Специализирующаяся на производстве литьевых машин компания Haida Machinery предлагает  переработчикам обеспечить   за счет использования  сервоприводов экономию до 55 % энергии по сравнению с традиционными машинами, оснащенными гидравлическими системами регулирования расхода и регулируемыми насосами. В данной статье обсуждаются особенности  и преимущества.

Эффективное использование энергии – ответ росту цен на электроэнергию

Рост расходов на энергию сопровождается повышением уровня общественного сознания и возрастающей восприимчивостью населения к вопросам защиты климата и окружающей среды. Предприятия, перерабатывающие полимерные материалы, в связи с изменением отношения к энергии также оказались пе- ред необходимостью решения новых важных задач. Так к примеру в Европе, согласно статье 8 директивы 2012/27/EU все компании, насчитывающие по меньшей мере 250 сотрудников или имеющие оборот больше 50 млн евро, обязаны, начиная с 2015 г., проводить энергетический аудит и повторять его каждые четыре года. Энергетический аудит должен соответствовать требованиям стандарта DIN EN 16247-1 и основываться на актуальных производственных данных. От этой обязанности освобождаются только те компании, которые организовали систему менеджмента энергии или систему экологического менеджмента, соответствующую, например, требованиям стандарта DIN EN ISO 50001. В противном случае компании грозят внушительные денежные штрафы. Эта так называемая директива по энергоэффективности направлена на создание в Евросоюзе единых рамочных условий для проведения мероприятий по повышению эффективности использования энергии. Таким образом, на все компании указанного выше масштаба возлагается обязанность экономии энергии. Одним из наиболее реальных путей для решения этой проблемы является основательный анализ приводных систем, используемых на машинах компании, или по меньшей мере внимательное отношение к приводным системам при покупке нового оборудования (рис. 1).

Рис.1 Проверочные испытания проведенные с применением машины HDJS 50 (время цикла – 16 сек., в том числе время охлаждения – 4 сек.), наглядно продемонстрировали потенциальные возможности экономии энергии за счет использования сервопривода : 1– привод с гидравлической системой регулирования расхода, 2 – привод с асинхронным электродвигателем с регулированием частоты вращения  и регулируемым насосом, 3 –  привод с регулированием давления  и расхода управляемым электронным устройством насоса, 4 – сервопривод компании Haida Machinery. ( под постоянной составляющей понимается мощность необходимая для нагрева полимерного материала и обеспечение движения рабочих органов машин)

Развитие приводных систем

В 1980-х гг. был разработан привод с гидравлическим регулированием расхода с помощью регулирующего насоса (рис. 2). Несмотря на то что этот узел содержит регулирующий насос, гидравлическая система регулирования расхода имеет существенный недостаток, который проявляется в ее очень задержанном реагировании на происходящие в системе изменения.

Многочисленные сравнительные испытания показывают, что оборудованные такими системами литьевые машины потребляют значительно больше энергии, чем современные приводные системы. К этому следует добавить высокую потребность водоохлаждающей мощности, так как непрерывно работающий асинхронный электро- двигатель вместе с насосом передает гидравлическому маслу большое количество тепловой энергии.

Рис.2 D 1980-е гг. использовали привод с гидравлическим регулированием расхода.

По причине высокого энергопотребления такие машины характеризуются и высоким тепловыделением. Тем не менее многие компании до настоящего времени используют такое оборудование.

В 1995 г. на смену описанному выше приводу с гидравлическим регулированием расхода пришел более эффективный привод с насосом переменной производительности типа DFE (рис. 3). Преимущество такого  технического решения заключается в том, что регулирование давления и расхода с помощью управляемого электронным устройством насоса позволяет существенно уменьшить время ответной реакции. На переход из состояния покоя (холостой ход) в режим максимальной объемной производительности этот привод затрачивает около 150 мс. Когда потребность в мощности насоса отпадает, DFE-насос переключается  в  состояние покоя. Недостатком такого привода является то, что электродвигатель при этом продолжает работать. Благодаря высокой варьируемости режимов, такой привод потребляет примерно 87,5 % от мощности, потребляемой ранее описанным приводом с гидравлическим регулированием расхода, но все-таки значительно больше, чем предлагаемые в настоящее время сервоприводы.

