注塑機節能變頻器及節能方法
2023-10-04 12:46:09
專利名稱：注塑機節能變頻器及節能方法
技術領域：
本發明涉及一種注塑機節能變頻器及節能方法。
現在生產和生活中，大量的塑料製品或半成品是通過注塑機注塑衝壓而製成的。
圖1為注塑機整機外形圖，其工作如下先將產品生產各個工藝段的工藝參數，如壓力(油壓)、速度(出油速度)、時間、距離等通過面板(A位置)輸入，注塑機自動將這些參數輸入中央處理器CPU板(B位置)進行處理後，輸出到壓力流量比例調節閥(C位置)。工頻電機(D位置)提供足夠的動力來驅動油泵(E位置)，而油泵的油壓和出油速度要靠壓力流量比例調節閥來調整，不同的工藝段會要求不同的油壓和出油速度來保證。其關鍵的工藝段包括鎖模、射膠、溶膠、冷卻、開模等過程。工頻電機通過三相電源線接入電網，作為注塑機的動力提供設備。
現有的大量注塑機均採用工頻電源輸入電動機驅動油泵工作的方式。在使用注塑機生產每一件產品時，都要經過多道工藝過程，而每道工藝過程所需要油泵的油壓和出油速度是各不相同的。採用工頻電源輸入電動機驅動油泵工作的方式時，考慮所需最大油壓，最高出油速度的極端要求情況下，電機所應提供的動力是滿足要求的。這樣一來，在許多不需要極端要求的工藝過程中，工頻電機所提供的部分動力是被白白消耗掉的。
本發明的目的是克服現有技術的以上缺點，提供一種注塑機節能裝置，能使注塑機的電機在不同的工藝段提供不同的動力，以節約能源。
為實現上述目的，本發明提出一種注塑機節能變頻器，接於工頻電源和注塑機電機之間，其信號輸入端與注塑機工作狀態和工藝參數信號相連；它包括整流器、逆變器、控制裝置及檢測裝置，控制裝置控制逆變器所輸出的交流電的頻率；其特徵是其內部增設有信號處理裝置，在信號處理裝置中有頻率計算裝置，該頻率計算裝置用於根據輸入的注塑機信號計算出變頻器的頻率值，並將該頻率值輸入到控制裝置，以控制變頻器中逆變器所輸出交流電的頻率，進而控制注塑機電機的轉速。
本發明實現上述目的的方案還包括一種注塑機節能方法，其特徵是包括以下步驟接收注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號；根據輸入的信號計算出變頻器的頻率值(F)；將頻率值(F)控制變頻器的輸出頻率值並進而控制注塑機電機的轉速。
由於採用了以上的方案，採用變頻器連接於工頻電源和注塑機電機之間，並採樣每道工序對油泵的油壓和出油速度等工藝參數設定的指令或其它相關信息，通過計算處理得出此刻滿足工藝要求的電機運行轉速，在非極端要求情況下就可以適當降低電機的運轉速度，這樣即保證了注塑機的正常生產，又有效地節約了電能。
圖1是一種典型的注塑機外表示意圖。
圖2是本發明使用狀態的示意圖。
圖3是本發明信號採集裝置的方框圖。
圖4是本發明信號處理流程示意圖。
圖5是典型變頻器的結構原理圖。
圖6是信號採集裝置電路圖之一。
圖7是信號採集裝置電路圖之二。
下面通過具體的實施例並結合附圖對本發明作進一步詳細的描述。
圖5是變頻器框圖，它包括整流器、逆變器、控制裝置及檢測裝置，整流器(主要由整流橋組成)將輸入的交流電轉換為直流，逆變器再將其轉換為交流電，但輸出交流電的頻率變化了，其頻率的值由控制裝置控制。控制裝置是由一個中央處理單元(即圖中的CPU，注意注塑機中也有一個CPU，為區別起見，該處稱為中央處理器)及其輔助系統構成，它根據電壓檢測、電流檢測、其他信號檢測電路中所傳來的數據，計算並決定逆變器輸出的交流電頻率。
本發明在變頻器內部增設了信號處理裝置，在信號處理裝置中有頻率計算裝置，該頻率計算裝置用於根據輸入的注塑機信號計算出變頻器的頻率值F，並將該頻率值F輸入到控制裝置，以控制變頻器中逆變器所輸出交流電的頻率，進而控制注塑機電機的轉速。使用時(見圖2)，將注塑機節能變頻器接於工頻電源(圖中未示出)和注塑機電機之間，並將注塑機的工作狀態和工藝參數信號輸入到本發明的注塑機節能變頻器的信號輸入端(從圖5中「其他信號檢測」處的信號通道接入)，頻率計算裝置就是根據這些信號進行頻率計算的。
