淺析節(jié)能型壓鑄機電氣控制系統(tǒng)

周家民　葉瑞華

摘要：目前各類壓鑄機均存在著生產(chǎn)效率低、功耗大的問題。本文在壓鑄機的設(shè)計上做了一些研究，用以提高現(xiàn)有壓鑄機的性能以改變傳統(tǒng)的設(shè)計模式。

前言

隨著國民經(jīng)濟的迅速發(fā)展及電力供應(yīng)和服務(wù)日益完善，由電動機作為動力裝置的各種設(shè)備的應(yīng)用范圍也越來越廣，但這些設(shè)備在設(shè)計時都是按照最大工況來考慮的，因此在設(shè)備運行的不同階段，電動機始終處于額定轉(zhuǎn)速下運行，運行效率只有30%～60%，設(shè)備運行工況點遠離其最高效率點。在啟動時還有較大的沖擊電流，造成的機械磨損和維修費用也較高，不僅損失電能較大，造成整個設(shè)備的工況也較差。

1 國內(nèi)節(jié)能壓鑄機現(xiàn)狀

目前國內(nèi)節(jié)能型壓鑄機主要分為兩種類型：

（1）異步變頻節(jié)能

變頻器經(jīng)過反應(yīng)信號跟蹤各個工藝期間壓力和流量的改變，并主動調(diào)節(jié)油泵電機的轉(zhuǎn)速，這樣，油泵電機的電耗將隨輸出負(fù)載的改變而改變，然后可最大限度的節(jié)電。

其缺點是：對壓鑄機改造需要再投入成本；由于油泵馬達高速低速頻繁變化，油泵吸排油忽高忽低，油泵內(nèi)極易產(chǎn)生氣蝕，致使油泵遠遠低于其正常壽命；響應(yīng)速度變慢，效率降低；變頻設(shè)備具有電磁污染。這種壓鑄機節(jié)能技術(shù)已經(jīng)在壓鑄機行業(yè)逐步淘汰。

（2）同步伺服直驅(qū)泵控節(jié)能

伺服壓鑄機就是利用伺服驅(qū)動器+同步伺服電機+定量泵作為動力源系統(tǒng)替代傳統(tǒng)的異步電動機+定量泵的動力源系統(tǒng)。具體到壓鑄機，電液伺服系統(tǒng)實現(xiàn)被控制油泵的輸出流量和壓力快速、準(zhǔn)確地跟隨上位機給定信號的變化，從而滿足了壓鑄機節(jié)能、高效對壓力、速度、時間的精準(zhǔn)要求。

其缺點是：第一、液壓泵的轉(zhuǎn)速過低，自吸能力下降，容易造成吸油不充分而形成氣蝕，引起噪聲和流量脈動，影響速度的穩(wěn)定性。第二、通過改變電機轉(zhuǎn)速來改變液壓系統(tǒng)的流量，由于一般的電機特別是異步電機的轉(zhuǎn)動慣量大于液壓泵的轉(zhuǎn)動慣量以及伺服驅(qū)動器的過載能力有限（過載50%只允許1min）影響了加速性能，減速也不能過快，否則，再生能量會引起逆變器直流電壓過高，保護功能動作。因此一般變轉(zhuǎn)速容積控制系統(tǒng)比傳統(tǒng)容積控制系統(tǒng)的響應(yīng)要慢；第三、系統(tǒng)在慢時變特性時，如液壓系統(tǒng)中的油液溫度、油液粘性和泄漏量的大小等都會隨著時間呈非線性變化，從而影響系統(tǒng)的輸出特性和調(diào)速精度。

2.節(jié)能型壓鑄機設(shè)計

2.1問題分析

制造行業(yè)中，壓鑄廠所使用的主要設(shè)備為壓鑄機，其制造工藝過程一般有開模、合模、壓射、頂出，頂回等幾個階段，各個階段需要不同的壓力和流量。對油泵電機而言，壓鑄過程處于變化的負(fù)載狀態(tài)，在定量泵的液壓系統(tǒng)中，油泵電機以恒定轉(zhuǎn)速提供恒定流量，多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓溢流。據(jù)統(tǒng)計，由高壓溢流造成的能量損失高達36%～68%。以上問題可見，造成能耗損失和影響工況最直接的原因就是電動機的功率分配問題。調(diào)節(jié)電動機的功率可以改變它的電壓、電流和頻率；改變電流需要串聯(lián)電阻，不但沒有滿足機器的需要，而且電阻發(fā)熱浪費電能；調(diào)節(jié)電壓它可以起到限流作用，沒有額外發(fā)熱，但是它減小了傳動能力，速度減慢會使內(nèi)部電流劇增，無法正常工作.所以只有調(diào)節(jié)頻率才是最好的，它可以減低速度，增大力的強度，實現(xiàn)了機械能的高效轉(zhuǎn)化.

