變頻器在玻璃鋼化爐中選型配置方法

鋼化玻璃是采用物理處理方法使玻璃表面產(chǎn)生永久壓應(yīng)力層，從而抵消使玻璃受損的拉應(yīng)力的一種二次加工制品。鋼化爐是鋼化玻璃的加工設(shè)備，其生產(chǎn)過(guò)程主要是將玻璃送入加熱爐內(nèi)加熱，達(dá)到一定溫度后，快速均勻淬冷的過(guò)程。
    變頻器在鋼化爐的控制系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用，變頻器的正確選用對(duì)于鋼化爐電控系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵性的作用。
1 變頻器的容量
    容量做為變頻器最主要的技術(shù)指標(biāo)之一，決定了其運(yùn)用場(chǎng)合及所采用的技術(shù)類型，對(duì)額定電流的合理選擇有助于變頻器的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。變頻器的容量一般有3種表示方法：額定電流、適配電動(dòng)機(jī)的額定功率、額定視在功率。
    鋼化爐傳動(dòng)及提彎系統(tǒng)在啟動(dòng)時(shí)均可能存在重載啟動(dòng)，因此要求變頻器的容量必須按運(yùn)行過(guò)程中可能出現(xiàn)的最大電流來(lái)選擇，即：
    I_N＞I_max
I_N為變頻器額定電流；I_max為電動(dòng)機(jī)的最大工作電流
    在鋼化爐傳動(dòng)系統(tǒng)中，選擇變頻器的容量時(shí)，一定要比匹配的同功率電動(dòng)機(jī)容量大一級(jí)，才能滿足電動(dòng)機(jī)在整個(gè)調(diào)速范圍內(nèi)的負(fù)載特性要求。
    鋼化爐風(fēng)冷系統(tǒng)的變頻器一定要選擇風(fēng)機(jī)、泵類負(fù)載專用變頻器，且最重要的是變頻器的過(guò)載能力。因?yàn)椴Ａт摶L(fēng)冷的過(guò)程中，變頻器要承受短時(shí)(10 s~20 s)過(guò)載，要求所選的變頻器必須具備一定的過(guò)載能力，通常變頻器的過(guò)載能力達(dá)到輸出電流為1.5倍的額定電流時(shí)，工作達(dá)1 min即可滿足要求。
    另外基于風(fēng)冷系統(tǒng)的特殊工藝，風(fēng)機(jī)電機(jī)需在很短時(shí)間內(nèi)頻繁加、減速，所以在風(fēng)機(jī)電機(jī)啟動(dòng)(加速)的過(guò)程中電動(dòng)機(jī)不僅要負(fù)擔(dān)穩(wěn)速運(yùn)行的負(fù)載轉(zhuǎn)矩，還要負(fù)擔(dān)加速轉(zhuǎn)矩，風(fēng)機(jī)電機(jī)加速時(shí)間(250 kW)限制在100 s，以避開(kāi)峰值電流。
2 變頻器負(fù)載類型
    (1)鋼化爐主傳動(dòng)系統(tǒng)
    鋼化爐的主傳動(dòng)系統(tǒng)包括入/出片輥道傳動(dòng)、加熱爐輥道傳動(dòng)、風(fēng)柵輥道傳動(dòng)4大傳動(dòng)體系，其負(fù)載均呈現(xiàn)恒轉(zhuǎn)矩特性，即負(fù)載轉(zhuǎn)矩TL與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)，任何轉(zhuǎn)速下TL始終保持恒定或基本恒定，負(fù)載功率則隨著負(fù)載速度的提高而呈線性增加。因此變頻器拖動(dòng)負(fù)載時(shí)，特別是玻璃在爐內(nèi)往復(fù)低速運(yùn)動(dòng)的情況下輸出轉(zhuǎn)矩要足夠大，并且有足夠的過(guò)載能力，保證長(zhǎng)期低速穩(wěn)定運(yùn)行。為了方便操作還可以選擇具備設(shè)定V/f特性、轉(zhuǎn)矩提升方法等功能的變頻器。以富士變頻器為例，具體負(fù)載選擇設(shè)定如表1所示[1]。