其中，信號處理裝置可以用軟體來實現，也可以用硬體來實現。軟體方式實現就是在圖5中CPU內部所運行的軟體上增加一段處理程序，硬體方式就是設計一個處理電路。程序和電路的主要部分就是計算頻率值。
要達到節能效果的最基本的接法是將變頻器的信號輸入端接到注塑機的壓力流量比例調節閥(即PQ閥)上，或者通過一個信號採集裝置1與注塑機的壓力流量比例調節閥相連，從而輸入壓力流量比例調節閥的壓力比例調節信號P和流量比例調節信號Q；所述信號採集裝置1包括依次相連的信號隔離電路11、整形濾波電路12、限幅調整電路13(見圖6)，經過這些電路的轉換，再將壓力比例調節信號P、流量比例調節信號Q輸入到信號處理裝置。當然，如果信號採集裝置1直接包含在變頻器中，變頻器就可以直接接注塑機(下同)。另外，如果注塑機本身的工藝參數和工作狀態信號(如壓力、流量比例調節信號P、Q信號)是處理裝置2可以直接處理的信號，也同樣不需要增加信號採集裝置1。(實際上，也可以認為信號採集裝置1是信號處理裝置的一個組成部分。)為了達到更好的節能效果，所述注塑機還可以直接或通過信號採集裝置1的輸入端與注塑機的下述信號之一相連限位開關信號、觸控螢幕輸出信號、中央處理器CPU板的輸出信號。
利用上述裝置實現注塑機節能方法包括以下步驟接收注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號；根據輸入的信號計算出變頻器的頻率值(F)；將頻率值(F)控制變頻器的輸出頻率值並進而控制注塑機電機的轉速。
如果所輸入的注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號是注塑機上的壓力流量比例調節閥的壓力比例調節信號Px和流量比例調節信號Qx；則根據輸入的信號計算出變頻器的頻率值F的方法如下式Fp=(Pmax-Pmin)*50/PxFq=(Qmax-Qmin)*50/QxF=a*Fp+b*Fq其中a＜=1，b＜=1，a+b=1，a、b的值是事先人為設定的或用過自適應算法計算的；Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分別為整個工節流程中壓力比例調節信號P和流量比例調節信號Q的最大值和最小值。
如果所輸入的注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號除包括注塑機上的壓力流量比例調節閥的壓力比例調節信號Px和流量比例調節信號Qx外，還有下述信號中至少一種限位開關信號、觸控螢幕輸出信號、中央處理器CPU板的輸出信號，則根據輸入的信號計算出變頻器的頻率值F的方法根據不同的工藝段而不同，如下式Fp=(Pmax-Pmin)*50/PxFq=(Qmax-Qmin)*50/Qx對於第一工藝段F=a1*Fp+b1*Fq，其中a1＜=1，b1＜=1，a1+b1=1，對於第二工藝段F=a2*Fp+b2*Fq，其中a2＜=1，b2＜=1，a2+b2=1，對於第三工藝段F=a3*Fp+b3*Fq，其中a3＜=1，b3＜=1，a3+b3=1，對於第四工藝段F=a4*Fp+b4*Fq，其中a4＜=1，b4＜=1，a4+b4=1。
其中a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4．．．的值可以根據實際情況人為設置或用過自適應算法計算得至，Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分別為整個工節流程中壓力比例調節信號P和流量比例調節信號Q的最大值和最小值。
