梁海燕
广东联升精密机械制造有限公司 广东佛山 528300
摘要：国内塑料行业大多采用电阻丝、电热圈对料筒和模头进行加热，将塑料原料经熔融塑化后再进行注塑、拉伸、挤出、吹塑等工艺成型加工成塑料制品。塑化能耗约占整机能耗的70%，而其中加热能耗占塑化能耗的20%～30%，所以提高加热效率对降低整机能耗是非常重要的一环。
关键词：电磁感应技术；注塑机节能改造；应用
1导言
注塑机目前被广泛应用于塑料成型的各个工业领域，它涵盖了所有的热塑塑料生产，注塑机制造的商品拥有相同性高、样式多样、生产数量大、效率高和消耗能源较低等多方面的优点，在当前汽车等工业快速发展的背景下，注塑机也迎来了发展的历史机遇，拥有巨大的市场发展空间。
2电磁加热原理及优势
2.1电磁感应原理
电磁感应原理是由一次和二次两个线圈通过相互感应而产生电流的过程，同时电磁感应将一次线圈上的电流能量带到二次线圈上，即从电磁波传输的源头到接收的终端。在理想的电磁波传输过程中，一次线圈和二次线圈彼此是相互分离的，并没有任何的连接媒介，这也是无线电磁波传输的基本模型。而在实际的传输过程中，由于线圈耦合在一次线圈和二次线圈之间存在一定长度的空气媒介，空气媒介会作为电磁波传输的中介阻碍部分电磁波的传输，因此一次线圈中的电流能量只有一部分能传递到二次线圈上，导致充电效率大大下降。
2.2电磁加热技术的优点
2.2.1加热效率高
电阻丝式加热是塑料加工行业最为常用的加热方式，因为该方法产生的热量只能单面的进行传导，故至少有一半的热量耗散到周围环境中，导致周围环境温度的升高。电磁加热系统的加热线圈不与被加热物体直接接触，而且保温层处于中间可以起到隔热的作用，这样一来热量极大程度的被封锁在被加热物体中，电能的利用率得到了极大的提高。
2.2.2加热速度快
电磁加热系统通过在被加热物体上产生涡流效应来对物体进行加热，相对于电阻丝式加热可以使物体很快的达到预设温度。
2.2.3控制精度高：可以采用多种控制策略进行精确的功率控制，使被加热物体温度与预设温度相差不超过1℃。
3电磁感应加热改造实例
据统计，目前世界范围内注塑机的生产总数占整个塑料成型机械的一半左右，注塑制品占塑料制品总量的30%左右，注塑机已成为塑料加工厂主要的能耗设备。因此，以某知名品牌90T型注塑机为例，对其进行电磁感应加热改造，并对比了改造后的节能效果。改造前该注塑机料筒长度700mm，料筒直径110mm，1区发热圈功率2.5kW，2区发热圈功率2.5kW，3区发热圈功率2.5kW，改造部分探温点3段。本注塑机改造前加热部分总功率为7.5kW，料筒加热温度设置为180~220℃，预热时间30min。改造时，在注塑机料筒外壁设置一层保温绝热棉，用于防止料筒内的热量散发。在保温绝热棉外缠绕电磁感应线圈，在感应线圈外再覆盖一层保护罩，用于保护该电磁加热筒不受损坏。因为改造部分探温点为3段，所以采用3个电磁控制器连接3组电磁感应线圈来分区控制温度，3个电磁控制器再统一接入一个电气控制柜中。
3.1 LC振荡电路
为了产生高频信号，采用由电感L、电容C组成选频网络的振荡电路。常见的LC正弦波振荡电路有变压器反馈式、电感三点式和电容三点式。由于电容三点式LC振荡电路频率的稳定度较高、输出波形较好和振荡频率较高。该电路包括了放大电路、正反馈网络、选频网络和稳幅电路。接通电路的瞬间产生的电扰动经三极管组成的放大器放大，然后由LC选频回路决定谐振频率f0，通过线圈把信号反馈至三极管基极。基极的瞬间电压极性和线圈反馈回基极的电压极性一致，满足相位平衡条件，三极管电流放大系数和线圈匝数比满足振幅条件，电路稳定的产生频率为f0的高频振荡信号。
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3.2温度电流检测电路
料筒加热温度设置为180~220℃，检测料筒温度时选用了美国OMEGA公司的GG–K–30型铠装热电偶，其具有体积小、内部无空气隙、热惯性好、测量滞后小、力学性能好、耐振、耐冲击、能弯曲、便于安装和使用寿命长等优点。
