摘 要 ：本文主要講述了擠出吹塑中空成型機的工作原理、主要構成及變頻節能技術在雙工位擠出吹塑中空成型機改造中的應用，同時闡述了推廣該項節能技術的必要性與可行性。
1 引言
當今社會一方面經濟快速發展，另一方面能源日趨緊缺，發展與能源之間的矛盾越來越突出，能源緊缺問題已成為社會發展中的重要問題，如何降低能耗、節約能源，各級政府也提出了更具體、更嚴格的量化指標，對于各企業來說節約能源已是責無旁貸，因而近幾年各行各業的節能技術與節能產品不斷地得到推廣與應用，其中變頻節能技術是主要節能技術之一，已被廣泛應用于塑膠、水泥、化工、中央空調等領域。
塑膠行業是主要工業之一，其耗電在工業耗電中占有很大的比重，隨著市場競爭的日漸激烈，如何降低生產成本，提高產品市場競爭力成了各塑膠企業關心的問題，而在各企業生產成本中塑料設備用電占了很大部分，現有設備中存在很大的電能浪費，本文以深圳市國兆節能科技有限公司設計的國兆GZS系列節電器為例，講述了變頻節能技術在塑膠設備—雙工位擠出吹塑中空成型機節能改造中的應用，并闡述了推廣該項節能技術的必要性和可行性。
2 擠出吹塑中空成型機工作原理及構成
2.1 工作原理
吹塑中空成型機是中空制品的主要成型設備之一，主要有擠出吹塑中空成型機、注射吹塑中空成型機、拉伸吹塑中空成型機和不對稱吹塑中空成型機等類型，其中擠出吹塑中空成型機是采用擠出機單元的機筒加熱和螺桿的剪切作用使塑料塑化，旋轉的螺桿將塑化、均化后的塑料經機頭擠出形成管坯，合模裝置將管坯夾緊后由切刀裝置將管坯切斷，在切斷前先進行預吹氣，主要是為了防止管坯壁粘連，合模吹氣裝置將管坯切口封死同時吹入一定壓力的空氣，使型坯緊貼模具腔內壁，經冷卻后去除廢邊，合模裝置分開，即獲得所需中空制品，流程圖如圖1所示。
圖1 擠出吹塑中空成型機工藝流程
2.2 主要構成
擠出吹塑中空成型機主要由擠出機、機頭、合模裝置、吹氣裝置、液壓傳動裝置、加熱冷卻控制系統和電氣控制系統等構成，設備外形圖如圖2所示。
圖2 擠出吹塑中空成型機設備外觀圖
機械裝置包括主要有擠出裝置（螺桿擠出機）、機頭、移模機構、開合模機構、升降機構、吹氣裝置、坯料電熱切刀裝置和抬模頭裝置等；氣動裝置部分主要用于氣缸工作及制品的吹塑等；冷卻裝置主要采用冷卻水進行冷卻,冷卻水主要供模具、機筒、吹針等部位的冷卻用。
電氣控制系統主要有由擠出機電氣傳動控制系統、油泵電機傳動系統控制、機頭及擠出機的加熱與溫控系統、動作程序控制系統（PLC）、人機界面等組成，其示意圖如圖3所示。
圖3 擠出吹塑中空成型機電氣控制示意圖
2.3 雙工位擠出吹塑中空成型機
如上文所述目前吹塑中空成型機主要有擠出吹塑中空成型機、注射吹塑中空成型機、拉伸吹塑中空成型機及不對稱吹塑中空成型機主要幾種類型，其中擠出吹塑中空成型機又分為單工位擠出吹塑中空成型機、雙工位擠出吹塑中空成型機及多層擠出吹塑中空成型機，其中雙工位擠出吹塑中空成型機主要用于冷卻時較長的中空制品，其具有兩套合模和移模裝置，在制品冷卻的同時另一套模具進行合模、成型動作，與單工位機型相比，雙工位機型在生產制品時充分利用冷卻時間，一方面提高了產量，另一方面也可保證質量，本文就以雙工位擠出吹塑中空成型為例介紹變頻節能技術在此在設備中的應用。
3 雙工位擠出吹塑中空成型機的變頻節能改造
3.1 變頻節能原理
雙工位擠出吹塑中空成型機原有系統中油泵電機始終以恒定速度運行,當工藝所需的壓力變化時通過油路系統的比例流量來調節,多余的液壓油則通過溢流閥卸回油缸,這樣并造成很大部份的能量浪費，由泵類負載工作特性可知泵的流量與轉速成比例關系，揚程與轉速成平方關系，電機軸功率與轉速成立方關系,如下公式所示：
Q2/Q1=N2/N1
H2/H1=（N2/N1）2
P2/P1=（N2/N1）3
其中： Q—流量；
