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注塑机节能改造省电原理
     除了塑料以外,电费是注塑成品的最大成本,有必要节约。
     节能的本质: 注塑机要产生如锁模及注塑等动作,亦要产生热量将料筒内的塑料加热/塑化。动能及热能的节约,只能从减少浪费着手,别无它法。让我们先温习热力学的两大定律。
     热力学第一定律: 热力学的第一定律就是能量守衡。在能量的转换中,能量只从一种型态变做另一种型态,但转换之前及之后的能量是相等的,既没有增加也没有减少。
     热力学第二定律: 热力学第二定律认为在转换过程中,热熵(shāng)(entropy)只会增加,不会减少。热熵这个概念很难用几句话讲得清楚。对于这个讨论来说,第二定律可以简化为“无用”输出能量就是热能。 异步电机: 传统的注塑机是用异步(鼠笼式)电机来驱动油泵的。异步电机的定子在三相电的驱动下产生旋转磁场。以四极定子及50 Hz 的供电为例,磁场以1500 rpm 的速度转动。 转子上有多条斜放的铜枝,它们都是在末端短接的。鼠笼由此得名。在旋转的磁场下,铜枝上感应出电流。电流与磁场相互作用下产生扭力,转动转子。转子的转速比旋转磁场低20~60 rpm,故称为异步(非同步)电机。
矽铁片重叠起来支撑着转子的铜枝及定子的线圈。
     异步电机将电能转换为动能。在转换过程中,由于线圈的电阻、涡流在矽铁片中的产生及轴承的摩擦,输出的“有用”动能只是输入电能的9成左右(在满载时),其他便转换为热能。故电机都会自带风扇,将热能带走,以免电机过度升温。 异步电机都能短暂过载达两倍。过载时,电流增加,故发热也增加。在没有过载保护之下,线圈会烧毁。 油泵(beng): 油泵将旋转的动能转换为液能(压力及流量)。油泵内的摩擦力会降低输出压力。油泵的内漏会降低输出流量。故输出的(有用)液能是比输入的旋转动能低,而无用的热能便跑到压力油去,使其升温,是注塑机为何要安装压力油冷却器的原因之一。 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(女nu)(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般。 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。 电机效率 效率是输出功率除以输入功率的比例。 效率 = 输出功率/输入功率
     电机的输入功率是用电的功率。 电机的输出功率是转动的功率。 在理想的没有损失的情况下,输出功率等于输入功率,效率便等于100%。损失了的功率变了热的功率。 待机状态消耗29%额定电流原因:异步电机在额定负荷时效率约90%,但在负荷低于50%时,效率大幅下降。有英国公司提供“节能宝”在异步电机低负荷时降低供应电压,从而减少铜线圈产生过量的磁通,降低损失,达节能之效。留意电机的转速不变,故不影响注塑周期。 能节能多少? 据某伺服电机供应商的资料,伺服电机驱动油泵比传统定量泵节能60%,比变量泵节能40%。 另一供应商则声称节能50%以上。 其实能节约多少与产品的壁厚,模具是否用冷流道、保压时间、待机时间都有关系,是不能一概而论的。
     决定伺服电机节能多少:
     大致来讲,壁厚越大,伺服电机的节能便越多。壁厚大时,保压时间便长,待机时间亦长,便能更节约。瓶坯的注塑便属于这类。如冷流道的直径大于壁厚,冷却时间便由流道直径来支配。 相反,薄壁产品(热流道模具)的保压时间短,甚至是0,而冷却时间也是0,伺服电机的节能便有限。达明推荐周期5秒或以下的薄壁饭盒(壁厚0.5mm)采用异步电机驱动定量泵注塑机来生产,因周期大部分以全速全压进行,能节省的浪费有限。甚至伺服电机的加速减速会延长了注塑周期。 周期5-8秒的产品,可以用异步电机驱动变量泵注塑机来生产。 周期8秒以上的产品、冷却时间比塑化时间长、注射时间超过3秒、螺杆转速在70%以下、采用机械手取出、采用半自动操作都推荐使用“节能宝”或伺服电机注塑机来生产。 齿轮泵对柱塞泵 注塑机采用的定量泵以叶片泵为主。叶片泵依靠离心力将叶片压紧泵体的内壁,进行其从油箱吸油,向出口泵油的工作。在低转速时,由于离心力下降,内漏增加,泵的容积效率便减少,故不适合配合变速的伺服电机使用。 配合伺服电机使用的油泵有定量的齿轮泵及变量的柱塞泵两种。 齿轮泵的容积效率在90%以下。其构造较简单,成本不高,噪音不大,对油污的容隐度则较大
     柱塞泵的容积效率在95%左右。它的构造精密,对油污的容隐度不高,噪音亦较大。但其变量特性可用来降低对伺服电机的扭矩负载,故降低其电流及其发热,使在需要极低流量的保压,保压时间能够更长。这在油研公司的双排量设计发挥了出来。
     保压及高压合模所需的流量低但压力高,可将变量泵转为小排量,降低在低速时伺服电机的大电流产生的发热。此功能连全电机也做不到。如不用双排量的话,保压及高压合模会超越原排量的压力流量范围,但仍在虚线的超载范围内,可以作短暂保压及高压合模。如锁模方法是采用机铰,高压合模自然是短暂的。直压锁模如不采用单向阀将锁模力锁住,便要靠电机油泵不停地工作来维持锁模力。双排量的小排量能提供长时间的保压及高压合模。
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