伺服电机用在注塑机中的节能效果王荣岳摘要：工矿企业中大量使用电机，但是实际工作中又不需要电机通电后始终定速转动做工。
把电机固定的按时转动转变为按需转动，即需要转动时则动，不需要时则停；需要高速转动则快，否则即慢。
本文介绍把伺服电机控制系统用在注塑机的电液控制中获得的节能、精密、高效结果。
关键词：实际工况、伺服电机能耗、实际使用结果一、引言在工业企业中，电机是采用得非常广泛的动力源，电机的耗电占了总用电量的相当大的比例，所以电机的节电是节能的一个主攻方向。
目前工矿企业中，用得最多的是传统的交流异步电机。
但在实际使用中，并不需要电机永远按固定转速运转。
例如：电机拖动水泵提供自来水，若用固定流量水泵，深夜用水量很小，会造成水压很高，其实用户根本不需要那么高的水压（往往还引起半夜水管爆裂），我们就采取变频办法，让水泵的供电频率随需要而改变，从而实现了节电；用电机鼓风来升高炉温，当炉温已到要求，不必用传统的关闭风门阻止温升，采用变频办法使电机鼓风转速下降，从而节省了电力，等等。
这些措施已经和正在被广泛的采用，取得了很好的效果。
近期，伺服电机也在工业企业的产品中逐步替代了传统的交流异步电机。
我们用了一年多时间，用伺服控制系统改造传统的采用三相交流异步电机的注塑机，这种先进的伺服控制系统，产生了较为满意的节能效果。
二、现状我们知道，传统的异步电机为了转动所需的磁场是由交流电通过电机的定子线圈所建立的，也就是说建立该磁场必须耗费一定的电能。
如果改变电机建立磁场的方法就有可能节约这部分能量。
我们来研究注塑机的工况。
注塑机完成一个注塑周期，一般需要以下主要工序：锁模、射胶、保压、溶胶、冷却、开模、顶针（顶出、顶回）。
传统的注塑机一旦通上电源，不管是进入哪道工序，交流异步电机都按固定的转速运转。
（目前注塑机采用六极或四极两种电机，六极型定子转速１０００转，转子转速９７０￣９８０转；四极型定子转速１５００转，转子转速１４５０转左右。
）遇到不需要动作的工序（如保压、冷却等），电机照样带动油泵定速运转。
由于不需要动作，液压油只能通过安装在阀板上的溢流阀溢出后返回油箱，做无谓循环流动。
这不仅浪费了电力资源，而且由于液压油的不断无功流动使油温升高，对油泵和整个液压系统的使用寿命都会受到影响。
传统注塑机开始工作前：操作人员根据经验在电脑系统中对每个工序设置指令，通电后，电脑根据每个工序的指令输出两个信号：压力信号和流量信号。
在油泵不断提供具有足够油压的油路中，压力和流量信号指挥着执行机构——阀门关闭或开启，并且适时改变液压油流动的方向和大小，从而完成每个预先设置的动作。
压力的单位为每平方厘米上的千克力——Ｋｇｆ／ｃｍ２（（也可用Ｍｐａ为单位，１Ｍｐａ近似等于１ ０Ｋｇｆ／ｃｍ２），，一般注塑机的最高压力是１４０－１６０ Ｋｇｆ／ｃｍ２；流量的单位是每分钟流过多少升油——Ｌ／ｍｉｎ，流量大小决定了注塑机的加工能力大小，通常每道工序的流量用最大流量的百分数来设置。
注塑的整个过程中，就用这两个信号来完成所需动作。
即每一道工序都有相应的压力和流量的设置。
注塑机各工序的流量、压力的一个典型循环见下图。
从图中可以看出，注塑机加工产品周期里，用到最高压力或最大流量的环节并不多。
绝大多数时间都处在平均值，甚至很低值。
以下我们用黄岩某厂一台注塑机为实例进行测试并分析结果。
该注塑机锁模力为２５０吨，其最高压力为１４０ Ｋｇｆ／ｃｍ２；最大流量为１６０Ｌ／ｍｉｎ，用它加工管件接头三通，材料是ＰＰ－Ｒ。
每道工序的参数设定见上表。
