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案例頻道－、流量及壓力控制方式分析
在塑機(jī)的液壓系統(tǒng)中，液流的流量、壓力和方向是最基本的控制量，其中流量和壓力直接決定了系統(tǒng)的輸出功率和成型工藝。
按照對(duì)工作流量和壓力的不同要求，可將塑機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)分為流量控制狀態(tài)和壓力控制狀態(tài)。流量控制狀態(tài)以穩(wěn)定控制工作回路中的流量并使之達(dá)到塑機(jī)的設(shè)定值為目的，而工作回路中的壓力將小于塑機(jī)設(shè)定壓力，塑機(jī)的快速鎖模、射膠、溶膠等階段都屬于該狀態(tài)。壓力控制狀態(tài)以穩(wěn)定控制工作回路中的壓力為目的。在該狀態(tài)下，工作壓力接近或等于塑機(jī)設(shè)定壓力，而實(shí)際工作流量很小，如塑機(jī)的高壓鎖模及保壓階段等，系統(tǒng)過(guò)載、油缸推力不足時(shí)也屬于該狀態(tài)。
如圖一，該系統(tǒng)采用定量泵供油，油泵轉(zhuǎn)速n及油泵排量Vb都不可調(diào)，其油路中的各流量及壓力分別為：
油泵流量Qb＝Vb×n為定值；
油泵壓力Pb由比例溢流閥設(shè)定；
工作流量Q1由比例調(diào)速閥設(shè)定；
工作壓力P1＝F/A1取決于工作負(fù)載F；
A1：油缸無(wú)桿腔活塞面積 F：工作負(fù)載 Q1：工作流量 P1：工作壓力
△p：比例調(diào)速閥兩端的壓力差 Qy：比例溢流閥流量 Pb：油泵壓力
Qb：油泵流量 Vb：油泵排量 n：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
l 流量控制狀態(tài)
系統(tǒng)在流量控制狀態(tài)時(shí)，因油泵流量Qb＝Vb×n為定值，除一部分流量Q1經(jīng)比例調(diào)速閥進(jìn)入工作回路外，其余流量Qy都經(jīng)比例溢流閥排回油箱。
l 壓力控制狀態(tài)
系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時(shí)，因工作流量Q1極小，油泵流量Qb＝Vb×n的絕大部分都要經(jīng)比例溢流閥流回油箱，以此維持油泵壓力Pb達(dá)到設(shè)定值，能量浪費(fèi)巨大。
可以看到，傳統(tǒng)的定量泵油路系統(tǒng)必會(huì)存在節(jié)流及溢流能量損失，用公式表示為：
△P×Q1＋Pb×Qy （參見(jiàn)圖二）
上述能量損失的原因究其本質(zhì)有兩個(gè)，即流量不適應(yīng)——過(guò)多的流量流入了油路系統(tǒng)；壓力不適應(yīng)——供油壓力大于工作壓力，以補(bǔ)償比例調(diào)速閥的節(jié)流壓降。
1． 變頻注塑機(jī)
如圖三，該系統(tǒng)采用矢量變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)及定量泵，取消了傳統(tǒng)油路中的比例調(diào)速閥及比例溢流閥。油路中的調(diào)速功能由矢量變頻器直接控制電機(jī)及油泵轉(zhuǎn)速來(lái)完成，而壓力控制由壓力傳感器和變頻器的構(gòu)成閉環(huán)PID功能來(lái)完成。因此，變頻器的頻率給定信號(hào)以塑機(jī)流量及壓力信號(hào)為準(zhǔn)。另外，根據(jù)產(chǎn)品工藝及成本控制的需要，電機(jī)可選用加裝速度編碼器的普通電機(jī)或變頻專用電機(jī)。
圖三 油路系統(tǒng)原理圖
A1：油缸無(wú)桿腔活塞面積
Pb：油泵壓力
n：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
F：工作負(fù)載
Qb：油泵流量
流量控制狀態(tài)
當(dāng)油泵流量Qb接近或達(dá)到塑機(jī)的設(shè)定值時(shí)，油路系統(tǒng)進(jìn)入流量控制狀態(tài)，變頻器的輸出頻率與塑機(jī)的流量設(shè)定值成正比。在此過(guò)程中，油泵流量Qb＝Vb×n始終與工作回路的需要相適應(yīng)，無(wú)需比例閥調(diào)速，也沒(méi)有多余流量溢出，可從根本上消除節(jié)流及溢流能量損失。
