摘 要:本文介绍了德国科比（KEB）变频器在注塑机上的应用情况，进行了方案比较，获得了一些实用经验，供读者参考。
关键词:变频器 矢量控制 无速度传感器矢量控制 水冷变频器
Abstract: This article briefly introduces the characteristics of KEB inverters, which are used in plastic machinery, especially in plastic injection molding machines. It also provides several solutions for this application and the comparisons between different types of inverters.
Key words: Inverter Vector control Sensorless vector control Water cooled inverter
1 前言
半个世纪以来，塑料已成为工农业和民用主要的材料之一。注塑机就是一种专用的塑料成型机械。它利用塑料的热塑性，经适当加热熔化后，加高压快速流入模腔，经一定时间保压、冷却，成为各种型材和塑料制品。在注塑机上推广应用变频器可以实现节约电能、提高生产率和产品质量，降低油污染和噪声污染，延长机器使用寿命等优点。因此将逐步推广使用。
2 注塑机变频调速系统的方案
注塑机的工作循环如下:
1) 锁合模:模板快速接近定模板，且确认无异物存在时，系统转为高压，将模板锁合。
2) 注射台前移:喷嘴与模具紧贴。
3) 注射:注射螺杆以一定的压力和速度将料筒前端的熔料注入模腔。
4) 保压、冷却:通过此动作，使模腔内的塑料制品冷却成形。
5) 预塑:传统上应用液压马达驱动螺杆并后退，料斗中加入的塑料粒子被前推，并进行预塑。螺杆后退到预定位置，停止转动，准备下一次注射。
6) 注射台后退，开模
7) 顶出制品
以上这些动作在传统的注塑机上都是以液压系统来完成的。由油泵和不同阀门的配合产生不同的压力方向和流量，提供油缸和液压马达所要求的推动力和移动速度。
众所周知，油泵的输出功率
Pt=p×Qt=p×V×n (1)
而油泵的理论转矩:
Tt=1/2π×p×V (2)
式中p为压力，Qt为流量，V为油泵排量(油泵每转排出的油量)，n为油泵转速
将(2)式代入(1)式得:
Pt=2π×Tt×n (3)
如果忽略机械能到液压能转换过程中的能量损失，则可近似认为油泵的输出功率等于电机的输出转矩与电机转速的乘积。因此可以看出，当系统要求低流量时，系统需要的功率其实是非常低的。但是实际情况却是，由于电动机始终运行在工频50Hz状态上，并不能根据实际的需求来降低其转速，从而减小流量。因此多余的液压油只能通过比例流量阀流回油箱，造成能源的白白浪费。
根据以上事实，德国科比(KEB)公司以此为基础，在前几年的实践应用中积累了许多宝贵经验，提出了在注塑机械上变频器应用的多种节能方案，并且取得了成功。
2.1 油泵变频调速
此种方案采用了KEB F4-F系列闭环矢量控制水冷变频器。将控制比例流量阀的电流信号同时输入给变频器的模拟量输入端，通过控制油泵电机的转速，油泵的实际流量正比于电机的转速，油泵的输出功率因此也正比于电机的转速(见公式3)，起到了节能的目的。根据塑料制品和工艺要求的不同，其整体节能效果从35%至70%的范围内不等，表1示出不同流量时节能对比。
表1 节能数据对比
同时与始终运行在工频转速上的电机和油泵相比较，伴随着电机转速的降低，系统平均音量降低3-5分贝。减少3分贝的噪音可使实际噪音降低50%，因此工厂的环境和员工的劳动条件得到改善。由于变频器采用水冷穿墙形式，变频器主体与散热片通过电控箱完全隔离，变频器实际密闭于电控箱中，其防护等级可由原先的IP20提高到IP54，减小了由于粉尘、油污侵入电子设备中导致损坏的可能性，确保了变频器的使用安全。同时，采用水冷散热方式，变频器的功率单元IGBT始终工作在某一设定温度范围内有温控功能，采用水冷方式可使变频器的平均寿命延长达到15年以上。
2.2 电动预塑机构(电液混合式注塑机)
作为电液混合式注塑机，是采用电动机构来替代一部分液压系统，这样既保留了液压系统的动力强、响应快等优点，同时又增加了电动系统的高效率、节省能源的优势，使机器本身的性能有了很大的提高。图2示出电动预塑机构，是电液混合式注塑机中最常见的一种方式。它使用了包括水冷矢量控制F4-F变频器和水冷减速箱电机(或大转矩电机)，以取代传统的液压马达。其带来的优点:除了节约(25%以上)和降低噪音以外(3分贝)，还大大缩减了原有的液压系统，液压系统的功率可因此平均降低了30%。相关的液压设备安装及维护费用大幅降低。由于使用F4-F矢量控制变频器，对于预塑螺杆的速度控制较之液压马达更为精确，故能保证每模注塑量的一致性，使产品的质量得到提高。并且电动预塑机构是一个独立系统，因此预塑动作可在开合模时同时完成，对于一些冷却时间较短的制品，其每模的生产周期可以大幅缩短，从而提高了制品的产量。
