注塑機(jī)伺服電機(jī)如何節(jié)能

　　除了塑料以外，電費(fèi)是注塑成品的zui大成本，有必要節(jié)約。
　　
　　節(jié)能的本質(zhì):注塑機(jī)要產(chǎn)生如鎖模及注塑等動作，亦要產(chǎn)生熱量將料筒內(nèi)的塑料加熱/塑化。動能及熱能的節(jié)約，只能從減少浪費(fèi)著手，別無它法。讓我們先溫習(xí)熱力學(xué)的兩大定律。
　　
　　熱力學(xué)*定律:熱力學(xué)的*定律就是能量守衡。在能量的轉(zhuǎn)換中，能量只從一種型態(tài)變做另一種型態(tài)，但轉(zhuǎn)換之前及之后的能量是相等的，既沒有增加也沒有減少。
　　
　　熱力學(xué)第二定律:熱力學(xué)第二定律認(rèn)為在轉(zhuǎn)換過程中，熱熵（entropy）只會增加，不會減少。熱熵這個概念很難用幾句話講得清楚。對于這個討論來說，第二定律可以簡化為“無用”輸出能量就是熱能。
　　
　　異步電機(jī):傳統(tǒng)的注塑機(jī)是用異步（鼠籠式）電機(jī)來驅(qū)動油泵的。異步電機(jī)的定子在三相電的驅(qū)動下產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場。以四極定子及50Hz的供電為例，磁場以1500rpm的速度轉(zhuǎn)動。
　　
　　轉(zhuǎn)子上有多條斜放的銅枝，它們都是在末端短接的。鼠籠由此得名。在旋轉(zhuǎn)的磁場下，銅枝上感應(yīng)出電流。電流與磁場相互作用下產(chǎn)生扭力，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速比旋轉(zhuǎn)磁場低20~60rpm，故稱為異步（非同步）電機(jī)。
　　
　　矽鐵片重疊起來支撐著轉(zhuǎn)子的銅枝及定子的線圈。
　　
　　異步電機(jī)將電能轉(zhuǎn)換為動能。在轉(zhuǎn)換過程中，由于線圈的電阻、渦流在矽鐵片中的產(chǎn)生及軸承的摩擦，輸出的“有用”動能只是輸入電能的9成左右（在滿載時），其他便轉(zhuǎn)換為熱能。故電機(jī)都會自帶風(fēng)扇，將熱能帶走，以免電機(jī)過度升溫。
　　
　　異步電機(jī)都能短暫過載達(dá)兩倍。過載時，電流增加，故發(fā)熱也增加。在沒有過載保護(hù)之下，線圈會燒毀。
　　
　　油泵:油泵將旋轉(zhuǎn)的動能轉(zhuǎn)換為液能（壓力及流量）。油泵內(nèi)的摩擦力會降低輸出壓力。油泵的內(nèi)漏會降低輸出流量。故輸出的（有用）液能是比輸入的旋轉(zhuǎn)動能低，而無用的熱能便跑到壓力油去，使其升溫，是注塑機(jī)為何要安裝壓力油冷卻器的原因之一。
　　
　　油馬達(dá)、油缸：油馬達(dá)及油缸分別將液能轉(zhuǎn)回旋轉(zhuǎn)動能及線形動能，來驅(qū)動如螺桿的塑化及注射動作。如油泵一樣，轉(zhuǎn)換過程中產(chǎn)生了熱量，提高了油溫。
　　
　　油管:壓力油在油管內(nèi)流動，在管接頭處轉(zhuǎn)彎，都會與管壁及自相摩擦而降低了壓力，產(chǎn)生了熱能。廉價的注塑機(jī)都會用小的管徑來降低成本，但必然便提高了油在管內(nèi)的流速，摩擦的損失增加，油溫便升得更高，便浪費(fèi)更多的能量。
　　
　　定量泵為何耗能？
　　
