基于电磁加热的注塑机加热系统的开发与应用

宋伟男

【摘 要】针对目前注塑机加热系统的弊端，提出了采用电磁加热的方式对注塑机加热系统进行设计与改造。电磁加热相比于传统的电阻丝式加热方法，有着加热效率高、速度快、容易控制温度、加热均匀等优势。该系统采用PWM移相调节功率的方式来进行功率控制，采用电压型串联谐振作为系统的逆变谐振模块，实现了注塑机加热系统的高效、稳定的运行。

【关键词】注塑机；电磁加热；PWM移相调节

0 引言

随着国民经济的发展，能源短缺在当今已成为一个不可忽视的问题。在国家节能减排的倡导下，越来越多的企业开始注重节能与环保。塑料加工制造业是我国的支柱产业之一，由于产品同质化严重，塑料加工企业想提高利润，只有在节能降耗、控制成本上下功夫。通常情况下，在塑料加工的过程中，电力成本大约可占到产品总成本的1/3，电能消耗的高低直接影响企业的利润率，如何降低产品生产成本，提高产品的竞争力，是每个塑料加工企业面临的一个核心问题。

为了提高电能利用率，减少生产成本，本文对注塑机加热系统进行了改造，使其满足塑料加工行业的工艺要求，解决了注塑机电阻式加热效率低下、控制精度低、寿命短等缺点，确保了塑料加工生产的稳定、高效。

1 电磁加热技术在注塑机加热系统的应用分析

1.1 注塑机加热系统的现状

传统的注塑机加热系统通常采用电阻丝加热的方式，电阻丝产生的热量要通过炮筒外部传导到内部才能完成对物料的加热，因此，在加热过程中热量损耗太大，造成车间温度过高，加热效率低下。

近几年，市面上一些采用电磁感应加热的加热系统往往采用家用电磁炉的设计思路，没有充分考虑到实际应用中的长时间运行、车间现场环境等需求。从而导致运行效率底下，加热不充分等问题。

为解决上述的问题，本文对加热系统进行重新设计，使其满足塑料加工行业的工艺要求，并且能在一定功率和频率下实现稳定的运行。

1.2 电磁加热原理及优势

电磁电磁加热技术的本质是运用交——直——交电路将电磁能转变成热能，将380V工频交流电进行整流然后逆变成10～20KHZ的交变电压，通过谐振电路线圈产生交变的磁场，在料筒壁产生涡流效应，从而实现了对物料的加热。

电磁加热技术的优点：

（1）加热效率高：在塑料加工行业主要使用的是电阻丝式的加热方式，这种方式产生的热量只能单面传导，因此至少有一半的热量耗散到周围环境中，使周围环境温度升高。而在电磁加热系统中，加热线圈与被加热物体不直接接触，中间有保温层进行隔热，将热量封锁在被加热物体中，极大的提高了电能利用率。

（2）加热速度快：由于电磁加热为非接触式加热，热耗散较小，通过在被加热物体上产生涡流效应来对物体进行加热，因此可以使物体很快达到预设温度。

（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℃。

2 系统总体设计方案

系统的主体框图如图1所示，分为整流滤波模块、逆变模块、谐振模块、功率控制模块。

2.1 主电路设计

整流模块采用不可控三相整流桥，在整流模块输出侧并联一颗电解电容进行滤波，从而可以给逆变模块提供稳定的直流电压。逆变器采用全桥逆变加串联谐振的方式，使逆变产生的20KHZ脉冲通过谐振支路转变为交变的磁场，从而实现电能向电磁能的转换。

2.2 谐振电路的选择

电磁加热谐振电路可分为串联谐振和并联谐振两种，与逆变器一起组成了谐振型逆变器。串联型逆变器是由电感L、电容C、等效电阻Req串联构成。并联型谐振逆变器是由电感L、等效电阻Req串联再并联电容C构成。针对注塑机加热系统的工作特点，系统选用串联型电容逆变器，该逆变器具有以下几个优先：

（1）串联谐振逆变器结构更加适合注塑机加热系统现场安装方式。串联谐振逆变器对布线要求交低，且谐振线圈与电容距离较远，运行起来更加可靠。

（2）容易选择IGBT，若选择电压型串联谐振逆变器，只需反向并联一个快速恢复二极管为谐振电流提供续流通路，并且该二极管只在逆变器功率因数角对应时间内通有电流，若逆变器工作在谐振状态时，对此二极管的容量要求较小，IGBT模块内置的反向二极管均能满足设计要求。

（3）电压型串联谐振逆变器易于启动且容易工作在谐振状态，对谐振电容的容量要求较低。

2.3 PWM移相控制电路的设计

移相PWM控制的原理是通过改变逆变电路输出电压的脉冲宽度来调节电源系统的加热功率。其原理是：使一个桥臂的驱动信号与逆变器输出电流保持一定的相位差，称之为定相臂，同时调节另外一组桥臂的相位，即移相臂。从而使逆变器输出功率发生变化。考虑到在注塑机加热系统的实际应用，选择移相调功的方式既能提高输出的精度，又能提高电源系统的输入侧功率因数。

系统采用UCC3895集成芯片，该芯片为TI公司产品，专门用来进行移相处理，该芯片在注塑机加热系统中能够稳定可靠的运行，产生PWM波驱动IGBT桥臂，可以使系统正常调节负载的功率大小。

3 系统运行状况分析

（1）将该电磁感应系统运用于注塑机料筒后，加热线圈与被加热物体不直接接触，中间有保温层进行隔热，将热量封锁在被加热物体中，极大的提高了电能利用率，由电阻丝加热的50%左右提升到90%以上。

（2）设备的加热速度明显加快，经济效益显著提升，设备生产前的预热时间由2小时减少到1-1.5小时。

（3）传统的注塑机加热系统通常采用电阻丝加热的方式，电阻丝产生的热量要通过炮筒外部传导到内部才能完成对物料的加热，电阻丝外部的温度高达200多度，使电阻丝迅速老化，寿命变短。而改造后的电磁加热系统料筒外壁温度只有80°左右，延长了元器件的使用寿命。

（4）温度控制精度提高至：±1℃以内，满足注塑机工作时的工艺要求，且料筒受热均匀，使产品质量得到了保证。

（5）由于热效率的提高，使热耗散功率大大降低，车间温度与工作环境得到了改善，有利于车间工人的身体健康。

4 结语

在能源短缺的今天，电磁加热技术以优异的性能和极高的电能利用率越来越受到塑料加工制造业的青睐。随着电力电子技术的进步，利用电磁加热技术制造的加热系统也在不断的变革，稳定性和效率都得到了提升。

在国家倡导节能减排的大环境下，注塑机加热系统越来越多的采用了电磁加热的方式，由此可以预测电磁加热必将给塑料制造业带来一次革命。

【参考文献】

[1]王光才.电磁感应加热技术在塑料加工工业的应用[J].电力需求侧管理，2007，9（6）：44-45.

[2]潘天明.现代感应加热装置[M].北京：冶金工业出版社，1996：1-10：47-64.

[3]工兴天.注塑技术与注塑机[M].北京：化学工业出版社，2005.

[4]夏思把，党福祥，等.新型晶闸管中频感应加热电源[J].电力电子技术，2002，36（04）：21-23.

[5]俞勇祥，陈辉明.感应加热电源的发展[J].金属热处理，2000（8）：28-29.

[责任编辑：王楠]