注塑机伺服节能改造工程

注塑机伺服节能改造工程焦点

注塑机：取胜的关建如何让注塑机更加节能，成了业界广泛关注的焦点。
随着在环保、能耗等方面日益严格控制，节能已成为各国注塑机电液系统的研究重点。针对阀控电液系统有较大能量损失的不足，德国、日本等国发展了应用变量泵和电液比例阀结合的负载感应型注塑机电液控制系统。为进一步降低能耗，减少噪音，最新一代注塑机是用转速可调的电动机驱动液压泵为动力源，在保压、冷却及空转工况保持很低转速，以达到节能、降噪的目的。因此，各种注射控制精度较高，转速较稳定，可多级调节，电耗低，具有环保和节能优势的全电动式注塑机不断面世，为注塑机注入了新的活力，但其使用寿命与全液压式注塑机比稍有逊色。于是，集液压和电驱动于一体的新型注塑机———电动液压式注塑机应运而生。它融合了全液压式注塑机的高性能和全电动式的节能优点：可提高动力驱动系统效率，降低能耗损失，促使液压注塑机加快节能技术开发和应用。电动液压式注塑机正以前所未有的力度冲击着传统的液压式注塑机市场，其销售目前虽然还没占很大比例，但代表了今后的发展趋势，已成为注塑机技术发展方向。
国内研发注塑机节能技术的同时，还对节能注射成型原理进行了创新。因为要从根本上实现注射成型的节能，必须开发节能注射成型原理，机构、电气控制及液压动力系统是为注射成型原理服务的，是一种辅助性节能。只有开发出新的节能注射成型原理，配上节能的动力系统和执行机构，才能实现真正的节能。
伺服驱动系统（Servo System）简称伺服系统，是一种以机械位置或角度作为控制对象的自动控制系统，例如数控机床等。使用在伺服系统中的驱动电机要求具有响应速度快、定位准确、转动惯量较大等特点，这类专用的电机称为伺服电机。当然，其基本工作原理和普通的交直流电机没有什么不同。该类电机的专用驱动单元称为伺服驱动单元，有时简称为伺服，一般其内部包括电流、速度和/或位置闭环
伺服在注塑机中三大优势:
1、节电：由于伺服型注塑机中的伺服电机其是根据需要而改变的，不象三相交流异步电机转速和力矩是不变的，而电机的输出功率=扭矩X转速，因此实现了节电的效果，这是很明显的。另外，伺服电机内的磁场由强磁材料自行产生的；而交流异步电机的磁场是交变电流通过电机的定子产生的，要耗去电能（估计10%左右）。所以节电是伺服型注塑机的特点；
2、精密：由于伺服型注塑机采用了压力传感器，通过压力传感器不断反馈信号，控制系统作出实时控制，使各阶段所需压力、流量快速、准确地实现。实现了闭环控制。产品的重复精度提高。而传统注塑机是开环控制的，精度要低的多。
3、高效：由于伺服电机的响应速度快，从0到额定转速只需几毫秒，因此加工产品的效率提高2%左右。

注塑行业为什么要进行伺服系统节能改造

注塑机是塑胶行业的主要生产设备，电能浪费严重。由于电价昂贵，电费在企生产成本中占有相当大的比重，已经成为严重响企业生产效益的重要因素。 随着市场竞争的日益加剧，各企业都在采取各种节能降耗措施、努力降低生产成本，以便提高市场竞争，能根据用户的注塑机的电机功率、电机转速、油泵排量和系统压力定制产品，满足所有规格设备。安装过程和普通塑机一样，方便简易，受到广大塑胶行业企业的欢迎，既响应了国家的节能减排、节能降耗号召，也带了可观的经济效益。产品美观耐用,省电环保，根据注塑制品的不同，节电率达20%-80%。全部收回投资时间在6-12个月。是企业进行注塑机节能改造、注塑节电改造的最佳最理想的产品。

注塑机伺服节能改造原理

注塑机节能控制器，可根据注塑机电脑板给出的压力及流量信号，经处理后，送入驱动器。随着合模、射胶、保压、开模等不同工艺段，输出信号，控制驱动器的运行频率。将注塑过程中多余的能量节省下来，节电效果非常显著。实践表明节电50%-80%。

注塑机电液伺服系统技术与应用？

自动控制系统中将输出量以一定准确度跟随输入量变化而变化的系统称为伺服系统，稳定性好、精度高、响应快是对它的基本要求。具体到注塑机，电液伺服系统实现被控制油泵的输出流量和压力快速、准确地跟随上位机给定信号的变化，适应注塑工艺对压力、速度、时间的要求。

