伺服电机用在注塑机中的节能效果

伺服电机用在注塑机中的节能效果

王荣岳

摘要：工矿企业中大量使

用电机，但是实际工作中又不

需要电机通电后始终定速转动

做工。把电机固定的按时转动

转变为按需转动，即需要转动

时则动，不需要时则停；需

要高速转动则快，否则即慢。

本文介绍把伺服电机控制系统

用在注塑机的电液控制中获得

的节能、精密、高效结果。

关键词：实际工况、伺服

电机能耗、实际使用结果

一、引言

在工业企业中，电机是采

用得非常广泛的动力源，电机

的耗电占了总用电量的相当大

的比例，所以电机的节电是节

能的一个主攻方向。

目前工矿企业中，用得最

多的是传统的交流异步电机。

但在实际使用中，并不需要电

机永远按固定转速运转。例

如：电机拖动水泵提供自来

水，若用固定流量水泵，深

夜用水量很小，会造成水压很

高，其实用户根本不需要那么

高的水压（往往还引起半夜水

管爆裂），我们就采取变频办

法，让水泵的供电频率随需要

而改变，从而实现了节电；用

电机鼓风来升高炉温，当炉温

已到要求，不必用传统的关闭

风门阻止温升，采用变频办法

使电机鼓风转速下降，从而节

省了电力，等等。这些措施

已经和正在被广泛的采用，取

得了很好的效果。

近期，伺服电机也在工业

企业的产品中逐步替代了传统

的交流异步电机。我们用了一

年多时间，用伺服控制系统改

造传统的采用三相交流异步电

机的注塑机，这种先进的伺服

控制系统，产生了较为满意的

节能效果。

二、现状

我们知道，传统的异步电

机为了转动所需的磁场是由交

流电通过电机的定子线圈所建

立的，也就是说建立该磁场必

须耗费一定的电能。如果改变

电机建立磁场的方法就有可能

节约这部分能量。

我们来研究注塑机的工

况。注塑机完成一个注塑周

期，一般需要以下主要工序：

锁模、射胶、保压、溶胶、

冷却、开模、顶针（顶出、

顶回）。传统的注塑机一旦通

上电源，不管是进入哪道工

序，交流异步电机都按固定的

转速运转。（目前注塑机采用

六极或四极两种电机，六极型

定子转速１０００转，转子转速

９７０￣９８０转；四极型定子转速

１５００转，转子转速１４５０转左

右。）遇到不需要动作的工序

（如保压、冷却等），电机

照样带动油泵定速运转。由于

不需要动作，液压油只能通过

安装在阀板上的溢流阀溢出后

返回油箱，做无谓循环流动。

这不仅浪费了电力资源，而且

由于液压油的不断无功流动使

油温升高，对油泵和整个液压

系统的使用寿命都会受到影

响。

传统注塑机开始工作前：

操作人员根据经验在电脑系统

中对每个工序设置指令，通电

后，电脑根据每个工序的指令

输出两个信号：压力信号和流

量信号。在油泵不断提供具有

足够油压的油路中，压力和流

量信号指挥着执行机构——阀

门关闭或开启，并且适时改变

液压油流动的方向和大小，从

而完成每个预先设置的动作。

压力的单位为每平方厘米上的

千克力——Ｋｇｆ／ｃｍ２（（也可

用Ｍｐａ为单位，１Ｍｐａ近似等

于１　０Ｋｇｆ／ｃｍ２），，一般注塑

机的最高压力是１４０－１６０　Ｋｇｆ／

ｃｍ２；流量的单位是每分钟流

过多少升油——Ｌ／ｍｉｎ，流量

大小决定了注塑机的加工能力

大小，通常每道工序的流量用

最大流量的百分数来设置。注

塑的整个过程中，就用这两个

信号来完成所需动作。即每一

道工序都有相应的压力和流量

的设置。注塑机各工序的流

量、压力的一个典型循环见下

图。

从图中可以看出，注塑机加工产品周期里，用到最高压力或最大流量的环节并不多。

绝大多数时间都处在平均值，甚至很低值。

