凹版印刷机能耗特性分析

第２２卷第２期　Ｖｏ１．２２　Ｎｏ．２　北京印刷学院学报　

Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｂｅｉｊｉｎｇ　Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｇｒａｐｈｉｃ　Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ　２０１４年４月　

Ａｐｒ．２０ｌ４　

凹版印刷机能耗特性分析　孙万杰，王仪明，李　艳，朱　强，金　林　（北京印刷学院机电工程学院，北京１０２６００）　

摘　要：为了对凹版印刷机的能耗进行测试与分析，根据　不同机构的能耗特性，将能耗机构分为与“印刷相关”和与　“印刷无关”两个部分，建立凹版印刷机集成能耗模型，并　在此基础上，引入开关函数和常量来描述与“印刷无关”部　分的能耗，用功率平衡方程计算“印刷相关”部分能耗。使　用功率仪测量变频器的三相电源接入端的功率，并通过计　算机对数据进行滑动平均滤波处理。经过实验验证，最终　得出凹版印刷机各机构的能耗分布图，结果表明，干燥系　统是凹版印刷机耗电最大的装置。　关键词：凹版印刷机；能耗测试；能耗分布　中图分类号：ＴＳ８３５　文献标志码：Ａ　文章编号：１００４—８６２６（２０ｌ４）０２　０４３—０４　

收稿日期：２０１３—１１－２１　基金项目：国家科技支撑计划项目（２０１２ＢＡＦ１３Ｂ０５）；２０１３首都　设计提升计划项目资助（Ｚ１３１１１００００２１３１１９）；北京印刷学院校级重　点资助项目（２３１９０１１２０２９）；北京市教育委员会市属高校创新能力　提升计划项目资助（ＴＪＳＨＧ２０１３１００１５０１６）；北京印刷学院一般项目　（Ｅ．ｂ　２０１２．２９）　

ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅａｃｈ　ｍｅｃｈａｎｉｓｍ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｓｈｏｗ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｍｏｓｔ　ｐｏｗｅｒ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｕｎｉｔ　ｉｓ　ｄｒｙｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇｒａｖｕｒｅ　ｐｒｉｎｔｉｎｇ　ｍａｃｈｉｎｅ；ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ；ｅｎｅｒｇｙ　ｃｏｎｓｕｍｐｔｉｏｎ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　

进入２１世纪后，绿色环保是人们非常关注的　问题，随着科学技术的进步，绿色印刷也开始走进　人们的视野，我国从２０１０年开始推行绿色印刷理　念和绿色认证　。随着人们生活水平的提高，对　印刷过程中的节能减排和能耗控制的要求也越来　越高　，２０１２年，我国印刷行业因实施节电、节水、　节墨、节纸等环保措施，能耗及印刷材料损耗综合　成本减少约５亿元　。凹版印刷机广泛应用于食　品、烟酒等产品的包装印刷。本文从凹版印刷机实　际印刷时所消耗的电能人手，通过功率仪测量凹版　印刷机各耗电部件的功率，进行分析研究，得出凹　版印刷机的能耗分布，为凹版印刷机绿色印刷标准　的建立提供依据　。　

１　凹版印刷机能耗系统分析　１．１　凹版印刷机能耗部件简介　凹版印刷机能耗部件较多，包括各电机、空气　压缩机、加热和冷却部件，凹版印刷机的能耗部件　如图１所示。放卷和收卷部各有一个减速电机，版　面风机、调版电机、冷风机、干燥箱的数量与印刷机　的色组数一致，每个干燥箱包括一个热风机和一个　排风机。　

干燥箱调版电机　

图１　凹版印刷机能耗部件图　

～　一一　一～一～一～一一～一～一～一一一～一一～４４　北京印刷学院学报　凹版印刷机能耗　“印刷相关”　“印刷无关”　主传动系统ｌ　ｌ放卷系统ｌ　ｌ张力控制系统ｌ　Ｉ收卷系统Ｊ　Ｉ干燥系统Ｉ　ｌ冷却系统ｌ　ｌ排风系统ｌ　ｌ辅助系统　嘉　Ｉ　