N—轉速；
H—揚程。
如圖4所示當流量由QA減少到QB時由于管阻特性，工作點由A點轉移B點，消耗的功率與0QBBHB面積成正比，若采用變頻控制其管阻特性不變，工作點由A點轉移到C點，消耗的功率與0QBCHC面積成正比，從圖4可知采用變頻調速比采用閥門控制節能，且隨著轉速的降低電機功率成立方關系減少，如果能根據注塑工藝適時地調節油泵電機轉速即可達到節能目的。
目前三相異步電動機大多采用變頻調速，由電機同步轉速公式：
n=60（1-S）f/p；
其中: S—轉差率；
f—供電頻率；
p—極對數。
由上式知道通過改變電源頻率便可改變電機轉速,根據中空吹塑成型機的工藝調節油泵電機的轉速,從而使溢流閥的回流量減到最小,液壓系統輸出功率與生產所需功率相匹配,這樣便可達到節能目的,據不完全統計改造后其電機節電率可達25%～65%。
3.2 電氣控制方案
雙工位擠出吹塑中空成型機電氣系統改造主要是通過采集它的合模、模頭上升、模頭下降、模架左移、模架右移、開模等動作信號，先將相關信號送給專用控制器運算處理，控制器輸出信號控制油泵電機變頻器，根據工藝參數調節油泵電機轉速，使油泵電機輸出功率與工藝所需的功率相匹配，從而實現節能，其控制系統示意圖如圖5所示。
擠出吹塑中空成型設備在設計時對于工藝所需的最大速度和最大壓力一般都存在很大余量，實際生產制品時并沒有達到最大設計狀態，根據實際工況和產品工藝要求，適當降低油泵轉速，減少供油量，這樣在不影響生產工藝前提下，油泵電機輸出的功率得到有效利用，減少電機電能的浪費，根據吹塑成型的工藝過程對油泵電機進行多段調速控制，例如在合模階段所需要壓力、速度較大時可適當提高本段油泵轉速，而在開模、模架左移、右移等階段所需壓力、速度不高時，可適當降低油泵電機轉速，但在每個工序階段時油泵轉速則保持恒定，采用這種控制方案，當工藝參數調整時油泵輸出能夠保持穩定，使用產品質量與穩定性都不會受到影響。
3.3 國兆節電器介紹
3.3.1 產品介紹
國兆GZS系列節電器是由深圳市國兆節能科技有限公司根據吹塑成型設備工藝特點專業設計的一款節電器，有單電機變頻GZS-Z1系列、雙電機變頻GZS-Z2系列和多電機變頻GZS-Z3系列三種型，適用于各種不同吹塑成型設備，本產品采用國家專利技術設計，主要由信號采集、信號處理控制器、專用變頻器、節電與市電轉換電路等部分組成，國兆GZS系列節電器與市場上現有節電器比較具有以下特點：采用專用信號控制器，可以根據吹塑成型設備不同類型編寫相應的控制軟件；采用多段速控制方式，可根據工藝要求分段調整變頻器運行頻率；采用專用變頻器，其過載能力強、響應速快，加減速時間可達0.3s;具有電機過流、過壓、欠壓、掉電、過載、輸出短路等多種自動保護功能；具有穩壓功能，當電網電壓波動時能自動調節輸出頻率達到穩壓功能；采用專利控制技術，節電效果比一般模擬控制和變量泵控制方案更顯著等。
3.3.2 設計特點
在電路設計方面主電路采用市電回路與節電轉換回路獨立設計（如圖6示），運行中若節電器出現故障可通過轉換開關直接轉換到市電回路運行，不會對生產造成影響。 
圖6 國兆節電器電路示意圖
控制電路方面其控制信號取自原設備各工序的開關量信號（電磁閥控制信號），經節電器信號采集電路進行隔離處理后送給專用處理器處理，這樣控制信號不容易受外界干擾。
4 節電器的應用
4.1 設備選型
東莞某容器有限公司主要生產各種塑料容器,共有15臺雙油泵雙工位擠出吹塑中空成型（型號為DHD-2L）,生產容量為2L容器,其中擠出機單元原有設備已帶變頻調速,現對其油泵電機進行變頻改造,其主油泵電機功率為22kW三相異步電機,輔油泵電機功率為7.5kW三相異步電機,選用國兆GZS-Z2-4T-0220kW（雙電機,主電機變頻器為22kW,輔電機變頻器為7.5kW）節電器進行改造。
