谈谈注塑机伺服电机如何节能
来源:西安泰富西玛电机有限公司 发布于:2011/8/29 8:58:21 点击量:
油马达、油缸:油马达及油缸分别将液能转回旋转动能及线形动能,来驱动如螺杆的塑化及注射动作。如油泵一样,转换过程中产生了热量,提高了油温。
油管: 压力油在油管内流动,在管接头处转弯,都会与管壁及自相摩擦而降低了压力,产生了热能。廉价的注塑机都会用小的管径来降低成本,但必然便提高了油在管内的流速,摩擦的损失增加,油温便升得更高,便浪费更多的能量。
定量泵为何耗能?
用恒定转速的异步电机来带动定量泵,油泵是输出恒定的流量的,但注塑周期中的各个动作,如开合模、顶出、塑化、注射及保压,甚至待机状态对流量的要求都不同。动作用不着的流量便在当时的设定压力下流回油箱。所需动作越慢,流回油箱的量越多,浪费的能量便越多。同样,设定的压力越大,流回油箱的浪费便越大。浪费了的能量都变为热能,将油温提高。
在注塑周期中,保压所需的油量很低,因螺杆前行的速度只需要足够填补成品冷却时的收缩量,估计不会超过油泵流量的5%,那油泵95%以上的流量便在保压压力下流回油箱。成品壁厚越大,保压时间便越长,浪费的能量便越多。从另一角度看,可以节能的幅度便越大,或节能的额外投资的回本期越短。
一般来讲,当动作的速度离全速越远、动作的时间越长、压力越大,潜在节能的幅度便越大。
变量泵如何变量?
从以上得知,节能的钥匙在于能够改变流量。变量泵能提供从零到最大的流量,而且是在异步电机恒速转动下能提供的。
最常用的变量泵采用斜盘轴向柱塞设计。当斜盘的角度是零(最大),柱塞的排量便是零(最大)。按流量的需要将斜盘的角度改变,从而达到流量的调节。
变频器如何变量?
变频器改变交流电的频率,将市电的50 Hz变为5 ~ 50 Hz,使异步电机的转速在10% ~ 100%中改变。配上定量泵后,油流量便在10% ~ 100%中改变。
由于变频器是一台强电流电子设备,它本身亦消耗电能,故节能效果较变量泵逊色。
异步电机的设计是为了恒速使用的,便没有考虑转子惯性的优化。转子每次加速减速如需要0.1秒,一个周期内不下20次的变速便需要2秒。一般用家都会发觉变频器的使用拖慢了生产率,再降低它的吸引性。
定量泵多数是叶片泵。叶片泵利用离心力将叶片压紧泵壳做成密封,才能将油泵出来。当转速降下来时,离心力也降下来,故在低流量时,内漏增加,油泵的效率下降。
其实变频器只是在注塑机翻新改进时加进去,因只涉及接线的改动,比定量泵改为变量泵的工夫少及简单很多。新购买注塑机时是不会用定量泵配变频器的。
伺服电机
伺服电机是为加速减速优化的。伺服电机如何能在维持扭矩之下降低惯性?原来是利用了以下的物理关系。(∝是代表“正比于”的数学符号。)
扭矩 ∝ 转子直径 (线性比例)
惯性 ∝(转子直径)2 (平方比例)
扭矩 ∝ 转子长度 (线性比例)
平方比例较线性比例提升得快。如转子直径增加20%,(转子直径)2便增加44%(1.22 = 1.44)。
伺服电机的转子设计用小直径来降低惯性,再以长的转子来回复失去的扭矩。伺服电机的外观也明显看见是直径小但长度大的。
某日本供应商采用钕(neodymium)磁铁(是稀土磁铁的一种)来产生转子的磁场,比一般的铁氧体磁铁(ferrite magnet)强,故扭矩便能提高。此供应商更采用了磁阻扭矩(reluctance torque)来产生额外的扭矩。
采用永磁来产生磁场亦比用电磁或电感产生磁场的效率更高,因为就避免了线圈的损失及涡流的损失。
伺服电机从0 rpm速到2000 rpm,只需要0.05 秒。因此,用变速伺服电机来驱动油泵,拖慢生产力的情况只在短于5秒周期时才能察觉。
伺服电机在制动时变了发电机,驱动制动电阻,而动能则在制动电阻上变为热能,散发在大气中。有瑞士注塑机厂在其全电机中采用储能电池吸收了制动的动能,然后释放出来驱动电机。这充分体现了节能的本色:利用额外的设备来节省(在这里应称为回收再用)能源。
全电机
全电机的省电效果是众所周知的。全电机的驱动也是用伺服电机的,只不过它最少用四个伺服电机来直接驱动注射、塑化、开合模及顶出动作。其余的动作如抽芯/旋脱,射台及调模有用伺服电机,亦有用较便宜的电机来驱动。
直接驱动采用螺丝或曲臂将旋转的动能变为线性的动能,或采用皮带或齿轮将高速的旋转动能变为低速的旋转动能。
伺服电机驱动油泵,油流过管道到达油缸或油马达,再转换为动能与全电机比较,直接驱动节省了两个转换过程,估计可节约10%的能量。两者之间的比较,表列于后。
待机状态
启动了注塑机的电机后而注塑机没有动作的状态称为待机状态。
在以下的情况下,注塑机是处于待机状态的。
1. 当冷却时间比塑化时间长,多出来的冷却时间中,注塑机是处于待机状态的。产品越厚,待机状态时间便越长。
2. 机械手取出成品/水口时。
3. 半自动操作时操作员打开安全门取出成品/水口或插件时。
异步电机驱动变量泵在待机状态时是恒速转动但没有流量的,但在一台11 kW的注塑机上测出电机的电流是7 A,比11 kW电机的24 A额定电流是一个大的比例(29%)。
伺服电机驱动变量泵在待机状态时是不转动的。虚耗的只是伺服电机(电子)驱动器的能量。以11 kW伺服电机为例,电流不到1 A。
油温作指示
伺服电机驱动油泵的节能效果,从压力油油温可见一班。
采用一台50吨注塑机注塑单腔的航空杯,在华南的夏季及没有压力油冷却的条件下,油温只有37度摄氏。
如压力油的升温是节能的指示,这一点是连异步电机驱动变量泵都望尘莫及的。
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