本發明節能的關鍵是要根據不同工藝段的電機出力要求，調整變頻器對電機的輸出，以改變電機的運轉速度，從而達到節能的效果。由於注塑機在工作時的工藝段較多，如鎖模、射膠、溶膠、開模等，所以涉及到的工藝參數也較多，如何從諸多工藝參數中提取重要而有效的信息是本發明的重點，而如何處理這些信息並最終得到一個變頻器的工作頻率，達到控制電機轉速，從而有效節能的目的是本發明的難點。實現節能最終要靠變頻器調速改變電機的轉速來完成。
圖2中虛線框內為注塑機部分結構簡單示意。觸摸面板得到產品加工的每道工序的工藝參數，如油壓、出油速度、工序序號、工作時間等；這些信號送入注塑機的中央處理器CPU板；中央處理器CPU板是控制整個注塑機完成工作所涉及的電信號的處理核心，其功能之一就是產生壓力流量比例調節閥所需的和工藝要求所對應的模擬電信號以及其它相關信號；壓力流量比例調節閥根據中央處理器CPU送來的以上信號，通過調節油壓以及出油速度將油泵的出力大小和速度控制在工藝要求之下；而電機是供給油泵的動力源。未經基於變頻調速的注塑機節能改造的電機一般是恆定運行在工頻50HZ。
如前所述，現有技術中採用工頻電源輸入電動機驅動油泵工作的方式時，在許多不需要極端要求的工藝過程中，工頻電機所提供的部分動力是被白白消耗掉的。如果能根據工藝要求讓電機提供恰好滿足要求的動力，也就是說在非極端要求情況下適當降低電機的運轉速度，這樣就達到了節約電能的目的。變頻器就是可以靈活調節電機的運轉速度的電氣設備，它可將工頻輸入(50HZ)的交流電源整流逆變為50HZ以下頻率的三相交流輸出送電機，來降低電機的運轉速度。當電機低於工頻轉速的轉速速度工作時，所耗電量會隨之下降。
如何從諸多工藝參數中提取重要而有效的信息是本發明的重點。因為要實現最大限度的節能，即最大限度地降低變頻器輸出頻率，也就是電機的運轉速度，與此同時還要保證電機所驅動的油泵出力要滿足工藝的要求。為了決定變頻器的輸出頻率，就必須提取反映注塑機工藝參數設置和工作狀態的有效信號。
圖2中的信號採集裝置1為實現上述信號採集的發明部件，它可以與變頻器做成一體，也可以單獨做成電路產品，因此在本發明中它不是一個必要的部件。但為了使信號處理裝置能得到較易處理的信號，加上信號採集裝置1將有更好的效果。絕大多數注塑機均配有壓力流量比例調節閥，用以調節油泵的出力大小和速度，輸入壓力流量比例調節閥的信號為反映工藝參數設定的兩個關鍵模擬信號壓力比例調節信號P和流量比例調節信號Q以及反映注塑機現在工作狀態的幾個開關量電信號。信號採集裝置1快速準確地獲取了上述信號，並將採集的信號轉換為易於處理的模擬量和開關量電平信號。
採用這種壓力流量比例調節閥信號獲取方案的好處為一般壓力流量比例調節閥進線盒在機器外部，信號採集方便；壓力流量比例調節閥為油泵處理調節的關鍵性部件，進入壓力流量比例調節閥的關鍵信號集中，能夠反映各工藝段要求；壓力流量比例調節閥信號多為1安以內的電流信號或是20伏左右的電平信號，易於採樣變換和處理；壓力流量比例調節閥信號時刻跟隨工藝參數變化，對其採集的信號處理實時性強。
但是，不一定只有壓力流量比例調節閥信號能夠反映注塑機工藝參數設置和工作狀態的有效信號，比如注塑機的限位開關，觸控螢幕輸出信號，以及中央處理器CPU板的輸出信號都能夠反映一部分或全部的工藝參數、注塑機工作狀態信息。但在壓力流量比例調節閥上採樣信號的辦法最為簡便，適應性強，對注塑機的軟硬體結構無特別的改動要求。