按所用的驱动电机来分，伺服电机系统可分为直流和交流系统，後者又可分为感应电动机伺服系统和永磁同步电动机交流伺服系统。直流电机的励磁回路和电枢回路相互独立，独立地调节两个磁场中的一个来进行调速，控制性能优异，但它采用机械换向装置，碳刷易磨损，运行时易起火花。转子采用永磁材料的同步伺服电机比非同步感应交流伺服电机应用更为广泛，主要是因为永磁材料性能不断提高，价格下降，相对於非同步电机而言，控制较简单，易达到高性能控制要求，因此，近年来永磁伺服电机的交流伺服系统发展势头非常迅猛，注塑机电液伺服系统的出现和发展正是顺应了这一时代潮流。

电液伺服系统的构成

下面以腾博信注塑机电液伺服系统为例，简单介绍电液伺服系统的构成。如图1所示，腾博信注塑机电液伺服系统主要由永磁同步伺服电机、电机转子位置/速度传感器、伺服驱动控制器、与伺服电机同轴连接的油泵，以及检测系统油压的压力传感器等关键部件组成。

交流永磁同步电机

永磁同步电动机特点是：结构简单、体积小、重量轻、损耗小、效率高。和感应非同步电动机相比，它由於没有转子电流，转子损耗很小；它不需要无功励磁电流，功率因数高，定子电流和定子损耗减小，因此，永磁电机总体效率比感应电机高5%-10%。此外，永磁电机的最大输出力矩与转子惯量的比值可比感应电机大很多，因此永磁电机动态性能优越，适於用作高精度、高动态性能的伺服控制电机。

功率调速范围不够宽是永磁电机的一个局限。腾博信公司借鉴在电动汽车电机系统方面的经验，采用永磁-磁阻同步电机的结构，有效地突破了这一局限，可完全满足注塑机电液伺服应用的要求。

电机转子位置/速度传感器

为控制伺服电机的力矩和转速，需检测电机转子的位置和转速。大部分伺服电机采用光电编码器作为位置/速度传感器。光电编码盘的优点是结构简单，易获得较高 精度，但由於其处理电路须与电机集成在一起，在电机温度高、震动大的环境下，再加上电磁乾扰，其电子电路往往不能正常工作，出现丢码，导致电机控制紊乱甚至损坏电机。

腾博信伺服系统采用满足电动汽车要求的高性能旋转变压器作为速度反馈部件，结构牢固，耐高温、抗震动、抗乾扰能力强，确保系统在注塑机的“恶劣”环境下稳定可靠的工作，且精度可达每转4096个脉冲。

伺服驱动控制器

伺服驱动器根据注塑机控制器（上位电脑）的压力和流量的指令，控制伺服电机的电流、力矩和转速。腾博信伺服驱动器包含伺服控制、整流/逆变功率、通讯接口和 反馈检测等单元。整流/逆变功率单元采用先进的集成IGBT模组；伺服控制单元包括位置控制器、速度控制器、转矩和电流控制器等。采用高速数字信号处理器 （DSP）作为驱动器的控制核心，实现各种复杂的控制算法，并输出脉宽调制（PWM）信号至逆变功率驱动电路，来改变逆变器输出功率，达到控制三相永磁同步交流伺服电机的目的。

油泵

作为注塑机主动力源，油泵与伺服系统的良好匹配对其整机性能及节能效果至关重要。目前适用於伺服系统的油泵有齿轮泵、柱塞泵和螺杆泵，特性各有不同，因此伺服系统要能适配各种油泵，并优化参数设置。腾博信伺服系统具备先进的负载参数辨识功能，可灵活优化适配各种油泵。

压力反馈部件――压力传感器

腾博信伺服系统采用压力闭环控制策略，即通过控制电机力矩与转速来调节注塑机油压并使之跟随压力命令值。油压信号通过压力传感器获得，其精度将决定注塑机压力的控制精度。腾博信可提供不同控制精度要求的压力传感器。

磁场定向控制技术

磁场定向控制（向量控制）基本原理是在三相永磁同步电机上模拟直流电动机转矩控制规律，在磁场定向座标上，将电流矢量分量分解成产生磁通的励磁电流分量和产生转矩的转矩电流分量，并使两分量互相垂直，彼此独立，然後分别进行调节。交流电机的矢量控制使转矩和磁通的控制实现了解耦，控制转矩时不影响磁通的大小，控制磁通时不影响转矩，使交流电机控制与直流电机控制一样方便，且可获得与直流调速系统相媲美的动态特性。

为了使电机始终维持最大输出转矩，系统需要获得电机转子的瞬时位置和转速，通过将可测量的定子变量经过座标变换，变换到转子坐标系中，从而形成电流闭环，动态地跟踪电流的变化，再使用速度传感器形成速度闭环，最终实现电流、转速双闭环，获得优异的系统稳定性、快速响应性及控制精度。这些复杂的运算需借助高速数字信号处理晶片DSP来实现。