Привод с асинхронным электродвигателем с регулированием частоты вращения и с регулируемым насосом в последние годы на рынке иногда обозначают термином «серво» и используют на литьевых машинах (рис. 4). Однако он имеет мало общего с настоящим сервоприводом, так как асинхронный электродвигатель с регулированием частоты вращения позволяет только осуществлять переключение между несколькими режимами работы, но не допускает возможности уменьшения частоты вращения до нуля. Основными недостатками этого привода по сравнению с современным сервоприводом являются существенно более низкая динамичность работы и увеличенное потребление энергии, которое составляет примерно 70 % от энергопотребления ранее описанного привода с гидравлическим регулированием расхода.

Сервопривод – самый эффективный

В современном сервоприводе с нерегулируемым насосом (рис. 5), который первой из китайских изготовителей литьевых машин пред- ставила на рынке в 2014 г. компания Haida Machinery (г. Нинбо), регулирование расхода осуществляется за счет изменения частоты вращения. Этот вариант характеризуется высокой динамикой: разгон из состояния покоя до максимальной частоты вращения занимает менее 70 мс. Когда необходимость в насосе отпадает, серводвигатель отключается и не потребляет энергию. Результатом становится значительное снижение энергопотребления, которое по сравнению с приводом с гидравлическим регулированием расхода составляет всего 45 % при увеличенной производительности литья под давлением (рис. 6).

Рис.3 Начиная с 1995 г. применяется привод с регулированием давления и расхода с помощью управляемого электронным устройством насоса

Практиковавшееся ранее широкое использование регулируемых насосов требовало поддержания постоянной температуры масла на уров- не примерно 40 °C, так как чувствительные к колебаниям вязкости гидравлические узлы для регулирования расхода с помощью регулируемого насоса допускали возможность изменения температуры в очень узком диапазоне. Привод насоса на основе серводвигателя может эксплуатироваться в более широком температурном диапазоне и включается в работу при более низкой температуре равной 27 °C. Это позволяет пользователю сэкономить время и энергию при пуске машины. Применение новой разработки компании Haida Machinery, получившей название ServoEnSaving, позволяет обеспечить дальнейшее снижение температуры пуска до 18 °C, что в большинстве случаев

Рис.4 Предшественник сервопривода – привод с асинхронным электродвигателем с регулированием частоты вращения (FU) и с регулируемым насосом

вообще не требует нагрева масла (см. вставку в статью). Наряду с большими потенциальными возможностями экономии, обусловленными более низким энергопотреблением и сокращением продолжительности пускового периода, пользователь оборудования получает ряд дополнительных преимуществ, таких как уменьшение расходов на обслуживание машин, снижение наполовину уровня шума, повышение качества выпускаемых  изделий за счет обеспечения повторяемости процесса их изготовления и увеличения срока службы. Кроме того сокращается потребность в охлаждающей воде так как маслу передается меньше тепловой энергии.

Возрастающее значение затрат на жизненный цикл

Рис.5 Сервопривод (слева) с нерегулируемым насосом (справа): когда необходимость в насосе отпадает, серводвигатель отключается.

В перспективе для заказчиков, принимающих решение о покупке нового оборудования, важное значение будут иметь не только непосредственно связанные с его приобретением расходы; им придется одновременно учитывать расходы, относящиеся к жизненному циклу машины. Таким образом, энергозатраты, приходящиеся на весь срок службы оборудования, превращаются в один из решающих факторов.

Поэтому так важно, что машины серии HDJS компании Haida Machinery, оснащенные сервоприводами, по сравнению со стандартными гидравлическими литьевыми машинами обеспечивают снижение энергопотребления на единицу выпускаемой продукции примерно на 55%. Следовательно, низкая стоимость машины вовсе необязательно означает самое выгодное с экономической точки зрения коммерческое предложение

Заключение

Рис. 6. Характерный рост производительности литья под давлением в период с 1986 по 2018 г. по мере повышения энергоэффективности работы литьевых машин за счет совершенствования приводных систем: 1 – энергоэффективность Е (энергия, потребляемая на переработку единицы массы материала); 2 – производительность N (количество циклов литья в единицу времени)

Не подлежит сомнению, что использование в литьевом производстве энергоэффективных машин будет способствовать изменению отношения к потреблению энергии. Переход на литьевые машины с сервоприводами открывает широкие возможности для экономии энергии (см. рис. 1). Кроме того, с каждым сэкономленным киловатт-часом энергии привод насоса с серводвигателем уменьшает примерно на 600 г выбросы диоксида  углерода в окружающую среду, что означает существенный позитивный вклад в дело ресурсосбережения.