如何處理信號採集裝置1輸出的信號並最終得到一個變頻器的工作頻率，達到控制電機轉速，從而達到有效節能是本發明的難點。它可以用軟體方式實現，也可以採用硬體的方式實現。圖2顯示的是一種軟體處理方式(用硬體實現的方式見後述)。圖2中的信號處理裝置及變頻器為華為電氣公司設計生產的TD2000交流變頻器，利用它本身具有的2路標準模擬通道(0～10V)和8個多功能輸入端子來接收信號採集裝置1輸出的模擬量和開關量電平信號。其中該TD2000型變頻器的核心控制軟體中就有信號處理部分。此種方式得到合適的變頻器工作頻率的方案最為簡潔有效且成本低，圖4為根據信號採集裝置1輸出信號合成處理後得到合適的變頻器工作頻率的核心思想。
如圖4所示，構造變頻器輸出頻率函數的關鍵算法思路如下一、不加「其它信號」輸入的算法(即只有壓力比例調節信號P、流量比例調節信號Q)1．採樣壓力比例調節信號P，流量比例調節信號Q經過兩路信號採集裝置1輸出的0～10V信號Px，Qx；2．確定工藝流程中壓力比例調節信號P，流量比例調節信號Q實際最大值與最小值Pmax，Pmin，Qmax，Qmin；
3．計算Px,Qx對應所需的變頻器輸出頻率Fp，FqFp=(Pmax-Pmin)*50/PxFq=(Qmax-Qmin)*50/Qx4．計算最終變頻器輸出的頻率FF=a*Fp+b*Fq，其中a＜=1，b＜=1，a+b=1二、加入「其它信號」輸入的算法1～3步驟同上，上面第4步由以下替換採樣信號採集裝置1的編碼電平信號(A，B，C，D…)，根據各個工藝段調整修正步驟3得到的頻率Fp，Fq得到更加優化的輸出頻率F′(多段函數，對應不同的工藝段A、B、C、D……)a1*Fp+b1*Fq， 其中a1＜=1，b1＜=1，a1+b1=1，信號Aa2*Fp+b2*Fq，其中a2＜=1，b2＜=1，a2+b2=1，信號BF′= a3*Fp+b3*Fq，其中a3＜=1，b3＜=1，a3+b3=1，信號Ca4*Fp+b4*Fq，其中a4＜=1，b4＜=1，a4+b4=1，信號D其中，a，b，a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4．．．的值可以根據實際情況人為設置或用過自適應算法計算得。
在這裡特別要提到，在基於變頻調速的注塑機節能方案中並不是一定要求使用華為電氣公司的TD2000變頻器，圖2中的TD2000也可以用其它公司的變頻器產品替代。如果使用其它公司的變頻器產品，除了上述修改變頻器核心軟體的到合適的變頻器工作頻率這種軟體方案以外，還有硬體方案可以實現上述目的。
用硬體構造的信號處理裝置也可將信號採集裝置1輸出的信號合成處理為變頻器可以接收的頻率設定信號。變頻器會根據此信號給使電機運轉於相應的工作頻率和轉速。而合成處理過程的核心思想已在流程圖4表明，就不再複述。
本發明在深圳某家大型注塑機製造和使用廠家做過充分的試驗。試驗機型為該廠自行生產的注塑機EA80，其電機功率為11KW。
實驗結果表明，無節能器試驗每小時耗電量為3.643度/小時；有節能器試驗每小時耗電量為2.042度/小時。安裝節能器後的節電效果為(3.643-2.042)/3.643=43.9％。
節能改造後，未出現爆盤、黏磨問題，經長時間試驗運行，產品符合工藝要求，對工藝時間亦無影響；且節能器安裝簡便、工作可靠；從試驗數據看節能效果極其顯著。考慮到廣泛適用性，單機節能效果在30％～40％之間。
權利要求
1.一種注塑機節能變頻器，接於工頻電源和注塑機電機之間，其信號輸入端與注塑機工作狀態和工藝參數信號相連；它包括整流器、逆變器、控制裝置及檢測裝置，控制裝置控制逆變器所輸出的交流電的頻率；其特徵是其內部增設有信號處理裝置，在信號處理裝置中有頻率計算裝置，該頻率計算裝置用於根據輸入的注塑機信號計算出變頻器的頻率值(F)，並將該頻率值(F)輸入到控制裝置，以控制變頻器中逆變器所輸出交流電的頻率，進而控制注塑機電機的轉速。
2.如權利要求1所述的注塑機節能變頻器，其特徵是還包括信號採集裝置(1)，所述信號採集裝置(1)的輸入端與注塑機的壓力流量比例調節閥相連，用於輸入壓力流量比例調節閥的壓力比例調節信號(P)和流量比例調節信號(Q)；所述信號採集裝置(1)包括依次相連的信號隔離電路(11)、整形濾波電路(12)、限幅調整電路(13)。
