塑料注塑机中永磁同步伺服电机的应用

一、引言
交流异步电动机以其结构简单、价格便宜、适应各种工业条件等优点，被广泛应用于工业生产各个领域。变频器的出现，打破了异步电机无法进行无级调速的局面，改善了其使用效果。但是变频调速仍受限于异步电动机的效率低、低速运转时转矩变小、谐波损耗大、速度变动率大、动态性能不佳等缺点。而且异步电机的效率低，功率因素小，低速发热等问题仍然无法改善。

永磁同步电动机动态响应性好，输出扭矩大，其性能与效率是使用异步电机和变频器的组合无法超越的。在国外尤其是在日本，同步电机不仅使用在全电动注塑机上，而且在普通注塑机上的应用也越来越广。目前，日本的油研、大金、德国的BUCHER等众多公司都加大了对电液混合系统的研发。中国丰富的稀土资源使电机的生产成本大大降低，目前永磁同步电机与异步电机在价格上已十分接近。随着国内塑料市场对产品质量以及精度的要求，厂商对注塑机的控制精度也有了相应的提高，同步电机将越来越多的被使用到注塑机上。

二、同步电机和异步电机
异步电机(感应电机)的工作原理是通过定子的旋转磁场在转子中产生感应电流，产生电磁转矩，转子中并不直接产生磁场。因此,转子的转速一定是小于同步速的(没有这个差值，即转差率，就没有转子感应电流)，也因此叫做异步电机。而同步电机转子本身产生固定方向的磁场(用永磁铁或直流电流产生)，定子旋转磁场'拖着'转子磁场(转子)转动，因此转子的转速一定等于同步速，也因此叫做同步电机。永磁同步电动机的转速n始终为n=60f/p不变，式中f为设定频率，p为电机极对数。

由于不需要从电网吸收无功电流，转子上既无铜耗又无铁耗，所以同步电机在很宽的负载范围内能保持接近于1的功率因数，机器效率比同容量的异步电动机提高8％左右，力能指标（ηXcosΦ ）提高18％左右。稀土永磁同步电动机的功率密度比同容量的异步电动机提高5％左右。

三、节能性比较
１、永磁同步电机和异步电机在不同负载情况下的运转效率比较：　

从图中可以看出，永磁同步电机的运转效率明显高于异步电动机。

２、实际测试
1).测试条件：
在两台注塑机上使用相同的模具注塑测试样品（光盘状薄片），原料为普通PP。两台注塑机分别为HTF86X1/J2（使用同步伺服电机、定量齿轮泵）、HTF80/J1（使用异步电机、变量泵）。2).永磁同步伺服电机测试功率曲线（见下图）

两台注塑机的测试时间均为一个小时，注塑循环周期为19.0s，其中冷却时间为3s，托模进退停顿时间为2秒。通过电度表实际测得HTF86X1/J2耗电量为2.12度，HTF80/J1耗电量为2.75度。计算可得，HTF86X1/J2比HTF80/J1每小时省电0.63度，大约能节省22.9％的电能。

3)节能效果分析：
在相同情况下，使用变频器控制同步电机比控制异步电机要省电20％以上。变频器控制比起变量泵控制的节能效果主要由空闲时间和机器运行时间的比值决定。随着变频控制技术的发展，控制方法的完善以及控制精度的提高，其节能性也将更加突出。根据上面的数据,在空闲时间只占了总周期四分之一的情况下，其节能效果已经非常明显。

四、电机控制
单纯使用变频器加同步电机并不能获得良好的控制效果，为此，海天公司科技部开发了具有闭环控制功能的变频器控制模块，并申请了专利。

图3是该技术的大致原理。图中流量信号与压力信号是由主控制器给出的输入信号，压力传感器将系统压力的实际值实时反馈给控制算法模块，计算后输出驱动信号给变频器。当压力传感器信号与压力信号进行叠加补偿后，与流量信号进行P、Q转换。工作中，注塑机的系统压力不高于给定的压力，流量不大于给定的流量。当压力反馈信号小于压力给定信号时，输出流量等于流量信号给定流量；当压力反馈信号接近压力给定信号，而输出流量小于流量给定时，进行压力闭环控制。
　
在该算法的控制下,实际压力可以很好地跟随给定压力。同时用速度和压力两个方面同时控制机器运行过程，使得控制的更为全面，整机的响应速度和控制精度都有了非常大的改善。

五、小结　 尽管异步电机的控制技术也日渐完善，但其自身的功率因数、效率以及发热问题始终无法克服。同步电机技术越来越成熟，制造成本上也与异步电机越来越接近，正在越来越多的场合取代异步电机。随着电力资源的日趋紧张，政府和企业都越来越重视环保与节能产品的开发和推广，同步电机在注塑机上的应用将成为趋势。