　　用恒定轉(zhuǎn)速的異步電機(jī)來帶動定量泵，油泵是輸出恒定的流量的，但注塑周期中的各個動作，如開合模、頂出、塑化、注射及保壓，甚至待機(jī)狀態(tài)對流量的要求都不同。動作用不著的流量便在當(dāng)時的設(shè)定壓力下流回油箱。所需動作越慢，流回油箱的量越多，浪費(fèi)的能量便越多。同樣，設(shè)定的壓力越大，流回油箱的浪費(fèi)便越大。浪費(fèi)了的能量都變?yōu)闊崮埽瑢⒂蜏靥岣摺?br />　　
　　在注塑周期中，保壓所需的油量很低，因螺桿前行的速度只需要足夠填補(bǔ)成品冷卻時的收縮量，估計不會過油泵流量的5%，那油泵95%以上的流量便在保壓壓力下流回油箱。成品壁厚越大，保壓時間便越長，浪費(fèi)的能量便越多。從另一角度看，可以節(jié)能的幅度便越大，或節(jié)能的額外投資的回本期越短。
　　
　　一般來講，當(dāng)動作的速度離全速越遠(yuǎn)、動作的時間越長、壓力越大，潛在節(jié)能的幅度便越大。
　　
　　變量泵如何變量？
　　
　　從以上得知，節(jié)能的鑰匙在于能夠改變流量。變量泵能提供從零到zui大的流量，而且是在異步電機(jī)恒速轉(zhuǎn)動下能提供的。
　　
　　zui常用的變量泵采用斜盤軸向柱塞設(shè)計。當(dāng)斜盤的角度是零（zui大），柱塞的排量便是零（zui大）。按流量的需要將斜盤的角度改變，從而達(dá)到流量的調(diào)節(jié)。
　　
　　變頻器如何變量？
　　
　　變頻器改變交流電的頻率，將市電的50Hz變?yōu)?~50Hz，使異步電機(jī)的轉(zhuǎn)速在10%~100%中改變。配上定量泵后，油流量便在10%~100%中改變。
　　
　　由于變頻器是一臺強(qiáng)電流電子設(shè)備，它本身亦消耗電能，故節(jié)能效果較變量泵遜色。
　　
　　異步電機(jī)的設(shè)計是為了恒速使用的，便沒有考慮轉(zhuǎn)子慣性的優(yōu)化。轉(zhuǎn)子每次加速減速如需要0.1秒，一個周期內(nèi)不下20次的變速便需要2秒。一般用家都會發(fā)覺變頻器的使用拖慢了生產(chǎn)率，再降低它的吸引性。
　　
　　定量泵多數(shù)是葉片泵。葉片泵利用離心力將葉片壓緊泵殼做成密封，才能將油泵出來。當(dāng)轉(zhuǎn)速降下來時，離心力也降下來，故在低流量時，內(nèi)漏增加，油泵的效率下降。
　　
　　其實變頻器只是在注塑機(jī)翻新改進(jìn)時加進(jìn)去，因只涉及接線的改動，比定量泵改為變量泵的工夫少及簡單很多。新購買注塑機(jī)時是不會用定量泵配變頻器的。
　　
　　伺服電機(jī)
　　
　　伺服電機(jī)是為加速減速優(yōu)化的。伺服電機(jī)如何能在維持扭矩之下降低慣性？原來是利用了以下的物理關(guān)系。（∝是代表“正比于”的數(shù)學(xué)符號。）
　　
　　扭矩∝轉(zhuǎn)子直徑（線性比例）
　　
　　慣性∝（轉(zhuǎn)子直徑）2（平方比例）
　　
　　扭矩∝轉(zhuǎn)子長度（線性比例）
　　
　　平方比例較線性比例提升得快。如轉(zhuǎn)子直徑增加20%，（轉(zhuǎn)子直徑）2便增加44%（1.22=1.44）。
　　
　　伺服電機(jī)的轉(zhuǎn)子設(shè)計用小直徑來降低慣性，再以長的轉(zhuǎn)子來回復(fù)失去的扭矩。伺服電機(jī)的外觀也明顯看見是直徑小但長度大的。
　　
　　某日本供應(yīng)商采用釹（neodymium）磁鐵（是稀土磁鐵的一種）來產(chǎn)生轉(zhuǎn)子的磁場，比一般的鐵氧體磁鐵（ferritemagnet）強(qiáng)，故扭矩便能提高。此供應(yīng)商更采用了磁阻扭矩（reluctancetorque）來產(chǎn)生額外的扭矩。
　　
