摘要：为了提升压铸工艺中的设备效能，着重关注了变频调速技术在压铸过程中的优化作用。传统的压铸机采用的异步电动机通常在恒定速度下运作，造成能源浪费。变频调速技术作为一种创新解决方案，能够有效降低能耗并提升整体工作效率。以某企业800 t压铸系统为例，详细阐述了实施变频转换的实际操作流程，以及实施过程中涉及的关键步骤。为对比改造前后性能的变化，对改装后的压铸设备进行了效能特性的专门测试。实验数据表明，变频改造带来了显著的节能效果，同时电动机的运行表现也得到了极大提升。这一成功案例不仅证实了技术改造的安全可行性，还提供了经济效益参考，为同类液态压铸机的变频调速改造提供了参考。
关键词：变频调速技术,压铸机,节能
0引言
在中国，电动机消耗的电力份额占据了总量的近半壁江山，然而长期以来，对能源利用的重视程度不足，对变频调速技术的探究与普及并未达到国际先进水平。
这种忽视导致我国能源供应日益吃紧，与发达国家的差距愈发明显。尽管如此，国内科研人员并未止步，不断寻求节能新途径，特别是关注如何在机械制造业，如压铸机领域应用变频调速技术。在工艺允许的前提下，其节能效益将会显著体现。这不仅有利于我国能源的高效利用，而且对环境保护具有深远的战略价值。变频调速技术自诞生以来因其卓越的技术成熟度、显著的节能特性以及高效的运行方式，赢得了业界的广泛关注和赞誉，被誉为极具革新性、环保且前景广阔的调速策略[1-3]。在全球能源日益紧张的大背景下，各行各业都在积极寻求节能减排的解决方案，以确保能源的可持续利用。正是在这种趋势下，变频调速技术在制造业领域得到了广泛地接纳和推广，被视为不可或缺的节能工具[4-7]。作为全球制造业强国，机械加工行业在中国经济版图中扮演着举足轻重的角色，而压铸机作为这一行业的重要设备，在数量和应用领域上都极其广泛。如果能成功将变频调速技术引入压铸机，其节能效果将非同小可，不仅能大幅节省电力资源，还将带来显著的经济效益提升[8-12]。因此，深入研究变频调速技术在压铸机上的应用潜力，是一项具有前瞻性和战略意义的研究课题。
1存在问题分析
在变频技术的赋能下，液态压铸机的传动体系经历了从传统的机械调控到现代电子调控的转变。这一传动系统由变频器和电动机协同运作构成，图1所示为液态压铸机的变频调速结构示意图。在应对液态压铸机的变频调速过程中，必须密切关注因冲击负荷以及变频器独特性质所引发的各种挑战。
1.1冲击负载带来的问题
当液态压铸机运作时，其在加工磁芯过程中会遭遇突发的负荷冲击，这种冲击会转化为电机侧的不稳定电流波动，甚至可能导致电流峰值过高。在常规的工频电网供电系统中，只要确保保护设备如开关和热继电器的设定与电机规格相符，就能有效降低因过载而触发断路的风险。然而，当液压压铸机采用变频调速时，使用的鼠笼式电机并不具备即时的过流限制功能。一旦遇到超过额定负荷的冲击，转差率会迅速飙升，引发过电流现象，进而触发变频器的过流保护机制，迫使系统暂停运行。在V/F控制模式下，变频器驱动的鼠笼电机遭遇冲击负荷时，会带来显著的速度波动。值得注意的是，这些速度波动的特性与电机转差率有着紧密的关联性，它们共同影响着系统的动态性能。
1.2变频器产生的干扰
在高频脉冲宽度调制技术的驱动下，变频器实现了精准的频率转换，其巧妙地整合了不控整流桥于其输入端。然而，这并不意味着整流二极管导通的电流呈现完美正弦波，反而会产生显著的非线性谐波。另一方面，在输出端采用相桥式逆变电路的变频器，其输出电压伴随着大量的高阶谐波。这些高频谐波犹如无形的电波噪声，对临近的精密电子设备如液态压铸机周围的计算机系统及通讯设备构成了潜在的电磁干扰威胁。
1.3低频区运行时电机出现的问题
在液态压铸机的变频调速系统中，采用V/F控制策略时，特别是在较低频率区段，电机性能会受定子电阻压降的显著影响。这会导致气隙磁通的下降，进而使得电机在低频时的扭力输出呈现出下滑趋势。值得注意的是，变频器传输的高频成分加剧了电机内部的能效损失。
而在电机运行于低速时，轴端的通风设备转速相应减缓，从而降低了散热效率，使得电机工作温度升高，面临潜在的过热风险。
2优化设计
2.1机械机构