磁场定向控制的另一个好处是，通过力矩电流分量和磁通电流分量的分别控制，最佳分配电机的铜损和铁损，从而获得最佳系统效率。

电液伺服系统控制原理与算法

针对给定与反馈之间的误差，伺服驱动器的高速DSP运用各种控制算法，生成对伺服电机的控制信号，通过IGBT模块驱动伺服电机，实现对压力和转速的双闭环控制。

针对注塑机的特定应用，腾博信公司开发出一系列专用控制算法：

A. 将现代非线性控制方法引入电机磁场定向控制算法，以消除磁阻电机参数的非线性影响，且对电机与控制器进行一体优化设计，实现永磁-磁阻伺服电机输出力矩的精确控制。 C. 由於系统在流量控制与压力控制模态之间频繁转换，采用模糊控制原理以实现流量和压力控制间的平滑转换。

D. 采用带压力补偿的流量控制，消除压力对流量估算精度的影响。

E. 采用滑模变结构等非线性控制方法，使系统快速响应并且超调小。

F. 采用弱磁控制算法，系统具有更好的高速特性、更宽的调速范围。

G. 负载参数自适应算法，使系统可以适配各种油泵。

H. 由於给定信号具有非线性特征，设计了给定校正算法，配合系统的优异低速控制特性，有效解决了注塑机的低速爬行问题。

测试结果

腾博信伺服电液系统目前在注塑机的应用已收到节能、高效、精密的效果。

选型配置方法

在已知注塑机最大需求流量、最高系统压力时，可用下面的方法在油泵/电机/驱动器系列中配型。

第一：根据需求的最大流量，计算油泵理论需求排量。

理论需求排量=最大流量*1000/最高转速

排量单位：毫升/转，流量单位：升/分，转速单位：转/分，最高转速取电机和油泵的最高转速中的较小值。在油泵系列中选择排量大於并最接近理论需求排量的油泵。

第二：由油泵排量和系统最大工作压力，计算电机理论需求力矩，选择电机。

理论需求力矩=（压力*排量*9.55）/机械效率值*60

力矩单位：牛米，压力单位：兆帕 ，机械效率取值1。

选择电机中额定力矩与理论需求力矩/2相近的电机。

第三：由最大电流选择伺服控制器

最大电流=额定电流*最大压力/持续工作压力

电流单位：安培。选择伺服控制器中峰值电流大於并最接近需求最大电流的控制器。

B. 针对齿轮泵和柱塞泵压力波动的特性，采用噪声消除（Noise Cancellation) 控制方法减小油泵输出压力的波动。上述配型方法遵循力矩两倍超载的原则，一般力矩两倍超载的运行时间为20秒，三倍超载的运行时间为5秒，按比例可以计算出30秒、20秒、10秒对应的力矩超载倍数。

发展方向

伺服电液混合系统：除了用一个伺服电机为注塑机提供总动力外，还可以灵活地用一个电机单独驱动指定的液压部件，或用数个伺服电机实现组合驱动。

带位置传感器的伺服电液系统：通过螺杆行进油缸处的位置传感器，可更直接的对射胶过程进行精确的速度和位置控制，试制品的合格率、质量、精度有会进一步提高。

融合塑料成型工艺技术的伺服电液系统：与上位机配合将注塑成型工艺技术与液压动力系统相配合，可以期望将出现成型工艺技术与伺服控制技术融合起来的产品，以满足高端客户的需求。

多泵合流伺服电液系统：通过CAN汇流排技术，将若乾伺服电液泵相连接形成多泵合流控制，实现大型注塑机液压控制，优化系统提高效率，增加系统的寿命等。

定量泵注塑机节能伺服改造?

注塑机伺服节能改造

注塑机节能控制器，可根据注塑机电脑板给出的压力及流量信号，经处理后，送入驱动器。随着合模 、射胶、保压、开模等不同工艺段，输出信号，控制驱动器的运行频率。将注塑过程中多余的能量节省下来，节电效果非常显著。实践表明节电20%~80%。
一、节能原理:
注塑机的电能消耗主要是加热体和油泵。
1、现行的加热方式效果低，有50%的热能不能利用，白白消耗电能。
2、油泵电机全速运转，不需油压时，处于空转状态，消耗电能。
本公司开发的注塑机节能控制系统是针对油泵电机实现变速控制，同步跟踪压力和流量实现不同阶段时的不同转速，从而达到节电目的。也就是说，通过控制器调整油泵电机转速，用以改变普通定量泵的输出功率，使其随着负载的变化而变化，将注塑过程中多余的能量及冷却，等待产品的能量节约下来，所以节电效果十分明显，同时还可以提高功率因素。
经实际检测，本系统在注塑机上的节能效果可达20%~68%，节电效果与注塑机的状态、注塑机容量的多少，注塑周期的长短，注塑的产品及原材料不同，节能效果也不同，同时与工艺也有很大的关系。
二、主要特点及功能:
1、 节电效果20%~80%。
2、 电机软启动，减少对机械的冲击。
3、 动态调节油泵的功率输出。
4、 无高压节流能量损失
5、 具有欠压、过压、过载、短路、缺相等自动保护。
6、 系统为闭环控制，功率与压力和流量同步自动跟踪控制，大大减轻合模、开模振动，稳定生产工艺、提高产品质量，并减少注塑机故障率，延长注塑机寿命

7、 本系统可与原有系统共存，操作方式一样，可互相控制，

注塑机伺服节能有什么好处?