需指出的是，在傳統(tǒng)定量泵油路中（參見(jiàn)圖一），系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時(shí)，油泵壓力Pb必定大于工作壓力P1，它們之間需要產(chǎn)生足夠壓力差△P來(lái)驅(qū)動(dòng)比例調(diào)速閥工作，這是調(diào)速閥的工作特性。而變頻注塑機(jī)是通過(guò)調(diào)節(jié)油泵轉(zhuǎn)速直接控制油泵流量，而油泵壓力Pb取決于工作負(fù)載，即Pb＝ F/A1。由此，負(fù)載需要多少流量、壓力，油泵就相應(yīng)輸出多少，實(shí)現(xiàn)了負(fù)載自適應(yīng)控制，無(wú)能量損失。
l 壓力控制狀態(tài)
如下圖四，變頻器控制系統(tǒng)配備一塊智能轉(zhuǎn)換卡，可根據(jù)注塑機(jī)壓力反饋值的大小，自動(dòng)轉(zhuǎn)換塑機(jī)的流量控制及壓力控制狀態(tài)。當(dāng)油泵壓力Pb接近或達(dá)到塑機(jī)設(shè)定值時(shí)，油路油路進(jìn)入壓力控制狀態(tài)，這時(shí)仍用流量設(shè)定值來(lái)控制變頻器頻率顯然是不合適的。
變頻器將通過(guò)壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控到這一壓力變化，并與塑機(jī)的壓力設(shè)定值做比較。當(dāng)它們差值很小時(shí)，變頻器的智能轉(zhuǎn)換卡會(huì)及時(shí)將變頻器切換到壓力控制狀態(tài)。此時(shí)，變頻器的輸出頻率將與該壓力差值成正比。因差值很小，變頻器的輸出頻率及電機(jī)轉(zhuǎn)速將迅速降低，油泵僅維持很小的流量輸出，以彌補(bǔ)油路中的各種泄漏損失，并通過(guò)PID功能保持系統(tǒng)壓力恒定。
圖四 變頻器智能轉(zhuǎn)換卡原理圖
1． 變量泵注塑機(jī)
目前，變量泵注塑機(jī)多采用比例變量泵作驅(qū)動(dòng)元件，屬于典型的容積式調(diào)速系統(tǒng)，相比傳動(dòng)定量泵注塑機(jī)有較明顯的節(jié)能效果。如圖五，該系統(tǒng)由負(fù)載敏感型比例變量柱塞泵、比例溢流閥、比例調(diào)速閥、壓力反饋閥、流量反饋閥等部分組成。
圖五 油路系統(tǒng)原理圖
A1：油缸無(wú)桿腔活塞面積 F：工作負(fù)載 P1：工作壓力 Q1：工作流量
△P：比例調(diào)速閥兩端的壓力差 Pb：油泵壓力 Qb：油泵流量 n：電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速
l 流量控制狀態(tài)
系統(tǒng)處于流量控制狀態(tài)時(shí)，油泵壓力Pb大于工作壓力P1且小于塑機(jī)設(shè)定壓力，比例溢流閥將可靠關(guān)閉。當(dāng)負(fù)載變化時(shí)，Pb與P1之間的壓力差△P會(huì)有相應(yīng)波動(dòng)，并使工作流量Q1發(fā)生變化。以上變化通過(guò)流量、壓力反饋閥傳遞給變量泵的調(diào)整活塞。活塞隨之推動(dòng)柱塞泵斜盤并改變油泵排量，最終穩(wěn)定泵的輸出流量Qb。由此看出，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了壓力自適應(yīng)控制，基本上沒(méi)有溢流損失，但為了控制工作流量Q1，調(diào)速閥上仍存在一定節(jié)流損失。
l 壓力控制狀態(tài)
系統(tǒng)處于壓力控制狀態(tài)時(shí)，變量柱塞泵的斜盤傾角很小，僅有少量的液壓油流過(guò)比例溢流閥，保證形成一定的系統(tǒng)壓力。通過(guò)改變比例溢流閥的輸入信號(hào)，就可以得到相應(yīng)的油泵輸出壓力。比起傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)，該控制方式在一定程度上減小了溢流損失。
通過(guò)以上三種控制方式的分析可以看出：
（1）傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)存在著相當(dāng)嚴(yán)重的能源浪費(fèi)情況。據(jù)以往統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，其最高工作效率不會(huì)超過(guò)40％，對(duì)這種注塑機(jī)的節(jié)能改造勢(shì)在必行；
（2）變量泵注塑機(jī)是從液壓元件的角度出發(fā)，挖掘油路上的節(jié)能改造空間，從而提高了油路系統(tǒng)的工作效率。但受其控制方式限制，該系統(tǒng)不能完全消除節(jié)流、溢流損失。
