注塑機伺服電機如何節能

　　除了塑料以外，電費是注塑成品的zui大成本，有必要節約。
　　
　　節能的本質:注塑機要產生如鎖模及注塑等動作，亦要產生熱量將料筒內的塑料加熱/塑化。動能及熱能的節約，只能從減少浪費著手，別無它法。讓我們先溫習熱力學的兩大定律。
　　
　　熱力學*定律:熱力學的*定律就是能量守衡。在能量的轉換中，能量只從一種型態變做另一種型態，但轉換之前及之后的能量是相等的，既沒有增加也沒有減少。
　　
　　熱力學第二定律:熱力學第二定律認為在轉換過程中，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:傳統的注塑機是用異步（鼠籠式）電機來驅動油泵的。異步電機的定子在三相電的驅動下產生旋轉磁場。以四極定子及50Hz的供電為例，磁場以1500rpm的速度轉動。
　　
　　轉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。在旋轉的磁場下，銅枝上感應出電流。電流與磁場相互作用下產生扭力，轉動轉子。轉子的轉速比旋轉磁場低20~60rpm，故稱為異步（非同步）電機。
　　
　　矽鐵片重疊起來支撐著轉子的銅枝及定子的線圈。
　　
　　異步電機將電能轉換為動能。在轉換過程中，由于線圈的電阻、渦流在矽鐵片中的產生及軸承的摩擦，輸出的“有用”動能只是輸入電能的9成左右（在滿載時），其他便轉換為熱能。故電機都會自帶風扇，將熱能帶走，以免電機過度升溫。
　　
　　異步電機都能短暫過載達兩倍。過載時，電流增加，故發熱也增加。在沒有過載保護之下，線圈會燒毀。
　　
　　油泵:油泵將旋轉的動能轉換為液能（壓力及流量）。油泵內的摩擦力會降低輸出壓力。油泵的內漏會降低輸出流量。故輸出的（有用）液能是比輸入的旋轉動能低，而無用的熱能便跑到壓力油去，使其升溫，是注塑機為何要安裝壓力油冷卻器的原因之一。
　　
　　油馬達、油缸：油馬達及油缸分別將液能轉回旋轉動能及線形動能，來驅動如螺桿的塑化及注射動作。如油泵一樣，轉換過程中產生了熱量，提高了油溫。
　　
　　油管:壓力油在油管內流動，在管接頭處轉彎，都會與管壁及自相摩擦而降低了壓力，產生了熱能。廉價的注塑機都會用小的管徑來降低成本，但必然便提高了油在管內的流速，摩擦的損失增加，油溫便升得更高，便浪費更多的能量。
　　
　　定量泵為何耗能？
　　
　　用恒定轉速的異步電機來帶動定量泵，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，甚至待機狀態對流量的要求都不同。動作用不著的流量便在當時的設定壓力下流回油箱。所需動作越慢，流回油箱的量越多，浪費的能量便越多。同樣，設定的壓力越大，流回油箱的浪費便越大。浪費了的能量都變為熱能，將油溫提高。
　　
　　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，浪費的能量便越多。從另一角度看，可以節能的幅度便越大，或節能的額外投資的回本期越短。
　　
　　一般來講，當動作的速度離全速越遠、動作的時間越長、壓力越大，潛在節能的幅度便越大。
　　
　　變量泵如何變量？
　　
　　從以上得知，節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，而且是在異步電機恒速轉動下能提供的。
　　
　　zui常用的變量泵采用斜盤軸向柱塞設計。當斜盤的角度是零（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，從而達到流量的調節。
　　
　　變頻器如何變量？
　　
　　變頻器改變交流電的頻率，將市電的50Hz變為5~50Hz，使異步電機的轉速在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電流電子設備，它本身亦消耗電能，故節能效果較變量泵遜色。
　　
　　異步電機的設計是為了恒速使用的，便沒有考慮轉子慣性的優化。轉子每次加速減速如需要0.1秒，一個周期內不下20次的變速便需要2秒。一般用家都會發覺變頻器的使用拖慢了生產率，再降低它的吸引性。
　　
　　定量泵多數是葉片泵。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。當轉速降下來時，離心力也降下來，故在低流量時，內漏增加，油泵的效率下降。
　　
　　其實變頻器只是在注塑機翻新改進時加進去，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。新購買注塑機時是不會用定量泵配變頻器的。
　　
　　伺服電機
　　
　　伺服電機是為加速減速優化的。伺服電機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系。（∝是代表“正比于”的數學符號。）
　　
　　扭矩∝轉子直徑（線性比例）
　　
　　慣性∝（轉子直徑）2（平方比例）
　　
　　扭矩∝轉子長度（線性比例）
　　
　　平方比例較線性比例提升得快。如轉子直徑增加20%，（轉子直徑）2便增加44%（1.22=1.44）。
　　
　　伺服電機的轉子設計用小直徑來降低慣性，再以長的轉子來回復失去的扭矩。伺服電機的外觀也明顯看見是直徑小但長度大的。
　　