以上数据可见：没有哪个工序同时用到最高压力和最大流量的。
三、改造１、用伺服电机取代交流异步电机 由于交流异步电机的磁场由交流电通过电机定子线圈产生的，要耗费电能。
我们采用伺服电机来代替。
在注塑机电液系统用的伺服电机是交流永磁同步电机。
它的磁场是电机转子上固定的强磁材料钕铁硼产生的，没有转子电流，功率因素高，定子电流和定子损耗小。
因此，光更换一个电３、选择电机规格在伺服控制注塑机中，油泵输出的液压油的压力和流量可以被控制到按预设的曲线快速连续变化。
油泵是注塑机油路的驱动部件，油泵的输出功率取决于要求输出的油压以及输出的流量，其计算可见下式：Ｐ ＝ Ｆ Ｑ ／ ６０Ｐ——油泵的输出功率，单位：ＫＷ；Ｆ——油泵输出的最高油压，单位：Ｍｐａ（兆帕）Ｑ——油泵的最大流量，单位：Ｌ／ｍｉｎ。
以上述黄岩某厂该台注塑机为例，计算如下该机的油泵最大输出功率是３７．３千瓦。
设油泵的效率为９０％，需要电机的最大输出功率为４１．４千瓦。
由于泵的最大流量是１６０升／分钟，电机的转速是２０００转／分钟，因此，我们选用的油泵是排量为８０ｃｃ／ｒｅｖ （每转８０毫升流量）的日本住友泵。
电机的输出功率取决于电机提供的转矩以及电机的转速。
具体计算如下：Ｐ０ ＝ Ｎ Ｔ ／ ９５５０Ｐ０——电机的输出功率，单位：ＫＷ；Ｎ——电机的转速，单位：Ｒ／ｍｉｎ；Ｔ——电机的转矩，单位：Ｎｍ。
因为伺服电机的过载能力大，其最大功率超过额定功率的２倍，以上算出的电机需输出的最大功率是４１．４千瓦，实际电机额定功率只需要最大功率的一半。
我们选用２２千瓦的国产电机，可以算出它的转矩是１０５牛米。
完全可以满足要求。
四、实例经过实际改装，并对改装前后的用电情况进行了测试，具体数据如下：制品的加工周期：１０９．８秒；日工作时间：２４小时；日产７５０模１５００件；包括电热用电量，改造前日耗电量：２８７度；改造后日耗电量：１２７．２度。
剔除电热用电量，改造前日耗电量：２５７度；改造后日耗电量：９７．２度。
节电效果达到５５％以上。
该套系统总价格为４０８９０元，电费按平均０．８元／度计算，每天可以节约１２７．８元。
仅从节约用电上计算３２０ 天即可收回投资。
何况算上提高精度和效率上，收回下图是伺服电机控制系统方框图机，就可以节约电能５％－１０％。
当然，由于伺服电机的最大输出力矩与转子惯量的比值与异步电机相比要大得多，因此，动态性能更优越。
２、用双闭环来实现跟踪控制为了达到按需供电，必须对注塑机电脑设定的信号进行检测，同时由伺服电机控制系统根据检测结果对机器进行实时控制。
压力信号对应的是电机的力矩；流量信号对应的是电机的转速。
我们通过安装在油泵输出口上的压力传感器，检测出油路的压力，同时把该数椐立即反馈到伺服控制系统；伺服电机中的旋转变压器则可提供准确的转速即流量，同样反馈到伺服控制系统，他们与预先设置的压力信号、流量信号相比较，找出他们的差异，伺服控制器中的高速ＤＳＰ运用各种控制算法，生成对伺服电机的控制信号，并通过ＩＧＢＴ模块驱动伺服电机 ，从而实现对压力和流量的双闭环控制。
投资时间还可缩短。
分析：由于该产品冷却时间比较长，有６８秒，扣除溶胶时间（该两个动作同时进行），纯冷却时间也有５３．３秒，占总周期１０９．８秒的４８．５％。
在这段时间里，压力、流量都设置为０，理论上讲是不耗电的，（流量为０时，电机的转速为０，电机的消耗功率就为０，）其他如：射胶、保压、溶胶等工序，流量要求大时，压力不高；压力要求高时，流量很小。
这些都反映在电机输出功率的减小，反映在节电上。
