摘 要： 分析了變頻器的容量及負載類型，基于變頻器的外圍設備電抗器、制動電阻的設計及選擇方法，給出變頻器在玻璃鋼化行業中的選型及配置。
關鍵詞： 變頻器；容量；電抗器；制動電阻；濾波器
鋼化玻璃是采用物理處理方法使玻璃表面產生永久壓應力層，從而抵消使玻璃受損的拉應力的一種二次加工制品。鋼化爐是鋼化玻璃的加工設備，其生產過程主要是將玻璃送入加熱爐內加熱，達到一定溫度后，快速均勻淬冷的過程。
變頻器在鋼化爐的控制系統中得到了廣泛應用，變頻器的正確選用對于鋼化爐電控系統的穩定運行起著關鍵性的作用。
1 變頻器的容量
容量做為變頻器最主要的技術指標之一，決定了其運用場合及所采用的技術類型，對額定電流的合理選擇有助于變頻器的長期穩定運行。變頻器的容量一般有3種表示方法：額定電流、適配電動機的額定功率、額定視在功率。
鋼化爐傳動及提彎系統在啟動時均可能存在重載啟動，因此要求變頻器的容量必須按運行過程中可能出現的最大電流來選擇，即：
IN＞Imax
IN為變頻器額定電流；Imax為電動機的最大工作電流
在鋼化爐傳動系統中，選擇變頻器的容量時，一定要比匹配的同功率電動機容量大一級，才能滿足電動機在整個調速范圍內的負載特性要求。
鋼化爐風冷系統的變頻器一定要選擇風機、泵類負載專用變頻器，且最重要的是變頻器的過載能力。因為玻璃鋼化風冷的過程中，變頻器要承受短時(10 s~20 s)過載，要求所選的變頻器必須具備一定的過載能力，通常變頻器的過載能力達到輸出電流為1.5倍的額定電流時，工作達1 min即可滿足要求。
另外基于風冷系統的特殊工藝，風機電機需在很短時間內頻繁加、減速，所以在風機電機啟動(加速)的過程中電動機不僅要負擔穩速運行的負載轉矩，還要負擔加速轉矩，風機電機加速時間(250 kW)限制在100 s，以避開峰值電流。
2 變頻器負載類型
(1)鋼化爐主傳動系統
鋼化爐的主傳動系統包括入/出片輥道傳動、加熱爐輥道傳動、風柵輥道傳動4大傳動體系，其負載均呈現恒轉矩特性，即負載轉矩TL與轉速無關，任何轉速下TL始終保持恒定或基本恒定，負載功率則隨著負載速度的提高而呈線性增加。因此變頻器拖動負載時，特別是玻璃在爐內往復低速運動的情況下輸出轉矩要足夠大，并且有足夠的過載能力，保證長期低速穩定運行。為了方便操作還可以選擇具備設定V/f特性、轉矩提升方法等功能的變頻器。以富士變頻器為例，具體負載選擇設定如表1所示[1]。
(2)鋼化爐風冷系統
風機是典型的流體負載，其轉矩與轉速的2次方成正比，功率與轉矩的3次方成正比。可以通過變頻器調速來調節風量，以達到大幅度節約電能的目的。但由于此類負載在高速時需求功率增長過快，不建議這類負載使用時超工頻運行。
基于風機負載類型，以富士變頻器針對風機泵類負載設計的FRENIC5000P系列變頻器為例，其轉矩特性曲線如圖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，以風機變頻器為例，與觸摸屏之間以RS-485通訊進行數據交換，所以在選擇變頻器時也要對通訊端口進行考慮。
4 變頻器防護等級
變頻器的防護結構要與安裝環境相適應，包括環境溫度、濕度、粉塵、腐蝕性氣體等因素的影響。對于玻璃鋼化系統來說，變頻器均配置在電控柜內，所以可以選擇防護等級較低的變頻器，IP00防護等級即可滿足要求。
5 變頻器外圍設備
(1)AC/DC電抗器
鋼化爐因其大量采用電加熱及大功率風機進行鋼化的特點，必須將變頻器連接到大容量變壓器電網中使用，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及減小高次諧波的DC電抗器。
但對于電網污染比較嚴重的狀況及電源變壓器為變頻器額定容量的10倍以上時，可選配AC電抗器進行無功補償及諧波治理。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質量。
(2)制動單元(電阻)
鋼化爐中加熱爐、風柵輥傳動需要頻繁往復運動，這就使得電動機需要快速加、減速，且定位返回。如果由于運動慣性導致玻璃超出定位范圍，那么玻璃在爐內位置將出現由于往復運動錯位、玻璃加熱不均勻，導致在鋼化風冷過程中炸裂。所以為了提高傳動系統變頻器的制動能力，需外接制動電阻進行制動。
制動電阻的選擇設計最關鍵的2個因素就是阻值與功率。
對于阻值的選擇實踐證明，當放電電流等于電動機額定電流的一半時，就可以得到與電動機的額定轉矩相同的制動轉矩，因此制動電阻[3]的粗略計算是：
UD為制動電壓準值，IMN為電動機額定電流。
為了保證變頻器不受損壞，強制限定制動電阻的最小阻值即流過制動電阻的電流為額定電流時的電阻數值。選擇制動電阻的阻值時，不能小于該阻值[3]。
綜上所述，制動電阻阻值R的選擇范圍為：
鋼化爐中制動電阻的功率主要取決于剎車使用率ED%，由于系統制動時間較短，使得制動電阻的溫升不足以達到穩定溫升。因此，決定制動電阻功率的原則是在其溫升不超過允許數值(即額定溫升)的前提下，應盡量減小容量，粗略算法如下：
鋼化爐中常用變頻器功率適配制動電阻值如表2所示。