液态压铸机的机械结构主要参数包括扩力倍数、行程比、速度比，优化后的液态压铸机机械结构应当在锁模状态下拥有更大的扩力系数和行程比。液态压铸机运行过程中，行程中段速度较大，行程初段、末段速度较小。液态压铸机采用了大量的多连杆机械结构，在肘杆数量、肘杆、动型座板、尾板铰接位置不变的情况下，肘杆的长度和刚度是影响液态压铸机的主要因素。通过设计变量控制各肘杆的长度，实现对液态压铸机机械结构的优化设计。图2所示为优化前后机械结构性能指标对比曲线。由图可知，液态压铸机的机械结构经过优化后，其扩力倍数由优化前的21.45上升至24.57,驱动油缸直径、压力不变的状态下，液态压铸机最大锁模力达到31 546 kN,在锁模力不变的情况下，驱动油缸压力可适当降低，以此达到节能降耗的效果。
优化后的行程比由优化前的1.03提升至1.08,尽管优化前后的行程比变化并不显著，但是优化后行程相比曲线前段有所降低且中段更高，合模时间显著缩短，有效降低机械结构由收缩至展开阶段，前段时驱动油缸受到冲击的风险。优化后速度与曲线相比更加平滑、中段更高，末段更低且平滑，表明优化后动型座板较与优化前合模阶段中期、初期相比速度明显下降，中间速度明显提升，临近锁模状态下速度明显下降，有效降低驱动油缸、模板受到冲击的风险，使模具、液态压铸机整机的可靠性得到提升。
2.2控制系统
2.2.1自适应模糊PID控制器
本文将二维输入一维输出结构应用在自适应模糊PID控制器中，确定二维输出量为电液比例阀位移量e、偏差变化率ec,确定一维输出量为电液比例阀的控制电流I。
自适应模糊PID控制器工作过程如下。
(1)对比预先设定值与实际检测值，对比结果即为偏差信号e,求导运算后获得偏差变化率ec,经过模糊处理后获得模糊量E、Ec,再经过模糊推理获得模糊决策；
(2)确定PID控制器的参数Kp、Ki、Kd,使用PID算法得到电液比例阀的控制电流I。
2.2.2自适应模糊PID控制器仿真
以二阶近似传递函数的形式表示液态压铸机控制系统电液比例阀各数值的关系：
式中：Q(s)为输出流量；U(s)为输入电流；k为比例阀的流量增益；ξ为比例阀阻尼比；s为传递函数自变量；ω为比例阀的固有频率。
2.2.3系统硬件设计
为提升液态压铸机的控制效果，根据不同检测电路拥有相同的检测原理，以检测数据变化频率较低的特点为依据，本文使用TLP512光耦作为光电隔离方式。为进一步提升检测电路稳定性、降低光耦误动作发生率，将稳压管4148作为液态压铸机控制系统电路稳压装置，并将RC滤波电路配备在输出端，以此提升电路抗干扰性能力。
液态压铸机快速压射单位时间较短，相应的控制系统要求具有一定的实时性。选择输出脉冲频率更高的旋转编码器，以检测速度信号。用高速光电隔离器6N137作为检测电路隔离装置，使用104电容作为电源管脚与地间的滤波装置。
2.2.4系统软件设计
液态压铸机实时控制系统软件设计使用ADS1.2并在Window环境下完成，联合使用C与C++混合编程，以此提升开发效率。软件设计方式以模块化为主，各模块彼此间相互独立，控制系统主要逻辑功能包括：(1)完成系统初始化；(2)循环查询控制系统工况信息、处理数据。图3所示为控制系统主程序流程。
3变频调速技术在压铸机中的应用
3.1变频器改造方案
压铸机的工作特性决定了其在运行过程中对油压和流量需求的多样性，因此，改造策略是依据压铸机不同阶段的需求，通过精密的信号处理系统来调控。首先，从压力或流量比例控制阀获取实时的电信号，这些信号经过电信号变送器的精细转化，然后被精准地输入到变频器的控制系统中。变频器借此调整其输出功率，进而调整油泵电机的转速，间接调节油泵的流量输出Q,以适应压铸机在各种工况下的需求。改造时，变频器被巧妙地接入电机供电电路，比例阀的信号，如4~20 mA或0~10 V,会被转换并精准对接到变频器的接口，使得流量随生产过程动态调整。流量信号在变频器的频率协调中扮演重要角色，优选那些相对值变化显著的信号，以便更好地匹配控制需求。如果遇到超出预设频率范围的情况，可以利用变频器的频率增益功能扩展调整区间。
特别值得一提的是，针对1450 r/min的交流异步电动机，设计上需确保在间歇期间，变频器的输出频率保持在10 Hz,而在工作周期内则需提升至50 Hz。这种精细的控制方式，通过变频器的信号处理、回路反馈以及显示屏实时显示，实现了对电机转速的精准调控，从而优化了压铸机的工作效率和性能。
3.2变频器容量的选择
在液态转动压铸机的操作流程中，各个组件对变频器的性能需求各异，其容量配置的关键在于确定油泵电机的最大负载峰值。选择变频器时，首要参考的是电机在满载运行时的电流强度，通常情况下，变频器的额定电流应略高于控制电机的额定电流，具体比例建议维持在1.1~1.5[3]。同时，两者之间的电压等级匹配也是至关重要的，以确保系统稳定运行[13-14]。