    (2)鋼化爐風(fēng)冷系統(tǒng)
    風(fēng)機(jī)是典型的流體負(fù)載，其轉(zhuǎn)矩與轉(zhuǎn)速的2次方成正比，功率與轉(zhuǎn)矩的3次方成正比?？梢酝ㄟ^(guò)變頻器調(diào)速來(lái)調(diào)節(jié)風(fēng)量，以達(dá)到大幅度節(jié)約電能的目的。但由于此類負(fù)載在高速時(shí)需求功率增長(zhǎng)過(guò)快，不建議這類負(fù)載使用時(shí)超工頻運(yùn)行。
    基于風(fēng)機(jī)負(fù)載類型，以富士變頻器針對(duì)風(fēng)機(jī)泵類負(fù)載設(shè)計(jì)的FRENIC5000P系列變頻器為例，其轉(zhuǎn)矩特性曲線如圖1、圖2所示[2]。

3 變頻器的通訊端口
    變頻器基本的通訊方式為RS-485串行通訊，以風(fēng)機(jī)變頻器為例，與觸摸屏之間以RS-485通訊進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，所以在選擇變頻器時(shí)也要對(duì)通訊端口進(jìn)行考慮。
4 變頻器防護(hù)等級(jí)
    變頻器的防護(hù)結(jié)構(gòu)要與安裝環(huán)境相適應(yīng)，包括環(huán)境溫度、濕度、粉塵、腐蝕性氣體等因素的影響。對(duì)于玻璃鋼化系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，變頻器均配置在電控柜內(nèi)，所以可以選擇防護(hù)等級(jí)較低的變頻器，IP00防護(hù)等級(jí)即可滿足要求。
5 變頻器外圍設(shè)備
    (1)AC/DC電抗器
    鋼化爐因其大量采用電加熱及大功率風(fēng)機(jī)進(jìn)行鋼化的特點(diǎn)，必須將變頻器連接到大容量變壓器電網(wǎng)中使用，從而使得電源的電抗百分比變小，流入變頻器的電流的高次諧波成分增加，波幅值增大，從而可能引起變頻器內(nèi)部的整流器及濾波電容器等零部件的損壞。為此，最好選擇帶有改善輸入功率因數(shù)及減小高次諧波的DC電抗器。
    但對(duì)于電網(wǎng)污染比較嚴(yán)重的狀況及電源變壓器為變頻器額定容量的10倍以上時(shí)，可選配AC電抗器進(jìn)行無(wú)功補(bǔ)償及諧波治理。選配AC/DC電抗器后，電壓畸變率大約降低30％～50％，是不加電抗器諧波電流的1/2左右。所以很大程度上可以改善電網(wǎng)質(zhì)量。
    (2)制動(dòng)單元(電阻)
    鋼化爐中加熱爐、風(fēng)柵輥傳動(dòng)需要頻繁往復(fù)運(yùn)動(dòng)，這就使得電動(dòng)機(jī)需要快速加、減速，且定位返回。如果由于運(yùn)動(dòng)慣性導(dǎo)致玻璃超出定位范圍，那么玻璃在爐內(nèi)位置將出現(xiàn)由于往復(fù)運(yùn)動(dòng)錯(cuò)位、玻璃加熱不均勻，導(dǎo)致在鋼化風(fēng)冷過(guò)程中炸裂。所以為了提高傳動(dòng)系統(tǒng)變頻器的制動(dòng)能力，需外接制動(dòng)電阻進(jìn)行制動(dòng)。
    制動(dòng)電阻的選擇設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的2個(gè)因素就是阻值與功率。
    對(duì)于阻值的選擇實(shí)踐證明，當(dāng)放電電流等于電動(dòng)機(jī)額定電流的一半時(shí)，就可以得到與電動(dòng)機(jī)的額定轉(zhuǎn)矩相同的制動(dòng)轉(zhuǎn)矩，因此制動(dòng)電阻[3]的粗略計(jì)算是：
    
UD為制動(dòng)電壓準(zhǔn)值，I_MN為電動(dòng)機(jī)額定電流。
    為了保證變頻器不受損壞，強(qiáng)制限定制動(dòng)電阻的最小阻值即流過(guò)制動(dòng)電阻的電流為額定電流時(shí)的電阻數(shù)值。選擇制動(dòng)電阻的阻值時(shí)，不能小于該阻值[3]。
   