（3）變頻注塑機(jī)從電氣控制的角度出發(fā)，從調(diào)速方式上改造傳統(tǒng)油路，利用現(xiàn)代電控系統(tǒng)精確、快速、可靠的特點(diǎn)，可從源頭上消除節(jié)流損失并減少溢流算損失。
二、系統(tǒng)響應(yīng)及加速過(guò)程分析
以上三種系統(tǒng)的控制方式差異較大，也決定了它們對(duì)指令的響應(yīng)速度有快有慢。下文將對(duì)此方面作出具體分析。
如圖六，比例調(diào)速閥的流量Q是由閥兩端的壓力差△P建立起來(lái)的。顯然，壓力差△P越大，其油路加速就越快。又由圖七，比例溢流閥的壓力P是隨著溢流Q的增大而提高的。由此得出結(jié)論：在同樣設(shè)定下，溢流量越多，調(diào)速閥兩端的壓力差就越大，加速也就越快。很明顯，定量泵的溢流量總會(huì)大于變量泵，其調(diào)速閥兩端的壓力差△P也要大些。所以，同樣設(shè)定下，定量泵系統(tǒng)要比變量泵系統(tǒng)加速快，承受負(fù)載的能力更強(qiáng)。
對(duì)變頻注塑機(jī)來(lái)說(shuō)，因?yàn)楸壤{(diào)速閥取消，工作負(fù)載通過(guò)液壓油直接傳遞到泵體上，其系統(tǒng)加速過(guò)程主要由變頻器和電機(jī)的加速性能決定。英威騰電氣有限公司生產(chǎn)的CHV系列矢量變頻器具有輸出轉(zhuǎn)矩大、響應(yīng)快等特點(diǎn)。變頻器在PG矢量控制狀態(tài)下0轉(zhuǎn)速仍有180%的額定轉(zhuǎn)矩輸出，而變頻器完全建立額定轉(zhuǎn)矩的時(shí)間只需0.1秒。另外，矢量變頻技術(shù)的一個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)就是可使電機(jī)獲得較硬的機(jī)械特性，這使電機(jī)在負(fù)載突變時(shí)仍能保持相應(yīng)的轉(zhuǎn)速。根據(jù)我公司以往的無(wú)PG矢量變頻器在注塑機(jī)節(jié)能工程上的應(yīng)用表明，改造后的系統(tǒng)加速性能和改造前的定量泵系統(tǒng)不差上下。
由上得出，三種控制系統(tǒng)中，傳統(tǒng)定量泵注塑機(jī)、變頻注塑機(jī)的系統(tǒng)加速性能及承受負(fù)載能力要優(yōu)于變量泵系統(tǒng)，其產(chǎn)品成形周期也要短些。
三、節(jié)電率分析
無(wú)論是變量泵注塑機(jī)還是變頻注塑機(jī)，都是為了改變傳統(tǒng)定量泵塑機(jī)能耗大、效率低的缺點(diǎn)而發(fā)展起來(lái)的，因此節(jié)電率是比較兩個(gè)系統(tǒng)優(yōu)劣的至關(guān)重要的參數(shù)。若油泵的輸出流量、輸出壓力、排量、轉(zhuǎn)速分別表示為Q、P、Vb、n，則油泵的輸出功率N用公式表示為：
N = Q*P = Vb*n*P
由前面的分析可知，變量泵塑機(jī)是通過(guò)改變油泵排量Vb節(jié)省能耗，變頻注塑機(jī)則是通過(guò)改變油泵轉(zhuǎn)速n達(dá)到節(jié)能目的。
通過(guò)變頻器的閉環(huán)矢量調(diào)速功能，變頻注塑機(jī)的油泵轉(zhuǎn)速n可實(shí)現(xiàn)0到額定轉(zhuǎn)速之間線性調(diào)節(jié)范圍，尤其是在塑機(jī)待機(jī)及無(wú)動(dòng)作情況下（如冷卻階段），電機(jī)及油泵轉(zhuǎn)速可降至0，基本無(wú)能耗損失。值得注意的是，油泵在低轉(zhuǎn)速時(shí)的容積效率會(huì)下降，這在一定程度上會(huì)影響了節(jié)電效果。對(duì)此，我們將通過(guò)提高變頻器低頻增益的方法來(lái)改善這種情況。而且，實(shí)際生產(chǎn)中流量低于20％的情況是極少的，所以油泵轉(zhuǎn)速也不可能出現(xiàn)過(guò)低的情況。
變量泵注塑機(jī)是通過(guò)機(jī)械裝置調(diào)整油泵排量Vb的，顯然其可調(diào)節(jié)的線性范圍有限，不能實(shí)現(xiàn)零排量輸出。且任何情況下，電機(jī)都是全速運(yùn)轉(zhuǎn)，有很多無(wú)謂的能量損失。從我公司的一些塑機(jī)節(jié)能改造實(shí)例來(lái)看，對(duì)變量泵塑機(jī)進(jìn)行變頻節(jié)能改造仍會(huì)有5%～20%的節(jié)電率。由此可見(jiàn)，變頻注塑機(jī)的節(jié)電率要高于變量泵注塑機(jī)。
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