4.2 電路實現
油泵電機改造電路控制較為簡單，主電路保留原有設備中的星-三角降壓起動電路（對于22kW油泵電機），相當于在原供電電源與電機起動電路之間串接節電器，其主電路如圖7所示。 
圖7 雙工位擠出吹塑中空成型機節能改造主電路示意圖
其控制電路主要實現信號采集、信號處理、狀態指示、市電與節電間切換等功能，示意圖如圖8所示。 
圖8 雙工位擠出吹塑中空成型機節能改造控制電路示意圖
4.3 參數設置
根據油泵電機工作特點，現對主油泵電機進行多段速控制，而輔油泵電機采用單段速控制，其中主油泵電機變頻器參數設置如附表所示。
一個產品的吹塑成型工藝較為復雜,原有系統中油泵電機以恒定速度運行。
4.4 設備調試與注意事項
其油泵提供的油量為額定值，各工序所需的實際油量通過比例閥、溢流閥調節實現，每個不同產品其各工序對應的工藝參數在生產中一般不做很大的調整，系統改造后通過改變油泵轉速來調節油量，因而調試時應將節電器與吹塑成型機兩者配合一起調試才能達到最佳節電效果，系統調試時注意思以下方面：
4.4.1 調試前準備
節電器安裝完畢后在通電前應先檢查電路是否正確，尤其是主電路應注意其輸入線與輸出線是否接反，否則嚴重時會損壞節電器，原有設備中電機降壓啟動電路（采用Y-△起動較多）應保持不變，若有其它電路供電電源連在電機Y-△啟動電路接觸器的前端，改造時應將其移到節電器的電源端并注意電壓等級，否則會造成設備不能正常運行，另外還應檢查控制信號電路,注意控制信號的極性及伏值是否對應,確認無誤后才可通電并觀察節電器電源指示燈是否指示正常。
4.4.2 市電狀態調試
節電器通電后先進行“市電”調試，將節電器設備選擇開關拔至“市電”狀態，啟動設備油泵電機，進行手動狀態調試，分別手動執行開模、合模、模左移、模右移等各個動作，同時觀察節電器信號采集指示燈是否對應指示，此時吹塑成型機各個動作將根據手動指令執行，調試時若發現吹塑成型機合模或開模等無任何動作時，則可能為油泵電機反轉，可判斷油泵電機是否反轉，若反轉應先切斷電源后調整市電接觸器輸出線，手動調試正常后可結合產品進行試生產，當生產出的制品質量、性能均滿足工藝要求后可進行節電狀態調試，先停止油泵電機將節電器設備選擇開關拔至“節電”狀態。
4.4.3 節電狀態調試
節電器處于“節電”狀態調試時要根據工藝參數設定調整，一般原則是節電器運行頻率先根據經驗值設定好（如附表），再根據生產產品的類型調節吹塑成型合模、開模、模架左移或右移等對應的工藝參數，節能狀態時各參數值比市電狀態設定要求稍大些，以不超過10%為宜，如果調整工藝參數還不能滿足要求時,可適當調整節電器對應段的運行頻率,直至節電狀態生產出制品的各相指標均符合要求為止。
5 節能效果分析
根據實測數據，改造前油泵電機（兩個電機額定功率分別為22kW和7.5kW）每小時共耗電17.5kW•h，改造后每小時共耗電為11.5kW•h，電機總節率為34.2%，該廠設備平均每月開機26天，每天22小時，則:
每月節約用電:
=（17.5-11.5）×22×26=3432kW•h；
每年節約用電：
=3432×12=41184kW•h；
每度電平均以0.9元計算，每臺設備每年節約成本約4萬元；
該企業15臺中空吹塑成型機改造至今設備運行穩定，未出現故障，改造后生產產品質量性能均能達到工藝要求，設備總投資約50余萬元，每月節約5萬元，約10個月便收回投資。
6 結束語
目前塑膠行業中大多設備仍采用液壓傳動，其中油泵電機耗電占了很大比重，實際應用證明采用變頻節能改造技術降低能耗、節約成本是可行的，也很有必要，另一方面變頻節能技術也不斷成熟和改善，在各行業的應用也越來越廣泛，上文所述的節能技術在吹塑成型設備中應用供業內相關人士交流與參考。