　　采用永磁來產(chǎn)生磁場亦比用電磁或電感產(chǎn)生磁場的效率更高，因為就避免了線圈的損失及渦流的損失。
　　
　　伺服電機(jī)從0rpm速到2000rpm，只需要0.05秒。因此，用變速伺服電機(jī)來驅(qū)動油泵，拖慢生產(chǎn)力的情況只在短于5秒周期時才能察覺。
　　
　　伺服電機(jī)在制動時變了發(fā)電機(jī)，驅(qū)動制動電阻，而動能則在制動電阻上變?yōu)闊崮埽l(fā)在大氣中。有瑞士注塑機(jī)廠在其全電機(jī)中采用儲能電池吸收了制動的動能，然后釋放出來驅(qū)動電機(jī)。這充分體現(xiàn)了節(jié)能的本色：利用額外的設(shè)備來節(jié)省（在這里應(yīng)稱為回收再用）能源。
　　
　　全電機(jī)
　　
　　全電機(jī)的省電效果是*的。全電機(jī)的驅(qū)動也是用伺服電機(jī)的，只不過它zui少用四個伺服電機(jī)來直接驅(qū)動注射、塑化、開合模及頂出動作。其余的動作如抽芯/旋脫，射臺及調(diào)模有用伺服電機(jī)，亦有用較便宜的電機(jī)來驅(qū)動。
　　
　　直接驅(qū)動采用螺絲或曲臂將旋轉(zhuǎn)的動能變?yōu)榫€性的動能，或采用皮帶或齒輪將高速的旋轉(zhuǎn)動能變?yōu)榈退俚男D(zhuǎn)動能。
　　
　　伺服電機(jī)驅(qū)動油泵，油流過管道到達(dá)油缸或油馬達(dá)，再轉(zhuǎn)換為動能與全電機(jī)比較，直接驅(qū)動節(jié)省了兩個轉(zhuǎn)換過程，估計可節(jié)約10%的能量。兩者之間的比較，表列于后。
　　
　　待機(jī)狀態(tài)
　　
　　啟動了注塑機(jī)的電機(jī)后而注塑機(jī)沒有動作的狀態(tài)稱為待機(jī)狀態(tài)。
　　
　　在以下的情況下，注塑機(jī)是處于待機(jī)狀態(tài)的。
　　
　　1.當(dāng)冷卻時間比塑化時間長，多出來的冷卻時間中，注塑機(jī)是處于待機(jī)狀態(tài)的。產(chǎn)品越厚，待機(jī)狀態(tài)時間便越長。
　　
　　2.機(jī)械手取出成品/水口時。
　　
　　3.半自動操作時操作員打開安全門取出成品/水口或插件時。
　　
　　異步電機(jī)驅(qū)動變量泵在待機(jī)狀態(tài)時是恒速轉(zhuǎn)動但沒有流量的，但在一臺11kW的注塑機(jī)上測出電機(jī)的電流是7A，比11kW電機(jī)的24A額定電流是一個大的比例（29%）。
　　
　　伺服電機(jī)驅(qū)動變量泵在待機(jī)狀態(tài)時是不轉(zhuǎn)動的。虛耗的只是伺服電機(jī)（電子）驅(qū)動器的能量。以11kW伺服電機(jī)為例，電流不到1A。
　　
　　油溫作指示
　　
　　伺服電機(jī)驅(qū)動油泵的節(jié)能效果，從壓力油油溫可見一班。
　　
　　采用一臺50噸注塑機(jī)注塑單腔的航空杯，在華南的夏季及沒有壓力油冷卻的條件下，油溫只有37度攝氏。
　　
　　如壓力油的升溫是節(jié)能的指示，這一點是連異步電機(jī)驅(qū)動變量泵都*的。
　　
　　電機(jī)效率
　　
　　效率是輸出功率除以輸入功率的比例。
　　
　　效率=輸出功率/輸入功率
　　
　　電機(jī)的輸入功率是用電的功率。
　　
　　電機(jī)的輸出功率是轉(zhuǎn)動的功率。
　　
　　在理想的沒有損失的情況下，輸出功率等于輸入功率，效率便等于100%。損失了的功率變了熱的功率。
　　
　　異步電機(jī)在額定負(fù)荷時效率約90%，但在負(fù)荷低于50%時，效率大幅下降，也就是前述的待機(jī)狀態(tài)消耗29%額定電流的原因。