料卷从放卷机构连续放卷，由放卷电机和减速　电机提供动力和制动力，先经过预热箱到牵引机　构，牵引张力由牵引电机控制，接着进入印刷部，各　印刷部印版的动力由同一个主电机通过主轴提供，　印刷时可根据实际情况来选择是否打开版面风机，　印版的调节由调版电机控制，每个印刷色组的干燥　箱均有一个热风机和排风机，根据加热方式的不　同，干燥箱可分为３种，电阻丝加热方式、热油加热　方式、蒸汽加热方式，加热干燥后要经过冷却才能　进入下一色组的印刷，冷却机构一般由水泵和冷风　机组成，最后进入收卷机构。除了各机构的电机，　凹版印刷机的耗能部件还包括照明、电源和变频器　驱动等。　１．２　凹版印刷机能耗系统　从图１可以看出，凹版印刷机的能耗部件非常　多，能耗形式复杂多样，但从系统层面上看，凹版印　刷机的能耗部件有如下特征：①干燥箱、水泵、空气　压缩机、版面风机、调版电机、冷风机、照明等部件　与印刷负载相对独立，称为“印刷无关”部分，子系　统的能耗取决于其是否运行，可以近似为一个常　量。②放卷电机、减速电机、牵引电机、主电机、收　卷电机等部件能耗取决于印刷负载，称为“印刷相　关”部分。根据这些特征，建立了凹版印刷机的集　成能耗模型，如图２所示。　

２　凹版印刷机能耗系统模型　２．１　“印刷无关”能耗子系统能耗模型　由图２可以看出，干燥系统、冷却系统、排风系　统和辅助系统与是否进行印刷相对无关，只要设定　好数值就一直在运行工作，只与这些子系统的运行　状态相关，一旦激活这些子系统，其能耗相当于一　个常量，可用式（１）表示：　

Ｐ。（ｔ）＝　ｈ　（ｔ）Ｇ　（１）　式中：ｈｉ（　）＝｛　篥霍用，表示某一个能耗子系统　

的使用状态；Ｇ　是某个能耗子系统的功率，与时间　无关。　２．２“印刷相关”能耗子系统能耗模型　凹版印刷机与印刷直接相关的能耗子系统包　括主传动系统，放、收卷系统，张力控制系统等，这　些子系统都是由电机驱动（变频器）、电机、机械传　动３部分组成，如图３所示。　

图３　凹版印刷机印刷相关能耗子系统示意图　由图３可知，“印刷相关”子系统的能耗包括３　部分：变频器能耗、电机能耗和机械传动能耗，如式　（２）：　Ｐ　＝Ｐ６＋Ｐｄ＋Ｐｉ　（２）　式中：Ｐ　是传动系统能耗，Ｐ　是变频器能耗，Ｐ　是　电机损耗，Ｐ．是机械传动能耗。　变频器自身损耗一般占电机总功率的６％～　８％Ｅ　ｓ］。根据功率平衡方程，电源输入功率等于传　

动系统能耗，即：　Ｐ　＝Ｐ　（３）　只要测试出电源输入功率Ｐ　，就能知道“印刷　相关”能耗子系统的能耗。　

３　凹版印刷机能耗分析　３．１　凹版印刷机能耗测试原理　实验采用ＡＷＳ２１０３功率仪，测试各能耗部件　的三相电源输入端功率，得出视在功率、有功功率　和无功功率，有功功率即电机电源的输入功率，如　图３所示。图４为测试现场局部图。　由于机械传动部分的负载、摩擦损耗和机械效　率很难通过精确测量得出，而且凹版印刷机的能耗　测试主要关心的是输入的总能耗，所以，只需要测　试各能耗部件的电源输入功率。表１为某凹版印　刷机基本参数表，表２为此凹版印刷机主要电机信　息表。　

