姚和平
广东伊之密精密注压科技有限公司广东佛山528300
摘要：液压控制系统是注塑机的核心技术之一，其直接决定注塑机的性能。本文对注塑机电液控制系统能量效率对比问题进行了探讨。
关键词：注塑机；电液控制系统；能量对比
注塑机电液控制系统的能量效率问题，是影响我国塑料制品工业综合发展的重要因素。鉴于此，本文从异步电动机驱动定量泵系统、异步电动机驱动变量泵系统，伺服电机驱动定量泵系统三方面进行了简要分析。
一、电液控制系统概述
电液控制是指在液压传动与控制中，能够接受模拟式或数字式信号，使输出的流量或压力边续成比例地受到控制的一种控制方法。
1、分类。按比例元件的类型来分类，可分为比例节流控制和比例容积控制二大类。比例节流用在功率较小的系统，而比例容积控制用在功率较大的场合。
目前，最通用的分类方式是按被控对象（量或参数）来进行分类。则电液比例控制系统可分为：①比例流量控制系统；②比例压力控制系统；③比例流量压力控制系统；④比例速度控制系统；⑤比例位置控制系统；⑥比例力控制系统；⑦比例同步控制系统。
2、优点。①操作方便，容易实现遥控；②自动化程度高，容易实现编程控制；③工作平稳，控制精度较高；④结构简单，使用元件较小，对污染不敏感；⑤系统的节能效果好。
二、异步电动机驱动定量泵系统
1、功率传输的数学模型。以异步电动机定量泵驱动形成的注塑机电液系统基本原理如图1所示：
液压泵要向5个执行器提供动力，注塑机工艺流程为锁模→机架前移→注射→保压→冷却→塑化→开模→顶出→机架退9个过程。在整个过程中，电动机消耗的功率除电动机损耗外，就是液压回路消耗的功率，因此从两部分进行分析，为对比分析不同控制方案能量效率提供依据。
电动机功率消耗包括定子损耗、转子损耗、输出机械功率Pam。定子损耗包括定子铁损PFel、定子绕组铜耗PIR1、脉冲及其他损耗PPs。转子损耗包括转子铁损PFe2、转子绕组铜耗PIR2、轴磨损及风扇损耗PR。损耗将转换成热量，引起发热。异步电动机能量效率：
（1）
采用变频器调速，异步电动机的铁耗随着频率的大小变化而变化，定转子铁耗和铜耗的构成都发生了变化，因此，最大效率不一定在两者相等时刻，所以根据负载变化有效调节频率，使变频器和异步电动机实现最佳匹配，从而提高系统的效率。
液压泵的功率损耗有容积损失功率PQ和转矩损失功率PT
（2）
（3）
式中，Vsp、Msp分别为液压泵的容积和转矩损失。pA、pB分别为差动缸两腔压力，n为转速。
设qp为泵的出口流量，pp为泵的出口压力，液压泵的输出功率pp=ppqp，液压泵效率
（4）
如果不考虑液压缸的损耗，则液压缸的输出功率Pc=Pvqv，液压系统的效率
（5）
式中，pv、qv分别为比例溢流调速阀的输出流量和压力。整个系统的能量效率为电动机效率和液压系统效率的乘积。
2、功率消耗状态分析。以异步电动机驱动定量泵构成的注塑机电液系统属于典型的节流调速系统。电动机及泵的最终输出稳定值会略高于负载的强度水平；因在注塑机的运行过程中，具备明显的间歇性，导致定量泵在动作过程中会发生较高的能耗。
根据回路原理，存在溢流损失和节流损失两部分，其中溢流损失功率
在公式（8）中，△p表示比例调速阀两端的压力差，而q1表示经由溢流阀结构溢流而出的流量值。
在注塑机的注射阶段，需要较大的压力及流量，其实际产生的溢流损耗和节流损耗都比较小。在保压阶段，注塑机需要的流量较低，定量泵实际输出的绝大部分流量都被溢流阀消耗。在冷却过程中，实际形成的流量及压力要求均近于零，因而这种条件下通常不存在节流损失，只存在溢流损失。注塑机的整个过程中，液压系统效率低，尤其是在保压和冷却阶段。
此外，为降低功率消耗，可根据工艺要求，实时调节电机转速，使电动机输出功率尽量与负载功率匹配。注塑机在注射阶段，负载转矩等于额定转矩，电动机额定工况运行，输出功率不变。保压阶段负载转矩不变，为减小流量损失，降低电动机转速，从而减小电动机的输入输出功率。冷却阶段电动机转速较低，输出转矩较小，电动机所需输入输出功率也较小。通过变转速调节泵的输出流量，使液压泵的出口流量尽量和负载流量一致，减少与流量有关的溢流损失。基于此可知，注塑机工作在冷却、保压时，功率消耗明显减小，液压回路能量效率同时也得到了提高。引入变频技术后，根据注塑机的不同工况，调节电动机输出功率，提高系统能量效率，同时也减少系统功率消耗，实现节能。
三、异步电动机驱动变量泵系统
针对定量泵加装比例溢流调速阀时，建成的节流调速系统本身存在溢流性能量损失技术缺陷，引入变量泵与比例节流阀相结合的负载感应型回路，设备系统中执行结构的整体运行速度参数，将会由实际流过比例调速阀组件的流量参数状态，以及变量泵设备中的相关参数项目共同完成控制过程。
在注塑机的调速回路结构中，变量泵的供油压力将由负载部分的强度变化而动态变化，由于在应用变量泵的液压回路中仅存在因阀门压力降低而导致的节流损失，因而有效降低了整体液压回路的能耗。
四、伺服电机驱动定量泵系统
伺服电机驱动定量泵系统的主要元件有：伺服驱动器：根据内部控制算法实现对流量和压力控制。伺服电机：转速执行机构，可根据控制器命令控制实际转速。定量泵：高压内啮合齿轮泵、小泄漏、小的脉动波动。压力传感器：检测油路压力并反馈伺服控制器作闭环控制。
伺服电机驱动定量泵系统直接采用了可变转速的伺服电机，不再使用比例溢流结构和节流结构。结合注塑机动作及伺服驱动器的流量压力控制模式，系统能在注射机需求动力输出时按需输出动力，避免了中间的溢流损失及流量控制损耗，在注射机保压时仅以维持系统泄漏的低速运行即可，冷却不需要动作时，泵几乎不转，也不再耗电，从而实现大幅节能。
五、结语
注塑机是生产塑料制品的主要装备，我国已成为世界上最大的注塑机生产国。为提升机器的市场竞争力，注塑机节能控制技术一直是该领域研究的重点。传统的注塑机采用异步电动机驱动定量泵和P/Q比例阀结合的电液控制技术，工作过程始终存在与流量有关的能量损耗，系统损耗大。因此，为降低注塑机的成本和运行过程能耗，一项新的技术是通过改变液压泵转速控制液压系统的输出参量，成为目前注塑机控制技术的发展趋势。另外，当前注塑机的控制方案有多种，成本差别也较大，所以应对电液控制进行详细分析和研究，为注塑机实现节能高效、高性能控制提供理论指导和试验依据。
参考文献：
[1]宋春华.高档注塑机的发展动向[J].机床与液压，2014．
[2]李斌.注塑机电液控制系统能量效率对比研宄[J].机械工程学报，2014．
[3]李风兰.注塑机电液控制系统节能原理及最新技术[J].机床与液压，2015．