五、其他除了节电的直接效应外，采用伺服控制系统控制注塑机还有很多其他优点。
优点一：制品精度提高。
由于在伺服电机中采用旋转变压器，电机每一转有４０９６个脉冲输出，可以对转速进行精密控制，即对流量进行闭环控制；又在油泵的输出口上采用年来，宁波市在节能推广和清洁生产审核中积极推广使用Ｓ１１系列型号变压器，淘汰Ｓ７系列型号变压器。
２００９年中国（宁波）节能环保技术与产品博览会上，Ｓ１５系列型号变压器也已推出。
如能全面采用非晶合金变压器取代Ｓ７、Ｓ９系列型号变压器，则全市至少能节电约３亿ｋＷｈ，直接节电经济效益约１．８亿元。
五、举例宁波万达金属制品实业有限公司在２００７年清洁生产审核中，采用先进的非晶合金铁心Ｓ１１－Ｍ－５００／１０型号变压器淘汰Ｓ７－２５０／１０型老式变压器，投入资金１０．６０万元，年可节电约４．２万ｋＷｈ，节省电费约３．９８万元。
宁波针织衫厂在２００８年清洁生产审核工作中，采用节能的Ｓ１１－Ｍ－５００／１０型号变压器淘汰了Ｓ７－５００／１０型老式变压器，投入资金１０万元，年可节电约３．９万ｋＷｈ，节省电费约３．７万元。
宁波正大农业有限公司在２００８年清洁生产审核中，采用Ｓ９－Ｍ－１０００／１０型号变压器淘汰了老旧的Ｓ７－１０００／１０型号变压器，投资约１０万元，年可节电１．２５万ｋＷｈ，节省电费约１万元。
宁波东腾纸业有限公司在２００７年清洁生产审核中，采用二（上接３１页）了压力传感器来反馈压力信号，使得注塑机的压力也处在闭环控制状况；即“双闭环”控制。
比起传统的开环系统其精度明显提高，尤其在要求很高的制品中得到充分体现。
我们在一家加工手机ＬＣＤ围框的台资企业中，用了伺服电机控制系统，产品合格率从原来传统机的４５％提高到８５％（该产品壁厚只有０．２毫米，面积较大）。
优点二：制品加工效率提高。
由于伺服电机的响应速度非常快，从０开始达到额定压力或流量只需要０．１秒。
我们在实验时采用假负载，伺服电机转速从０转到２５００转仅需３６毫秒。
这就反映在没有时间要求的工序中，伺服电机的完成目标时间比传统机减少。
我们对一台采用机械手的自动注塑机进行改造后测得：原来传统机的某一产品加工周期为２０秒；改造后，同样产品、同样设置的参数，加工周期减小到１８秒。
（整个加工周期中，可以设置时间的只有射胶、保压和冷却三道工序，其他工序只要压力或流量达到设置值就结束该工序。
）提高精度和提高效率节约的费用往往会超过节电的费用。
六、结论综上所述，伺服电机系统在节能中可以起到重要的作用，凡是使用传统交流异步电机的地方，如果需要变按时工作为按需工作的场合、需要精确控制位置的场合、需要快速定位的场合都可以考虑采用伺服电机控制系统，因为它具有节能、精密、高效的三大优点。
在能源紧张、市场竞争日趋激烈的今天，节约能源、提高效率、提高产品质量从而降低企业成本当然是我们所追求的目标。
（作者单位：宁波沃伏龙动力科技有限公司）台Ｓ１１－Ｍ－１６００／１０型号变压器淘汰了二台老旧的ＳＪ－３２０型变压器，年可节电约２４万ｋＷｈ，节省电费约１８万元。
宁波恒大印染有限公司在２００８年清洁生产审核中，采用Ｓ１１－ＭＲ－１０００／１０型节能变压器淘汰了老旧的Ｓ７－４００／１０型号变压器，投资１４．４万元，年可节电约７万ｋＷｈ，节省电费约５．２万元。
宁波华力斯化学工业有限公司在２００６年清洁生产中，用Ｓ９－Ｍ－６３０／１０型号变压器淘汰了老旧的Ｓ７－４００／１０型号变压器，年可节电０．８万ｋＷｈ，节省电费约０．６万元。
（作者单位：宁波市节能技术服务管理中心）。