　　
　　有英國公司提供“節(jié)能寶”在異步電機(jī)低負(fù)荷時降低供應(yīng)電壓，從而減少銅線圈產(chǎn)生過量的磁通，降低損失，達(dá)節(jié)能之效。留意電機(jī)的轉(zhuǎn)速不變，故不影響注塑周期。
　　
　　能節(jié)能多少？
　　
　　據(jù)某伺服電機(jī)供應(yīng)商的資料，伺服電機(jī)驅(qū)動油泵比傳統(tǒng)定量泵節(jié)能60%，比變量泵節(jié)能40%。
　　
　　另一供應(yīng)商則聲稱節(jié)能50%以上。
　　
　　其實能節(jié)約多少與產(chǎn)品的壁厚，模具是否用冷流道、保壓時間、待機(jī)時間都有關(guān)系，是不能一概而論的。
　　
　　大致來講，壁厚越大，伺服電機(jī)的節(jié)能便越多。壁厚大時，保壓時間便長，待機(jī)時間亦長，便能更節(jié)約。瓶坯的注塑便屬于這類。如冷流道的直徑大于壁厚，冷卻時間便由流道直徑來支配。
　　
　　相反，薄壁產(chǎn)品（熱流道模具）的保壓時間短，甚至是0，而冷卻時間也是0，伺服電機(jī)的節(jié)能便有限。達(dá)明推薦周期5秒或以下的薄壁飯盒（壁厚0.5mm）采用異步電機(jī)驅(qū)動定量泵注塑機(jī)來生產(chǎn)，因周期大部分以全速全壓進(jìn)行，能節(jié)省的浪費(fèi)有限。甚至伺服電機(jī)的加速減速會延長了注塑周期。
　　
　　周期5-8秒的產(chǎn)品，可以用異步電機(jī)驅(qū)動變量泵注塑機(jī)來生產(chǎn)。
　　
　　周期8秒以上的產(chǎn)品、冷卻時間比塑化時間長、注射時間過3秒、螺桿轉(zhuǎn)速在70%以下、采用機(jī)械手取出、采用半自動操作都推薦使用“節(jié)能寶”或伺服電機(jī)注塑機(jī)來生產(chǎn)。
　　
　　齒輪泵對柱塞泵
　　
　　注塑機(jī)采用的定量泵以葉片泵為主。葉片泵依靠離心力將葉片壓緊泵體的內(nèi)壁，進(jìn)行其從油箱吸油，向出口泵油的工作。在低轉(zhuǎn)速時，由于離心力下降，內(nèi)漏增加，泵的容積效率便減少，故不適合配合變速的伺服電機(jī)使用。
　　
　　配合伺服電機(jī)使用的油泵有定量的齒輪泵及變量的柱塞泵兩種。
　　
　　齒輪泵的容積效率在90%以下。其構(gòu)造較簡單，成本不高，噪音不大，對油污的容隱度則較大。
　　
　　柱塞泵的容積效率在95%左右。它的構(gòu)造精密，對油污的容隱度不高，噪音亦較大。但其變量特性可用來降低對伺服電機(jī)的扭矩負(fù)載，故降低其電流及其發(fā)熱，使在需要極低流量的保壓，保壓時間能夠更長。這在油研公司的雙排量設(shè)計發(fā)揮了出來。
　　
　　從下圖得知，保壓及高壓合模所需的流量低但壓力高，可將變量泵轉(zhuǎn)為小排量，降低在低速時伺服電機(jī)的大電流產(chǎn)生的發(fā)熱。此功能連全電機(jī)也做不到。如不用雙排量的話，保壓及高壓合模會越原排量的壓力流量范圍，但仍在虛線的載范圍內(nèi)，可以作短暫保壓及高壓合模。如鎖模方法是采用機(jī)鉸，高壓合模自然是短暫的。直壓鎖模如不采用單向閥將鎖模力鎖住，便要靠電機(jī)油泵不停地工作來維持鎖模力。雙排量的小排量能提供長時間的保壓及高壓合模。
                                                                                                                 來源：中國泵閥網(wǎng)