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            注塑機伺服電機如何節能

            注塑機伺服電機如何節能

            注塑機伺服電機如何節能


            除了塑料以外,電費是注塑成品的很大成本,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di一定律: 熱力學的di一定律就是能量守衡。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50 Hz 的供電為例,磁場以1500 rpm 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20~60 rpm,故稱為異步(非同步)電機。


            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。

            伺服電機

            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,估計不會超過油泵流量的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較大的流量,而且是在異步電機恒速轉動下能提供的。


            較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。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50 Hz變為5 ~ 50 Hz,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


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