3.3变频器的安装环境及电路图
鉴于液压压铸机在运作中面临的多元化环境挑战，其工作场所的周边条件需格外关注，尤其在设备柜体的设计中，冷却系统的优化堪称关键。目标不仅是确保充足的散热区域和高效的空气流通，还需引入专业的风扇和空调设施以维持适宜的温度。如图4所示，针对油泵电机实施了节能改造的电路设计。
3.4变频器的接线
首先，在实施变频器接线操作时，务必重视主电路的连通性，鉴于电线固有的电阻特性，务必确保变频器与电机间的连线长度适宜，并严格遵循电源正负极的正确连接，切勿混淆。
其次，在操控信号线的连接过程中，推荐使用屏蔽电缆，其中一端需保持无接触，远离地面或其他可能的干扰源，屏蔽层应连接至公用输入接口，以确保信号纯净。
最后，在安装变频器的过程中，须关注变压器运作中可能出现的谐波效应，这可能导致系统干扰，尤其对压铸机数字化仪表构成威胁。为防范此问题，安装时应遵循以下策略：(1)为抵制输入输出电流产生的谐波，引入电抗器是关键措施；(2)在设计线路布局时，尽量避免变频器输入、输出线路以及控制信号线平行或捆绑，同时确保控制信号线实施屏蔽，优选使用4~20 mA的电流信号传输；(3)确保变频器机壳可靠接地，以降低电磁干扰。
针对此次的油泵电机变速改造项目，原定为固定转速的电机切换至可调速模式，尽管可能带来电机温度上升的风险，但由于油泵电机的工作性质为间歇式，温度上升幅度有限。因此，是否增设恒速风扇以控制温度，需根据电机实际运行时的温度状况灵活判断。
3.5变频器的保护功能
在设计变频器时，其不仅需具备灵活的调速性能，还应内置高级保护机制，包括电压监控、电流均衡、相位完整性以及负载管理。一旦遇到电压过高或过低、电流异常、相位缺失或负载超载等情况，变频器应能迅速响应，通过警告信号或自动断开电路，确保设备安全并预留足够的安全裕度。为了提升维护效率，变频器还需具备故障诊断和实时警报功能。一旦遭遇故障或参数偏离预设范围，变频器会立即发出警报，以便维护人员能够及时了解问题并采取相应措施，确保系统的稳定运行。
4节能分析
4.1改造后设备运行情况
在液态压铸机采用变频调速技术后，实施了严谨的检验流程，包括运行状态监控和关键部件如电机及油泵温度的测量，以确保所有改动均运行平稳，设备能稳定高效地执行任务。通过灵活调整加速时间策略，得益于变频器的智能化“S”启动曲线模式，它支持无限可调速度，适应各种需求的加速周期，从而在保护设备的同时，实现了电机启动阶段的平滑过渡，避免了传统硬启动可能导致的电流冲击问题。
4.2压铸机变频改造前后各参数对比
压铸机变频改造前后的参数如表1所示。由表可知，尽管改造后油泵出口压力保持稳定，但电机的电流消耗和温升显著下降，这充分证明改造措施的有效性和节能优势。
4.3改造前后用电量分析
液态压铸机完成变频调速革新后，其节能效益的显著性可通过对比改造前后电力消耗来评估。首先，需让变频器在常规运行模式（非节能）和节能模式下各运行一段时间，记录下各自初始和最终的电表读数。然后，利用下式来计算出节能效率，以此揭示改造成果：节电率＝［（非节电状态用电量－节电状态用电量）÷非节电状态用电量］×100%。
由此可以精准地根据电能消耗计算出变频器的节能率，进而计算出每小时平均节省的电量，以及改造实施的成效。例如，针对一台800 t压铸机制造DY100发动机左曲轴箱体的生产过程，若单件产品分析，变频器启用前，每件产品耗电为0.335 1度，而启用后降至0.229 9度，这意味着节能率达到31.39%。同样，按照运行时间计算，先前每小时耗电高达73.8度，采用变频器后降至50.5度，节能比例达31.57%,这充分证明了改造的显著节能效果。
5结束语
本文提出了液态压铸机的变频调速优化设计策略，详尽探讨了众多因素对生产流程和设备效能的关键影响，并针对这些挑战提出了切实可行的解决方案。通过理论研究与实际工程紧密结合，成功实施了压铸机的变频调速系统革新。经过对改进后系统的运行表现和节能效益深入剖析，结果显示新系统运行稳定且节能效益明显，证了设计的有效性和实用性。本文所讨论的某公司800 t压铸机变频调速改造项目是成功的，为同类设备的后续改进提供了丰富的实践参考。这项技术的有效利用显著削减了无谓的能量损耗。若能广泛采纳压铸机的变频调速改造策略，企业能源利用率提高，从而大幅节省运营成本。对于企业的长远发展而言，其影响力将是决定性的。
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