全液壓式冷室壓鑄機是一種典型的周期性工作制設(shè)備，在一個完整的工作周期（工序過程）大致可分為鎖模，給湯，壓射，抽芯，冷卻，開模，頂針，蓄壓等幾個階段，各個階段都是通過油泵馬達泵出液壓油到各個油缸推動傳動機構(gòu)完成一系列動作，各個階段需要不同的壓力和流量。對于液壓系統(tǒng)來說，每個階段對壓力，流量的匹配各不一樣，而油泵馬達的功率是根據(jù)其運行過程中最大負(fù)載配置的，而壓鑄機一個工作周期中只有高壓鎖模和壓射工作階段負(fù)載較大，其他工作階段一般較小，在冷卻過程的負(fù)載幾乎為零。對于油泵馬達而言，壓鑄機過程是出于變化的負(fù)載狀態(tài)，在定量泵的液壓系統(tǒng)中，油泵馬達以恒定的轉(zhuǎn)速提供恒定的流量，而工作所需壓力和流量大小是靠壓力比例閥和流量比例閥來調(diào)節(jié)的，通過調(diào)整壓力或流量比例閥的開度來控制壓力或流量大小。多余的液壓油通過溢流閥回流，此過程稱為高壓溢流，由它造成的能量損失在36%～68%。

2.2改造方案

根據(jù)壓鑄機的工作特點，高壓溢流是壓鑄機的油泵電機浪費電能之處，因此控制該過程時電機的轉(zhuǎn)速功耗成為節(jié)能的關(guān)鍵之處。電機調(diào)速控制器（變頻器或伺服控制器）正是利用這一特點，根據(jù)壓鑄機的生產(chǎn)工藝需求，采用調(diào)速控制器調(diào)節(jié)油泵電機的轉(zhuǎn)速，根據(jù)壓鑄機工作時所需的壓力或流量參數(shù)及壓鑄機的動作反饋信號同步控制壓鑄機的比例流量閥，比例壓力閥實現(xiàn)壓力和流量的調(diào)節(jié)，其效果相當(dāng)于將定量泵改造成變量泵，使通過溢流閥的回流流量降到最低，油泵輸出與整機運行所需壓力和流量相匹配，而且無高壓溢流能量損失，從而將傳統(tǒng)有高壓溢流的壓鑄機由耗能型升級為節(jié)能型。調(diào)速控制器通過反饋信號跟蹤各個工作階段的壓力和流量變化，并自動調(diào)節(jié)油泵電機的轉(zhuǎn)速，實現(xiàn)無極調(diào)速、軟啟動。由于電機工作頻率在0到50赫運行，始終處于額定功率以下，電機在額定頻率以下工作，減少了電機的使用電流，相應(yīng)降低了電機的功率，從而達到了節(jié)電的目的。其轉(zhuǎn)差率小，轉(zhuǎn)差損耗少，效率高，特性硬，調(diào)速精度高，調(diào)速范圍大，啟動及制動能耗少。這樣，壓鑄機的電耗將隨輸出負(fù)載的變化而變化，從而可最大限度過的節(jié)電，即經(jīng)濟又實用。變頻器的安裝方便簡單，除了通常的三根輸入電源、三根輸出電源以外，接地線也要接牢，壓鑄機的流量信號和壓力信號連接至調(diào)速控制器內(nèi)部的專用的信號接口即可。

2.3效益分析

變頻調(diào)速和伺服調(diào)速是近代電氣工程中發(fā)展快速。壓鑄機屬于高功率設(shè)備，在使用過程中不但耗能大，并且在啟動和負(fù)載工作中產(chǎn)生很大的噪音；使用了調(diào)速控制器以后，在用電節(jié)能、延長設(shè)備壽命、降低維護成本和啟動噪音上都有顯著的效果。

（1）節(jié)約電能。自動控制轉(zhuǎn)速，提高功率因數(shù)，節(jié)約能耗，可降f氐30%_45%的能耗。

（2）電機啟動平穩(wěn)，降低啟動噪音，對電網(wǎng)產(chǎn)生的啟動干擾也小。

（3）延長設(shè)備使用壽命；全程自動控制轉(zhuǎn)速，運行平穩(wěn)，運行損耗摩擦小，發(fā)熱大為降低.

這項節(jié)能改造在減少電費的同時，因為調(diào)速控制器本身具有過電壓、欠電流、過流、過載和過熱等保護功能，可有效避免由此而引發(fā)的各種故障，并能及時提供故障信息。由于調(diào)速控制器可降低電機轉(zhuǎn)速，因而減少了設(shè)備的磨損，延長了壓鑄機的檢修周期和使用壽命。減少設(shè)備投資成本、維護成本，提高企業(yè)生產(chǎn)效率，增創(chuàng)企業(yè)效益。

3.結(jié)語

壓鑄工藝在機械工業(yè)、航天工業(yè)、汽車制造業(yè)和日用輕工業(yè)中，都占有重要地位。提高壓鑄機工藝優(yōu)化水平和壓鑄機工作的可靠性將是壓鑄機控制系統(tǒng)的發(fā)展方向。

參考文獻