    綜上所述，制動(dòng)電阻阻值R的選擇范圍為：
   
    鋼化爐中制動(dòng)電阻的功率主要取決于剎車使用率ED%，由于系統(tǒng)制動(dòng)時(shí)間較短，使得制動(dòng)電阻的溫升不足以達(dá)到穩(wěn)定溫升。因此，決定制動(dòng)電阻功率的原則是在其溫升不超過(guò)允許數(shù)值(即額定溫升)的前提下，應(yīng)盡量減小容量，粗略算法如下：
   
    鋼化爐中常用變頻器功率適配制動(dòng)電阻值如表2所示。

    (3)輸出濾波器
    當(dāng)變頻器與電動(dòng)機(jī)之間的連線很長(zhǎng)時(shí)，電線間的分布電容會(huì)產(chǎn)生較大的高頻電流，可能造成變頻器過(guò)電流跳閘、漏電流增加、電流顯示精度變差等。輸出濾波器的作用就是為了抑制以上問(wèn)題的出現(xiàn)。
    在鋼化爐中使用變頻器需要注意的問(wèn)題就是將變頻器與電機(jī)的連線控制在50 m以內(nèi)，超出50 m需要選配輸出濾波器。而風(fēng)機(jī)系列變頻器應(yīng)把長(zhǎng)度控制在100 m以內(nèi)，否則也需要選配輸出濾波器。
6 變頻器諧波的治理
    在玻璃鋼化控制系統(tǒng)中，干擾是困擾人們最大的問(wèn)題。由于控制系統(tǒng)大量采用變頻器驅(qū)動(dòng)，使得非線性負(fù)載顯著增加，即當(dāng)電流流經(jīng)負(fù)載時(shí)，與所加的電壓不呈線性關(guān)系，形成了非正弦電流，從而產(chǎn)生諧波，如圖3所示。