以下我们用黄岩某厂一台注塑机为实例进行测试并分析结果。

该注塑机锁模力为２５０吨，其最高压力为１４０　Ｋｇｆ／ｃｍ２；最大流量为１６０Ｌ／ｍｉｎ，

用它加工管件接头三通，材料是ＰＰ－Ｒ。每道工序的参数设定见上表。以上数据可见：没有哪个工序同时用到最高压力和最大流量的。

三、改造

１、用伺服电机取代交流异步电机

由于交流异步电机的磁场由交流电通过电机定子线圈产生的，要耗费电能。我们采用伺服电机来代替。在注塑机

电液系统用的伺服电机是交流永磁同步电机。它的磁场是电机转子上固定的强磁材料钕铁硼产生的，没有转子电流，功率因素高，定子电流和定子损耗小。因此，光更换一个电

３、选择电机规格

在伺服控制注塑机中，油泵

输出的液压油的压力和流量可

以被控制到按预设的曲线快速

连续变化。油泵是注塑机油路

的驱动部件，油泵的输出功率

取决于要求输出的油压以及输

出的流量，其计算可见下式：

Ｐ　＝　Ｆ　Ｑ　／　６０

Ｐ——油泵的输出功率，单

位：ＫＷ；Ｆ——油泵输出的最高

油压，单位：Ｍｐａ（兆帕）

Ｑ——油泵的最大流量，单

位：Ｌ／ｍｉｎ。

以上述黄岩某厂该台注

塑机为例，计算如下

该机的油泵最大输出功率是

３７．３千瓦。

设油泵的效率为９０％，需要

电机的最大输出功率为４１．４千

瓦。

由于泵的最大流量是１６０升／

分钟，电机的转速是２０００转／分

钟，因此，我们选用的油泵是排

量为８０ｃｃ／ｒｅｖ　（每转８０毫升流量）

的日本住友泵。

电机的输出功率取决于电机

提供的转矩以及电机的转速。具

体计算如下：

Ｐ０　＝　Ｎ　Ｔ　／　９５５０

Ｐ０——电机的输出功率，单

位：ＫＷ；Ｎ——电机的转速，单

位：Ｒ／ｍｉｎ；

Ｔ——电机的转矩，单位：

Ｎｍ。

因为伺服电机的过载能力

大，其最大功率超过额定功率的

２倍，以上算出的电机需输出的最

大功率是４１．４千瓦，实际电机额

定功率只需要最大功率的一半。

我们选用２２千瓦的国产电机，可

以算出它的转矩是１０５牛米。完

全可以满足要求。

四、实例

经过实际改装，并对改装前

后的用电情况进行了测试，具体

数据如下：

制品的加工周期：１０９．８秒；

日工作时间：２４小时；日产７５０模

１５００件；

包括电热用电量，改造前日

耗电量：２８７度；改造后日耗电量：

１２７．２度。

剔除电热用电量，改造前日

耗电量：２５７度；改造后日耗电量：

９７．２度。

节电效果达到５５％以上。

该套系统总价格为４０８９０元，

电费按平均０．８元／度计算，每天

可以节约１２７．８元。仅从节约用电

上计算３２０　天即可收回投资。何

况算上提高精度和效率上，收回

下图是伺服电机控制系统方框图

机，就可以节约电能５％－

１０％。当然，由于伺服电机的

最大输出力矩与转子惯量的比

值与异步电机相比要大得多，

因此，动态性能更优越。

２、用双闭环来实现跟踪

控制

为了达到按需供电，必须

对注塑机电脑设定的信号进行

检测，同时由伺服电机控制系

统根据检测结果对机器进行实

时控制。压力信号对应的是电

机的力矩；流量信号对应的是

电机的转速。我们通过安装在

油泵输出口上的压力传感器，

检测出油路的压力，同时把该

数椐立即反馈到伺服控制系

统；伺服电机中的旋转变压器

则可提供准确的转速即流量，

同样反馈到伺服控制系统，他

们与预先设置的压力信号、流

量信号相比较，找出他们的差

异，伺服控制器中的高速ＤＳＰ

运用各种控制算法，生成对伺

服电机的控制信号，并通过

ＩＧＢＴ模块驱动伺服电机　，从

而实现对压力和流量的双闭环

控制。