(3)輸出濾波器
當變頻器與電動機之間的連線很長時，電線間的分布電容會產生較大的高頻電流，可能造成變頻器過電流跳閘、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題的出現。
在鋼化爐中使用變頻器需要注意的問題就是將變頻器與電機的連線控制在50 m以內，超出50 m需要選配輸出濾波器。而風機系列變頻器應把長度控制在100 m以內，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中，干擾是困擾人們最大的問題。由于控制系統大量采用變頻器驅動，使得非線性負載顯著增加，即當電流流經負載時，與所加的電壓不呈線性關系，形成了非正弦電流，從而產生諧波，如圖3所示。
諧波的危害在于它可以使電網中的電氣元件產生附加的諧波損耗，使輸變電及用電設備的效率顯著降低，另外還會引起電網中局部的串聯或并聯諧振，從而使諧波放大化。諧波通過電網傳導可影響電氣設備的正常工作，如使變壓器產生機械震動、局部過熱、絕緣老化、減少使用壽命、繼電器保護裝置誤動作、儀表顯示出現偏差等一系列問題。
鋼化爐主要靠雙向晶閘管或固態繼電器2種電力電子元件進行調功，而這2種元件的觸發信號均為弱電信號。諧波對弱電信號的干擾尤為嚴重，它會通過電網傳導到觸發源進行干擾，使其部分非正常觸發，導致加熱系統紊亂，不受系統控制。所以針對鋼化爐的電源環境從以下方面對諧波進行了治理。
(1)調節變頻器載波比
增加交流/直流電抗器可以增加供電電源的內阻抗，減小諧波分量。另外還可以對變頻器的載波比進行調節，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，13次以下的奇數諧波將不再出現。但由于載波比的提高會加大電機噪聲的產生，所以要適當對載波比進行調節。
(2)使用隔離變壓器
使用隔離變壓器是降低電源傳導干擾的有效措施。隔離變壓器的隔離層可以將絕大部分的傳導干擾隔離在一側。在鋼化控制系統中常用于PLC、繼電器、電磁閥等低壓小功率電氣設備的抗傳導干擾。
(3)選用開關電源
在鋼化系統中的典型表現是采用普通電源對編碼器、傳感器等進行供電，可能由于電源內存在諧波電流，導致傳感器出現微導通現象，使得PLC接收到錯誤的輸入信號，產生誤動作。
為了解決此種干擾，采用開關電源對元件進行供電，利用其內部的濾波組件設計所產生的強抗干擾能力進行干擾抑制，同時還具有防止因電器本身的干擾傳導給電源的功能。
(4)增加鐵氧體磁環
檢測信號和控制信號的傳輸均由信號線做為載體，做好信號線上的抗干擾工作能確保整個控制系統的準確性、穩定性和可靠性。
一般信號線上的干擾主要來自空間的電磁輻射，可以采用雙絞線傳輸改變導線電磁感應e的方向，從而使其感應互相抵消，降低共模干擾。使用鐵氧體磁環抑制信號線上的干擾是非常實用的選擇，鐵氧體磁環又稱“吸收磁環”，尤其對于高頻噪聲有很好的抑制作用，并且在不同的頻率下呈現不同的阻抗特性。
鐵氧體磁環的選擇及使用應遵循以下幾點：
①電路阻抗：電路的阻抗越低，則鐵氧體磁環（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，可以將電源線與電源回流線同時同向穿過磁環，匝數越多對頻率較低的干擾抑制效果越好，而對頻率較高的噪聲抑制作用較弱。以盲目增加匝數達到增加衰減量是常見的錯誤，由于寄生電容增加，高頻的阻抗會減小。
③鐵氧體材料：根據抑制干擾的頻率不同，選擇不同磁導率的鐵氧體材料。鐵氧體材料的磁導率越高，低頻的阻抗越大，高頻的阻抗越小。一般鐵氧體磁環均為（Mn－Zn）材料制成。
④鐵氧體磁環尺寸：磁環的內外徑差越大，軸向越長，阻抗越大。因此，要獲得大的衰減，內徑必須包緊導線，盡量使用體積較大的磁環。
⑤鐵氧體磁環的安裝位置：盡量靠近干擾源。對于鋼化設備電控柜上的電纜，磁環應盡量靠近柜體電纜的進出口處。
⑥鐵氧體磁環在鋼化爐中的應用：在鋼化爐系統應用中，根據干擾信號頻帶較寬的特點，在PLC與觸摸屏的通訊電纜上分別套2個磁環，并且線纜穿過每個磁環同向繞2匝和3匝，這樣分別抑制了高頻干擾和低頻干擾。
另外，在風機變頻器三相電源輸入側，每2相分別套1個磁環，以增加低頻阻抗，抑制部分干擾信號。
(5)良好的接地系統
接地是抑制噪聲和防止干擾的重要手段。良好的接地系統可在很大程度上抑制內部噪聲的耦合，防止外部干擾的侵入，所以必須確保鋼化系統電控柜中的所有設備接地良好。要求使用短、粗的接地線（建議采用金屬網，因其在高頻時阻抗較低）連接到公共地線上，與變頻器相連的控制設備要與其共地。且要求接地電阻小于4 Ω，否則需要增加接地極進行改善。
通過以上措施的實施，基本改善了鋼化爐控制系統的電源環境，保證了設備的正常運行。
參考文獻
[1] 富士電機有限公司.富士變頻器使用手冊[M].2008.
[2] 李延周，郭瑩瑩.變頻器在二次方率負載調速中的運用[J]自動化儀表，2009(5).
[3] 臺達變頻器制動電阻的設計[EB/OL].http://www.autooo.net，2008-01-13.