基于臺達VFD-G變頻器的注塑機專用驅動系統
1 引言
近年的中國注塑機行業在市場經濟的驅動下取得了長足的發展。根據有關研究資料顯示，到2010年，全球對塑料機械設備的需求額將以每年3.5%的速度遞增，注塑機需求量約占38％。面對巨大的市場，注塑機設備的升級換代也越來越快。隨著世界各國在環保，如能耗、噪音、泄漏等控制方面日益嚴格的要求，設計與制造新一代“節能型”注塑機，就成為迫切需要關注和解決的問題。
液壓傳動是注塑機最常用的傳動方式。液壓傳動注塑機是一種典型的周期性變化負荷設備，各個工藝階段所需的工作壓力和流量各不相同，液壓系統的負荷變化很大，對于傳統的電動定量泵液壓系統，依靠流量閥和壓力閥調節不同工序階段的流量和壓力。由于定量泵不可調節輸出功率，因此多余的能量只能在擋板、油路泄 漏、油的溫升中消耗掉，因此在造成大量的能量浪費的同時，還加劇了各種閥門的磨損，造成油溫過高，電機噪音過大，機械壽命縮短等現象。并且通常在設計中，定量油泵電機設計容量大馬來小車的配置進一步造成電能浪費。因此改進注塑機液壓系統驅動技術，對于減少能源浪費和降低注塑制品成本具有普遍意義。
2 注塑工藝原理
注塑機液壓傳動裝置主要由油泵、液壓控制閥、壓力電磁比例閥、流量電磁比例閥、各種不同的動作油缸、油泵電機及其它液壓附件和管道組成。電動定量油泵機組將電動機所輸入的機械能轉變為壓力能，然后向液壓系統的液壓元件輸送具有一定壓力和流量的液壓油，滿足液壓執行機構驅動負載所需能量的要求。
注塑機主要用于熱塑性塑膠的成型加工。注塑機成型流程是一個按照預定的周期性動作過程，一個完整的生產周期主要包括合模、鎖模、射膠、保壓、熔膠、冷卻、開模、頂出制品幾個階段，以此次測試之時序，即以合模射座進射膠加料冷卻射座退開模頂針等程式達到產品成型。如圖一所示為注塑機成型流程的電流輸出波形。注塑機通常采用液壓傳動，其結構包含注射裝置、開合模裝置、液壓傳動裝置和電氣控制裝置。電氣控制裝置的作用是保證注塑機的壓力、速度、溫度、時間、位置和動作程式參數等工藝準確有效地工作，在每個工作階段均能符合工藝要求。注塑機合模→射座進→射膠→加料→冷卻→射座退→開模→頂出的工藝參數同步工藝要求案例如圖1所示。
圖1 注塑機工序圖
3 注塑機專用變頻器解決方案
3.1 臺達VFD-G注塑機機專用變頻器
臺達VFD-G設計機專用變頻器。臺達VFD-G變頻器屬于客制化塑機專用變頻器，專用于注塑機、擠塑機、吹膜機、吹瓶機、空壓機油壓機等變負荷大過載驅動。臺達VFD-G系列注塑機專用變頻器規格特性包括：獨特的過載能力：150%60秒? ；兩路0-1A電流信號輸入端子；兩路模擬量輸出信號? ；可分段增益設定?； 內建PID反饋功能；兩個模擬量信號可作加減乘 取最大值運算；注塑機專用功能?；節能運轉，及用電量記錄等。
3.2 臺達注塑機變頻驅動原理設計
臺達VFD-G變頻器利用注塑機原有流量與壓力控制信號，將注塑機原有定量泵改為節電型變量泵的電氣控制裝置。通過注塑機控制器提供工藝同步運行訊號，利用變頻原理改變電機轉速來改變油泵的輸出流量，在滿足注塑機在各個工作階段所需速度的前提下，降低液壓系統回流，使原有定量泵成為節電型變量泵，節能效率高達20～60％；并具有操作簡便、控制速度準確穩定等特點；軟性啟動裝置，減輕開鎖模震動，避免設備沖擊及磨損，延長設備使用壽命；以及能減輕電機噪音等效應，適用于各種功率，型號的注塑機種。根據注塑機的工作要求，利用注塑機上位機（例如電腦或PLC）的同步控制信號及電氣控制，送出類比信號(0-10VDC的類比電壓信號)，直接加在臺達VFD-FG變頻器變頻器的輸入端，從而改變變頻器的輸出頻率，即改變油泵電機的轉速，來改變油泵電機的輸出流量，滿足注塑機在各個工序中所需的油壓大小和流量速度，將傳統的定量泵轉變為變數泵，注塑機變頻控制系統方塊圖如圖2所示。