3.3驱动电路
绝缘栅双极型晶体管（IGBT）接口电路的设计直接影响到系统工作的可靠性。为使IGBT能可靠工作，其驱动电路必须在尽可能简单实用的基础上，向IGBT提供适当的正向栅压、足够的反向栅压，具有栅极电压限幅电路，有足够的输入输出电隔离能力和强抗干扰能力。本次改造采用Agilent公司的HCPL–316J门极驱动光耦合器，它最大开关时间为0.5μs，死区时间为2μs，具有光隔离、故障状态反馈、过流关断和欠压封锁等丰富的IGBT检测及保护功能。它能上下互锁，避免同一桥臂两只IGBT同时导通；栅极电阻外部可调，使用不同频率的IGBT均能工作在较高的开关频率下，并得到高转换效率。实际应用中，脉宽调制模块与该门极驱动光耦合器结合实现IGBT的驱动，成本低且安全可靠。
3.4 IGBT逆变电路
为把直流电变成高速变化的交变电流，采用串联谐振单相全桥逆变电路，控制使用脉冲宽度调制（PWM）方法。全桥逆变比半桥逆变电路开关电流减小一半，较适合大功率场合。当LC振荡电路产生的高频信号频率f0等于单相全桥逆变电路的谐振频率时，电路发生串联谐振现象，此时电路呈电阻性，串联阻抗最小，电流最大。为使电源始终工作在谐振状态，达到较高功率因数，控制选用脉冲宽度调制方法，通过改变2对IGBT开关管的驱动信号之间的相位差来改变输出电压值以达到调节功率的目的。
3.5工作过程
工作时，开动电磁感应加热系统和注塑机，通过人机界面设定料筒加热温度。塑料原料经过料斗注入料筒内，工频电流经过RC一阶低通滤波器和桥式整流后，变成直流电，再由LC振荡电路进行选频，产生高频信号。直流电经过IGBT逆变电路，成为高频高压交流电，高速变化的电流经过线圈，使料筒快速发热，将塑料原料熔融。当注塑机螺杆进行流水作业时，塑料原料持续的被注入料斗中并在熔融后注射成型，需要的加热功率是不断变化的。温度电流检测电路采集当前温度，同时检测当前电磁感应线圈的电流，反馈回MCU单片机，MCU通过比较温度设定值和温度采样值，改变IGBT驱动电路的脉冲输出宽度，从而改变驱动电磁感应线圈的高频高压电，实现加热温度的闭环控制。
4节能效果
经电磁感应加热技术改造后，该注塑机料筒长度为700mm，料筒直径160mm，1区发热圈功率1.8kW，2区发热圈功率1.6kW，3区发热圈功率1.6kW，改造部分探温点3段不变。注塑机经改造后加热部分的总功率为5kW，料筒温度保持180~220℃不变，预热时间为20min，与改造前相比缩短了10min。
改造后，按功率值计算直接降耗33%，保温工作状态节电约25%。以某公司车间共有70台该型号注塑机为例，注塑机工作时室温达到40℃以上，该车间采用18台空调降温，6台抽风机同时工作，控制室内温度在28℃左右。改装后减少一半空调使用量即可保持室温为28℃，综合节电可达50%以上。
5结束语
总之，对某品牌注塑机的加热装置进行了电磁感应技术改造，从改造后的效果可以看出，电磁感应加热装置在该注塑机的节能改造中节电效果明显，而且以上计算不包括原电阻式加热圈维护费用的低。据不完全统计，我国现有塑料加工设备约160万台，每年还以15%的速度递增，加热部分的电容量为2000万kW，按每台每年300个工作日计算，全国塑料加工机械全年用电量为600亿kW·h。若所有的机器都安装了电磁加热装置，那么全国节约电能约为180kW·h，这比葛洲坝全年的发电量还多23亿kW·h，对缓解国家电力紧张，降低企业生产成本，节约资源都有十分积极的作用和意义。
参考文献:
［1］佚名.塑料机械中应加大应用电磁感应加热技术［J］.国外塑料，2017，25（4）：83.
［2］张友根.注塑机机筒加热功率的设计［J］.工程塑料应用，2016，32（9）：62–65.
论文作者:梁海燕
论文发表刊物:《防护工程》2018年第11期
论文发表时间:2018/10/10
标签：线圈论文; 电路论文; 电磁感应论文; 注塑机论文; 温度论文; 电流论文; 功率论文; 《防护工程》2018年第11期论文;