    諧波的危害在于它可以使電網(wǎng)中的電氣元件產(chǎn)生附加的諧波損耗，使輸變電及用電設(shè)備的效率顯著降低，另外還會(huì)引起電網(wǎng)中局部的串聯(lián)或并聯(lián)諧振，從而使諧波放大化。諧波通過(guò)電網(wǎng)傳導(dǎo)可影響電氣設(shè)備的正常工作，如使變壓器產(chǎn)生機(jī)械震動(dòng)、局部過(guò)熱、絕緣老化、減少使用壽命、繼電器保護(hù)裝置誤動(dòng)作、儀表顯示出現(xiàn)偏差等一系列問(wèn)題。
    鋼化爐主要靠雙向晶閘管或固態(tài)繼電器2種電力電子元件進(jìn)行調(diào)功，而這2種元件的觸發(fā)信號(hào)均為弱電信號(hào)。諧波對(duì)弱電信號(hào)的干擾尤為嚴(yán)重，它會(huì)通過(guò)電網(wǎng)傳導(dǎo)到觸發(fā)源進(jìn)行干擾，使其部分非正常觸發(fā)，導(dǎo)致加熱系統(tǒng)紊亂，不受系統(tǒng)控制。所以針對(duì)鋼化爐的電源環(huán)境從以下方面對(duì)諧波進(jìn)行了治理。
    (1)調(diào)節(jié)變頻器載波比
    增加交流/直流電抗器可以增加供電電源的內(nèi)阻抗，減小諧波分量。另外還可以對(duì)變頻器的載波比進(jìn)行調(diào)節(jié)，提高變頻器的載波比，可以有效地抑制低次諧波。特別是參考波幅值與載波幅值＜1時(shí)，13次以下的奇數(shù)諧波將不再出現(xiàn)。但由于載波比的提高會(huì)加大電機(jī)噪聲的產(chǎn)生，所以要適當(dāng)對(duì)載波比進(jìn)行調(diào)節(jié)。
    (2)使用隔離變壓器
    使用隔離變壓器是降低電源傳導(dǎo)干擾的有效措施。隔離變壓器的隔離層可以將絕大部分的傳導(dǎo)干擾隔離在一側(cè)。在鋼化控制系統(tǒng)中常用于PLC、繼電器、電磁閥等低壓小功率電氣設(shè)備的抗傳導(dǎo)干擾。
    (3)選用開(kāi)關(guān)電源
    在鋼化系統(tǒng)中的典型表現(xiàn)是采用普通電源對(duì)編碼器、傳感器等進(jìn)行供電，可能由于電源內(nèi)存在諧波電流，導(dǎo)致傳感器出現(xiàn)微導(dǎo)通現(xiàn)象，使得PLC接收到錯(cuò)誤的輸入信號(hào)，產(chǎn)生誤動(dòng)作。
    為了解決此種干擾，采用開(kāi)關(guān)電源對(duì)元件進(jìn)行供電，利用其內(nèi)部的濾波組件設(shè)計(jì)所產(chǎn)生的強(qiáng)抗干擾能力進(jìn)行干擾抑制，同時(shí)還具有防止因電器本身的干擾傳導(dǎo)給電源的功能。
    (4)增加鐵氧體磁環(huán)
    檢測(cè)信號(hào)和控制信號(hào)的傳輸均由信號(hào)線做為載體，做好信號(hào)線上的抗干擾工作能確保整個(gè)控制系統(tǒng)的準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性和可靠性。
    一般信號(hào)線上的干擾主要來(lái)自空間的電磁輻射，可以采用雙絞線傳輸改變導(dǎo)線電磁感應(yīng)e的方向，從而使其感應(yīng)互相抵消，降低共模干擾。使用鐵氧體磁環(huán)抑制信號(hào)線上的干擾是非常實(shí)用的選擇，鐵氧體磁環(huán)又稱“吸收磁環(huán)”，尤其對(duì)于高頻噪聲有很好的抑制作用，并且在不同的頻率下呈現(xiàn)不同的阻抗特性。
    鐵氧體磁環(huán)的選擇及使用應(yīng)遵循以下幾點(diǎn)：
    ①電路阻抗：電路的阻抗越低，則鐵氧體磁環(huán)（磁珠）的濾波效果越好；鐵氧體材料的阻抗越大，濾波效果也越好。
    ②電流的影響：在電源線上使用時(shí)，可以將電源線與電源回流線同時(shí)同向穿過(guò)磁環(huán)，匝數(shù)越多對(duì)頻率較低的干擾抑制效果越好，而對(duì)頻率較高的噪聲抑制作用較弱。以盲目增加匝數(shù)達(dá)到增加衰減量是常見(jiàn)的錯(cuò)誤，由于寄生電容增加，高頻的阻抗會(huì)減小。
    ③鐵氧體材料：根據(jù)抑制干擾的頻率不同，選擇不同磁導(dǎo)率的鐵氧體材料。鐵氧體材料的磁導(dǎo)率越高，低頻的阻抗越大，高頻的阻抗越小。一般鐵氧體磁環(huán)均為（Mn－Zn）材料制成。
    ④鐵氧體磁環(huán)尺寸：磁環(huán)的內(nèi)外徑差越大，軸向越長(zhǎng)，阻抗越大。因此，要獲得大的衰減，內(nèi)徑必須包緊導(dǎo)線，盡量使用體積較大的磁環(huán)。
    ⑤鐵氧體磁環(huán)的安裝位置：盡量靠近干擾源。對(duì)于鋼化設(shè)備電控柜上的電纜，磁環(huán)應(yīng)盡量靠近柜體電纜的進(jìn)出口處。
    ⑥鐵氧體磁環(huán)在鋼化爐中的應(yīng)用：在鋼化爐系統(tǒng)應(yīng)用中，根據(jù)干擾信號(hào)頻帶較寬的特點(diǎn)，在PLC與觸摸屏的通訊電纜上分別套2個(gè)磁環(huán)，并且線纜穿過(guò)每個(gè)磁環(huán)同向繞2匝和3匝，這樣分別抑制了高頻干擾和低頻干擾。
    另外，在風(fēng)機(jī)變頻器三相電源輸入側(cè)，每2相分別套1個(gè)磁環(huán)，以增加低頻阻抗，抑制部分干擾信號(hào)。
    (5)良好的接地系統(tǒng)
    接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地系統(tǒng)可在很大程度上抑制內(nèi)部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，所以必須確保鋼化系統(tǒng)電控柜中的所有設(shè)備接地良好。要求使用短、粗的接地線（建議采用金屬網(wǎng)，因其在高頻時(shí)阻抗較低）連接到公共地線上，與變頻器相連的控制設(shè)備要與其共地。且要求接地電阻小于4 Ω，否則需要增加接地極進(jìn)行改善。
    通過(guò)以上措施的實(shí)施，基本改善了鋼化爐控制系統(tǒng)的電源環(huán)境，保證了設(shè)備的正常運(yùn)行。