圖2 注塑機變頻控制系統方塊圖
3.3 電氣原理設計（圖3）
圖3 注塑機變頻驅動電氣原理
3.4變頻器參數設計
（1）VFD-G變頻器參數設置如表1所示。
表1 VFD-G變頻器參數設計
|
參數 |
出廠值 |
說明 |
|
01-01 |
60．00 |
此二參數必須根據馬達銘牌內容來設定 |
|
01-02 |
380．0 | |
|
01-08 |
0．00 |
利用下限頻率來做待機時（如冷卻）的運轉頻率 |
|
01-09 |
10．0 |
第一加速時間 |
|
01-10 |
10．4 |
第一減速時間 |
|
02-00 |
0 |
頻率指令來源設定為4時，表示必須根據04-20的設定 |
|
04-11 |
0．00 |
AI2所對應的輸出最小量，用來啟動下限頻率動作，故當0V時，變頻器F=0.2*01-100,當F>01-05時，H=下限頻率 |
|
04-13 |
100 |
AI1增益；因為真正的功率輸出必須扣除管損及熱，故必須以增益之方式提高變頻器輸出達到等于Loss+工作之總功率需求 |
|
04-23 |
0.5 |
AI1類比輸入延遲 |
|
04-24 |
0.5 |
AI2類比輸入延遲 |
|
04-25 |
0 |
MAX（AI1*（04-13），AI2*（04-18））=取AI1和AI2之間大者為驅動器之頻率命令 |
|
06-00 |
780V |
過電壓失速防止準位 |
|
06-01 |
150% |
加速中過電流失速防止 |
|
06-02 |
150% |
運轉中過電流失速防止 06-00~06-02建議全部關閉以避免因失速防止動作導致頻率降低進而無法達到所需之功率輸出最終產出不良產品 |
|
07-02 |
100% |
馬達滿載電流 |
|
07-03 |
30% |
馬達無載電流 因為注塑機在工作中會有瞬間高負載，幫，驅動器的選擇會大于馬達之功率，為避免馬達因過熱而燒毀，故以07-02和OL1電子熱動電驛功能給予保護 |
（2）VFD-G系列VFD300FA3A-G變頻器參數設定范例（馬達型號:東元,30HP/6P/380/50Hz/47.1A,EFF:92.0%,P.F.=78.5%,98rpm）如表2所示。
表2 VFD300FA3A-G參數設定
|
參數 |
設定值 |
說明 |
|
01-01 |
50.00 |
最大頻率設定 |
|
01-02 |
380.0 |
最大輸出電壓設定 |
|
01-08 |
25.00 |
下限頻率 |
|
01-09 |
1.0 |
第一加速時間 |
|
01-10 |
0.4 |
第一減速時間 |
|
02-00 |
4 |
頻率指令來源 |
|
04-11 |
0.20 |
AI2所對應的輸出最小量 |
|
04-13 |
110 |
AI2增益 |
|
04-23 |
0 |
AI1類比輸入延遲 |
|
04-24 |
0 |
AI2類比輸入延遲 |
|
04-25 |
7 |
MAX(AI1*(04-13),AI2*(04-18) |
|
06-00 |
0 |
失速防止電壓準位 |
|
06-01 |
0 |
加速中過電流失速防止 |
|
06-02 |
0 |
運轉中過電流失速防止 |
|
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