当然有效，要不现在注塑机怎么会全部采用伺服电机呢？发展伺服注塑机目的：节约资源、降低成本、提升品质、改善工况！注塑行业正面临着一个飞速发展的机遇，然而在注塑产品的成本的构成中，电费占了相当的比例，依据注塑机设备工艺的需求，传统的注塑机油泵马达耗电占整个设备耗电量比例高达80%-90%。随着能源问题日益受到重视，节能降耗是国家基本国策，降本增效是企业竞争核心。节约能源变得越来越重要，设计与制造新一代“节能型”注塑机，就成为迫切需要关注和解决的问题。目前，伺服节能技术，已成功应用到注塑机上，比普通定量泵注塑机节能最高可达80%，比变量泵节能最高可达50%，同时，提高生产效率10%以上，注塑机制造厂商已经开始批量设产，将迅速成为主场主流产品。

对于正在使用的普通注塑机的伺服节能改造，也将刻不容缓，增产、节能、降耗等近乎全电机的优点，注塑机客户将得以为力降低成本，美化工作环境，在其他成本上不断上升的今天，相信会大行其道（节能技术，也是IE改善行动之一）。在注塑机制造和使用的发展过程中，节能是永恒的。

传统的注塑机是开环油路定量泵和异步电机系统；异步电机是开启后不会停止的。注塑机动作是有很多程序，每个程序里面还有分阶段不同的功率，这些动作压力、流量有很大的差距；而电机油泵是定量的，排量永远是最大输出，除了熔胶、射胶保压要比较大的排量外，其它的会或大或小，可电机油泵那么大的功率输出到哪里去了呢？除了给需要的动作之外，全由溢流阀、节流阀流回注塑机油箱了，这样形成了大部分浪费。其次，冷却产品过程中注塑机是没有工作的，可电机油泵还是最大的功率输出，全部由溢流阀、节流阀流回油箱，就等于全是在浪费。而且它是开环控制稳定性也没有闭环控制那么好。

第三，伺服电机系统是闭环系统，注塑机要多少压力流量就给多少压力流量，不会多也不会少，生产产品非常稳定。因为伺服系统是闭环，让动作油直到动作阀，就是说这个动作要多少压力流量，是靠压力传感器和编码器反馈给驱动器来控制伺服电机油泵的多少，这是个明显的节能要点之一。保压时异步电机是要大负荷工作，负荷就是电流大的意思，电流大用电量也就大。而伺服电机刚好相反，伺服电机是疟疾控制用扭矩保压，内齿合齿轮泵是低转数也可以起到高压，所以比起原来的系统和变频控制既不烧坏电机也更节能，这是节能要点之二。冷却时伺服电机是不用电的，因为注塑机没有工作信号，所以伺服驱动器不会给信号到伺服电机，这是节能要点之三。

例如：具我司技术人员看到贵公司此产品储料的参数为：背压为12，流量为65，冷却时间为2秒左右。可是此注塑机压力为140，流量为99,。这样就明显可以对比，生产此产品只用注塑机功率的50%左右，其它的都是无功消耗，冷却时也是无功消耗。而伺服系统是此产品要65的流量就给65的流量，没有无功消耗，冷却时伺服系统是没有工作也就不用电的。

稳定性开闭环对比：

开环控制系统不能检测误差，也不能校正误差，控制精度和仰制干扰性能都比较差，而且对系统参数的变动很敏感。

闭环系统不管出于什么原因（外部干扰或系统内部变化）只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。

开环系统没有检测设备，组成简单，选用的原器件严格保证质量要求。

闭环系统具有仰制干扰能力，对原器件特性不敏感，并能改善系统的响应特征。

其次，对于泵，如果由定量、变量等改成伺服，那不仅能减少40%以上的用电量，还能提升产品质量，这是行业认可的。而对炮筒（加热部分）如果使用纳米节能电热圈，同样能节省30%-70%的用电量，还能降低厂房温度，改善工人工作环境，许多厂家首先改造往往是这一部分。干燥机经过改也能节省20%以上用电量。至于冷却可能占比例相对少一些，但改造后同样能节省用电量的20%以上。