3.如權利要求1或2所述的注塑機節能變頻器，其特徵是所述信號採集裝置(1)的輸入端至少還與注塑機的下述信號之一相連限位開關信號、觸控螢幕輸出信號、中央處理器(CPU)板的輸出信號。
4.如權利要求1或2所述的注塑機節能變頻器，其特徵是還包括信號採集裝置(1)，連接於信號處理裝置與所輸入的注塑機工作狀態和工藝參數信號之間；所述信號採集裝置(1)包括依次相連的信號隔離電路(11)、整形濾波電路(12)、限幅調整電路(13)。
5.如權利要求3所述的注塑機節能變頻器，其特徵是還包括信號採集裝置(1)，連接於信號處理裝置與所輸入的注塑機工作狀態和工藝參數信號之間；所述信號採集裝置(1)包括依次相連的信號隔離電路(11)、整形濾波電路(12)、限幅調整電路(13)。
6.一種注塑機節能方法，其特徵是包括以下步驟接收注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號；根據輸入的信號計算出變頻器的頻率值(F)；將頻率值(F)控制變頻器的輸出頻率值並進而控制注塑機電機的轉速。
7.如權利要求4所述的注塑機節能方法，其特徵是所輸入的注塑機工藝參數設置和工作狀態信號是注塑機上的壓力流量比例調節閥的壓力比例調節信號(Px)和流量比例調節信號(Qx)；根據輸入的信號計算出變頻器的頻率值(F)的方法如下式Fp=(Pmax-Pmin)*50/PxFq=(Qmax-Qmin)*50/QxF=a*Fp+b*Fq其中a＜=1，b＜=1，a+b=1，a、b的值是事先人為設定的或用過自適應算法計算的；Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分別為整個工節流程中壓力比例調節信號(P)和流量比例調節信號(Q)的最大值和最小值。
8.如權利要求4所述的注塑機節能方法，其特徵是所輸入的注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號是注塑機上的壓力流量比例調節閥的壓力比例調節信號(Px)和流量比例調節信號(Qx)，以及下述信號中至少一種限位開關信號、觸控螢幕輸出信號、中央處理器(CPU)板的輸出信號；根據輸入的信號計算出變頻器的頻率值(F)的方法根據不同的工藝段而不同，如下式Fp=(Pmax-Pmin)*50/PxFq=(Qmax-Qmin)*50/Qx對於第一工藝段F=a1*Fp+b1*Fq，其中a1＜=1，b1＜=1，a1+b1=1，對於第二工藝段F=a2*Fp+b2*Fq，其中a2＜=1，b2＜=1，a2+b2=1，對於第三工藝段F=a3*Fp+b3*Fq，其中a3＜=1，b3＜=1，a3+b3=1，對於第四工藝段F=a4*Fp+b4*Fq，其中a4＜=1，b4＜=1，a4+b4=1。其中a1，b1，a2，b2，a3，b3，a4，b4…的值可以根據實際情況人為設置或用過自適應算法計算得到，Pmax、Pmin、Qmax、Qmin分別為整個工節流程中壓力比例調節信號(P)和流量比例調節信號(Q)的最大值和最小值。
全文摘要
本發明公開一種注塑機節能變頻器及節能方法,在普通變頻器中用軟體或硬體方式增加一個信號處理裝置,該裝置接收注塑機的工藝參數設置和工作狀態信號,計算出變頻器的頻率值,並用該頻率值控制變頻器輸出到電機的頻率。本裝置和方法可在非極端要求情況下適當降低電機的運轉速度,保證了注塑機的正常生產,又有效地節約了電能。
文檔編號B29C45/76GK1294968SQ0013288
公開日2001年5月16日 申請日期2000年11月7日 優先權日2000年11月7日
發明者姜仲文, 齊勇 申請人:深圳市華為電氣技術有限公司