流量信號進行PI調節，改變伺服電機的輸出轉矩和轉速，從而改變油泵電機的輸出流量Q和壓力P，并通過電機上的旋轉編碼器和油路中的壓力傳感器，反饋實際情況形成高精度的雙閉環控制，以滿足注塑機在各個工序中所需的油壓大小和流量速度，這樣就能避免能量浪費。

6、產品特點介紹

KE300T系列是邁凱諾高性能矢量技術平臺上繼續開發出來的一款升級產品，采用同步機電流矢量控制技術（SVC）和TI電機控制專用數字處理器，能夠準確辨識永磁同步電動機參數，動態估算轉子速度及磁極位置，輕松驅動各類永磁同步電機（SPM/IPM），讓同步電機控制大眾化。具有良好的動態特性、超強的過載能力，支持多種PG卡等，可用于及各種自動化生產設備的同步電機驅動場合。

（1）、牢固的EMC 設計；

（2）、采用模塊化設計，配置非常靈活；

（3）、主控系統采用32 bit高速DSP，集成無PG矢量控制，V/f控制，轉矩控制；

（4）、優良的魯棒性能，可以確保負載能快速起停；

（5）、快速限流功能：可以快速將電流限制在保護點以內，減少頻繁過流報警故障概率；

（6）、高功率因數輸出、無功功率損耗降低、軟起動時無大電流沖擊；

（7）、具有故障自動復位、掉電復位功能，保證生產連續及生產效率；

（8）、采用先進的功率模塊驅動方式，功率因數高，能有效抑制諧波，消除變頻器運行時對外圍控制回路和傳感器的干擾；

（9）、完善的保護功能：過電壓/欠電壓保護、變頻器過熱保護、接地故障保護、短路保護、過流保護、過載保護等。

六、投資與回報

以海天180噸注塑機為例:

電機功率：18.5KW，油泵排油量：120L/min，一般每臺正常生產時電機的負載率為額定功率的60%；

伺服節能：經過我公司伺服改造后電機耗電可節省50%以上；以注塑機每天工作24小時，每月工作28天；電費按平均價計約人民幣：0.9元/度；該機臺節能效益分析如下：

（1）月回收節能=18.5×0.6×50%×24×28×0.9=3356.6元/每月；

（2）年回收節能=3356元/每月×12 = 40272元/年；

（3）考慮改造類客戶的油質，建議改造應用選擇齒輪泵；

液壓伺服現場圖A.jpg 液壓伺服現場圖B.jpg

七、結束語

根據塑料制品的市場分析，目前中國塑料機械行業產值每年約200億元，而國內市場需求近220億元，注塑機的需求也逐步由南方向北方，東部向西部擴散，也帶動塑料工業等關聯產業的飛速發展。但同時行業內的競爭也日漸激烈，隨著國家節能減排政策的深入，各廠家除了重視產品質量和品牌外，都在考慮怎樣節能以響應國家號召和減少生產成本。從注塑機工藝過程可知，電能消耗成本在注塑成型產品成本中占了很大的比例，因而能否有效減少電能損耗，受到了各注塑機廠家和用戶的關注。實現效果顯著的節能改造已經成為注塑行業提升的首要課題。而邁凱諾（Micno）KE300T系列電液伺服系統在塑機行業的應用從根本上滿足了這些需求，領先的技術及在塑機市場日益成熟的應用已得到了諸多制造商和用戶的肯定，未來電液伺服的使用勢必成為塑機市場的主流。

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