2.3 全电动注塑机
全电动注塑机方案是在方案二的基础上，将锁模机构、落料机构、注射机构等都采用伺服系统，从而彻底抛弃了液压系统。由于KEB在此方案上采用了直流母线方式连接，当任意一个电机处于减速过程即能量反馈状态，其反馈的电能可直接用于其它电机的运行，而不再是消耗在制动电阻上。此方案又可节省15%以上的电能。由于没有了液压系统，油污染的问题彻底解决，整机的效率也得到了显著的提高，产品的精度在几个环节上都得到了保证，比较适用于对产品要求十分高的场合。但目前情况下，初期投资比较大。
3 油泵变频调速方案的探讨
由于现今在中国对注塑机节能改造的方案主要集中于油泵变频调速，而针对油泵电机采用的变频器，也有几种不同类型的应用。例如:采用开环通用VVVF方式变频器，KEB F4-C系列；采用编码器速度反馈的闭环矢量控制变频器 KEB F4-F系列；以及采用无速度传感器矢量控制变频器 KEB F5-G系列。现对以上三种不同类型的变频器在油泵调速性能方面作一比较，并加以探讨。
1) 使用KEB F4-C开环通用变频器
普通的VVVF调速方式，即变压变频，当频率与电压的比率保持恒定，则电机的磁通不变。由于此种方式没有速度反馈装置，即不能准确反映电机的实际转速，而电机亦采用的是三相异步电机，转子的实际转速同定子旋转磁场间存在转差，当外部负载发生变化时，转差率也随之变化，但变频器并不能对此进行补偿，致使油泵转速发生变化，造成了流量的误差，直接导致制品质量的下降。
而且，变压变频的另一缺陷在于，当输出频率为0Hz时，理论输出电压也为0V，电机定子的磁通Фm近似为0，从而影响了电机的起动特性，加速响应相对比较缓慢。虽然可采取低速力矩提升措施加以补偿，但动态响应仍不理想。而对于注塑机而言，往往在完成某些如注射等动作时，需要瞬时提供高压力、大流量，如采用开环通用变频器，其起压响应难以达到要求，影响注塑压力。n(t)曲线如图3所示。
2) 使用KEB F4-F闭环矢量控制变频器
KEB F4-F变频器采用了转子磁场定向的控制方式，即对异步电机进行坐标变换，等效成直流电机的控制方式。在三相坐标系下的定子交流电流iA、iB、iC通过三相/两相变换，可以等效成两相静止坐标系下的交流电流iα，iβ，再通过按转子磁场定向的旋转变换，等效成同步旋转坐标系下的直流电流it、im。im相当于直流电机的励磁电流，it相当于直流电机中同转矩成正比的电枢电流。由于无论电机处在什么状态，运行或静止，维持其励磁电流im恒定，而转矩的大小只要独立调节电枢电流it，故可以使异步电机始终处于高动态的状态，其从0rpm加速至1000rpm的时间，在无负载情况下只需不到30ms，改善了变压变频调速系统动态性能，对于注塑机整个运行循环的跟随性就可大大提高，以满足注塑工艺的要求，图4为n(t)曲线。
通过KEB F4-F变频器对电机的自学习，精确测量了定子的电阻和电感，从而使励磁电流im恒定，即恒定磁通Фm。再由于电机转差频率:
ωs=K×it/Фm (4)
即当磁通Фm恒定时，矢量控制系统的转差频率在动态中与转矩成正比，则定子磁场频率ω1:
ω1=ω+ωs (5)
(ω为转子频率，由编码器测得)可以受控。这就意味着，当负载产生波动，变频器控制部分可迅速计算出实际转差频率ωs，从而给出定子精确的旋转频率，使电机转速保持不变，提高了电机面对负载变化的运行稳定性。
3) 使用KEB F5-G无传感器矢量控制变频器
KEB F5-G变频器采用矢量控制原理为基础，同样通过计算转差频率ωs，控制定子旋转磁场。但与闭环矢量控制的区别在于，其定子电流相位是由内部计算得出，而并非靠对定子频率ω1测量积分得到的实际相位信号。因此，此种方式相比F4-C通用变频器，可使电机在低速运行时有更大的转矩(2.5倍以上的额定转矩)，有较好的加减速性能，转矩突变时响应也很快。
由于此种方式可省去编码器的安装，对于注塑机节能改造来说，整个系统的改变相对比较简单，同时又可获得较高的动态性能。
4 结束语
综上所述，选择开环通用变频器(如F4-C)，由于其响应慢，并不适用于注塑机主油泵的变频调速。相比之下，闭环矢量控制变频器(如F4-F)因其高动态性、稳定性好等特性，更合适于此应用。而无传感器矢量控制变频器(如F5-G)，因其安装方便、变更较少，则适于塑料制品厂的注塑机节能改造。
参考文献
德国KEB F4-C、F4-F、F5-G变频器使用说明书