电源　一　排风机一　版面风机一　冷风机一　水泵一型　模　耗　Ｅ　蒯　集　机　喇　●●●●●●●●●●●Ｌ　

版　

引　凹　２　图　牵引电机一　４６　北京印刷学院学报　２０ｌ４年　不能以某个功　机的能耗，图８为放　４　结　论４　电仉－１１　Ｂｕ　２０ｓ的采样值趋势图。　…　

譬　ｔ　图８放卷电机功率趋势图　

由表３和公式（１）可得，凹版印刷机主要能耗　部件的总能耗为２３．０７４ｋＷ，而三相电源总电路的　能耗为２３．６６４ｋＷ，即有０．５９ｋＷ为其他能耗。根　据测试的能耗值，得出凹版印刷机的能耗分布图，　如图９所示。　

图９　凹版印刷机能耗分布图　从图９可以看出，凹版印刷机中能耗最大的是　电阻加热，占６８％，加上热风机的９％，即干燥系统　能耗占总能耗的７７％，而主电机只占ｌ３％，结合表　３可知，主电机实际印刷过程中的功率占额定功率　的１５．５％，说明电机选择不合理，浪费了资源。　

根据凹版印刷机能耗特性建立了凹版印刷机　能耗集成模型，并引入开关函数和功率平衡方程描　述凹版印刷机的能耗，与实际相符。使用　ＡＷＳ２１０３型功率分析仪测试凹版印刷机各能耗部　件三相电源接入端的功率，精度在０．５％以内，相　对误差小于５％，测试数据可靠。应用滑动平均滤　波器处理数据，有效地抑制了随机噪声和干扰，最　后得出凹版印刷机能耗分布图。结果表明，凹版印　刷机主要耗能装置为干燥系统，占总能耗的７７％，　而各个装置的电机运行负载都小于额定状态，说明　凹版印刷机节能降耗可通过优化干燥系统和合理　选择电机来实现。　

参考文献：　［１］　付海燕，刘益，宋成龙．印刷包装企业绿色化评价指标体系构　建研究［Ｊ］．北京印刷学院学报，２０１３，２１（４）：１－４．　［２］许鹏，陈芳园，黄清明，等．凹版印刷ＶＯＣｓ废气的净化治理　联用工艺［Ｊ］，轻工机械，２００９，２７（３）：１０７—１Ｉ１．　［３］佚名．实施绿色印刷成果报告［Ｊ］．今日印刷，２０１２（１２）：３４．　［４］　陈昱．论绿色印刷的现状及发展［Ｊ］．能源研究与信息，２０１１，　２７（３）：１２５・１２９．　［５］　康启来．印刷企业向绿色生产工艺转变之我见［Ｊ］．印刷质量　与标准化，２００６（６）：８－１１．　［６］　贾春江，陈广学．印刷行业的低碳之路［Ｊ］．中国包装工业，　２０１２（１１）：１０—１２．　［７］　李翔，驰云．节约化印刷，技术说话［Ｊ］．印刷技术，２００８（６）：　３５．３８．　［８］　景巍，谭国俊，叶宗彬．大功率三电平变频器损耗计算及散热　分析［Ｊ］．电工技术学报，２０１１，２６（２）：１３４—１４０．　［９］　Ｓｔｒｕｍ　ＲＤ，Ｋｉｒｋ　Ｄ　Ｅ．Ｃｏｎｔｅｍｐｏｒａｒｙ　Ｌｉｎｅａｒ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｕｓｉｎｇ　ＭＡＴＬＡＢ［Ｍ］．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ：Ｂｒｏｏｋｓ／Ｃｏｌｅ　Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ　Ｃｏ．，１９９９：　ｌ５６一ｌ６３．　［１０］胡韵华．现代数控机床多源能耗特性研究［Ｄ］．重庆：重庆　大学，２０１２．　（责任编辑：邱林华）