　　某日本供應商采用釹（neodymium）磁鐵（是稀土磁鐵的一種）來產生轉子的磁場，比一般的鐵氧體磁鐵（ferritemagnet）強，故扭矩便能提高。此供應商更采用了磁阻扭矩（reluctancetorque）來產生額外的扭矩。
　　
　　采用永磁來產生磁場亦比用電磁或電感產生磁場的效率更高，因為就避免了線圈的損失及渦流的損失。
　　
　　伺服電機從0rpm速到2000rpm，只需要0.05秒。因此，用變速伺服電機來驅動油泵，拖慢生產力的情況只在短于5秒周期時才能察覺。
　　
　　伺服電機在制動時變了發電機，驅動制動電阻，而動能則在制動電阻上變為熱能，散發在大氣中。有瑞士注塑機廠在其全電機中采用儲能電池吸收了制動的動能，然后釋放出來驅動電機。這充分體現了節能的本色：利用額外的設備來節省（在這里應稱為回收再用）能源。
　　
　　全電機
　　
　　全電機的省電效果是*的。全電機的驅動也是用伺服電機的，只不過它zui少用四個伺服電機來直接驅動注射、塑化、開合模及頂出動作。其余的動作如抽芯/旋脫，射臺及調模有用伺服電機，亦有用較便宜的電機來驅動。
　　
　　直接驅動采用螺絲或曲臂將旋轉的動能變為線性的動能，或采用皮帶或齒輪將高速的旋轉動能變為低速的旋轉動能。
　　
　　伺服電機驅動油泵，油流過管道到達油缸或油馬達，再轉換為動能與全電機比較，直接驅動節省了兩個轉換過程，估計可節約10%的能量。兩者之間的比較，表列于后。
　　
　　待機狀態
　　
　　啟動了注塑機的電機后而注塑機沒有動作的狀態稱為待機狀態。
　　
　　在以下的情況下，注塑機是處于待機狀態的。
　　
　　1.當冷卻時間比塑化時間長，多出來的冷卻時間中，注塑機是處于待機狀態的。產品越厚，待機狀態時間便越長。
　　
　　2.機械手取出成品/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。
　　
　　異步電機驅動變量泵在待機狀態時是恒速轉動但沒有流量的，但在一臺11kW的注塑機上測出電機的電流是7A，比11kW電機的24A額定電流是一個大的比例（29%）。
　　
　　伺服電機驅動變量泵在待機狀態時是不轉動的。虛耗的只是伺服電機（電子）驅動器的能量。以11kW伺服電機為例，電流不到1A。
　　
　　油溫作指示
　　
　　伺服電機驅動油泵的節能效果，從壓力油油溫可見一班。
　　
　　采用一臺50噸注塑機注塑單腔的航空杯，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能的指示，這一點是連異步電機驅動變量泵都*的。
　　
　　電機效率
　　
　　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
　　
　　電機的輸入功率是用電的功率。
　　
　　電機的輸出功率是轉動的功率。
　　
　　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。
　　
　　異步電機在額定負荷時效率約90%，但在負荷低于50%時，效率大幅下降，也就是前述的待機狀態消耗29%額定電流的原因。
　　
　　有英國公司提供“節能寶”在異步電機低負荷時降低供應電壓，從而減少銅線圈產生過量的磁通，降低損失，達節能之效。留意電機的轉速不變，故不影響注塑周期。
　　
　　能節能多少？
　　
　　據某伺服電機供應商的資料，伺服電機驅動油泵比傳統定量泵節能60%，比變量泵節能40%。
　　
　　另一供應商則聲稱節能50%以上。
　　
　　其實能節約多少與產品的壁厚，模具是否用冷流道、保壓時間、待機時間都有關系，是不能一概而論的。
　　
　　大致來講，壁厚越大，伺服電機的節能便越多。壁厚大時，保壓時間便長，待機時間亦長，便能更節約。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，伺服電機的節能便有限。達明推薦周期5秒或以下的薄壁飯盒（壁厚0.5mm）采用異步電機驅動定量泵注塑機來生產，因周期大部分以全速全壓進行，能節省的浪費有限。甚至伺服電機的加速減速會延長了注塑周期。
　　
　　周期5-8秒的產品，可以用異步電機驅動變量泵注塑機來生產。
　　
　　周期8秒以上的產品、冷卻時間比塑化時間長、注射時間過3秒、螺桿轉速在70%以下、采用機械手取出、采用半自動操作都推薦使用“節能寶”或伺服電機注塑機來生產。
　　
　　齒輪泵對柱塞泵
　　
　　注塑機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壁，進行其從油箱吸油，向出口泵油的工作。在低轉速時，由于離心力下降，內漏增加，泵的容積效率便減少，故不適合配合變速的伺服電機使用。
　　
　　配合伺服電機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的扭矩負載，故降低其電流及其發熱，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計發揮了出來。
　　
　　從下圖得知，保壓及高壓合模所需的流量低但壓力高，可將變量泵轉為小排量，降低在低速時伺服電機的大電流產生的發熱。此功能連全電機也做不到。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，可以作短暫保壓及高壓合模。如鎖模方法是采用機鉸，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