摘 要： 分析了变频器的容量及负载类型，基于变频器的外围设备电抗器、制动电阻的设计及选择方法，给出变频器在玻璃钢化行业中的选型及配置。
关键词： 变频器；容量；电抗器；制动电阻；滤波器
钢化玻璃是采用物理处理方法使玻璃表面产生永久压应力层，从而抵消使玻璃受损的拉应力的一种二次加工制品。钢化炉是钢化玻璃的加工设备，其生产过程主要是将玻璃送入加热炉内加热，达到一定温度后，快速均匀淬冷的过程。
变频器在钢化炉的控制系统中得到了广泛应用，变频器的正确选用对于钢化炉电控系统的稳定运行起着关键性的作用。
1 变频器的容量
容量做为变频器最主要的技术指标之一，决定了其运用场合及所采用的技术类型，对额定电流的合理选择有助于变频器的长期稳定运行。变频器的容量一般有3种表示方法：额定电流、适配电动机的额定功率、额定视在功率。
钢化炉传动及提弯系统在启动时均可能存在重载启动，因此要求变频器的容量必须按运行过程中可能出现的最大电流来选择，即：
IN＞Imax
IN为变频器额定电流；Imax为电动机的最大工作电流
在钢化炉传动系统中，选择变频器的容量时，一定要比匹配的同功率电动机容量大一级，才能满足电动机在整个调速范围内的负载特性要求。
钢化炉风冷系统的变频器一定要选择风机、泵类负载专用变频器，且最重要的是变频器的过载能力。因为玻璃钢化风冷的过程中，变频器要承受短时(10 s~20 s)过载，要求所选的变频器必须具备一定的过载能力，通常变频器的过载能力达到输出电流为1.5倍的额定电流时，工作达1 min即可满足要求。
另外基于风冷系统的特殊工艺，风机电机需在很短时间内频繁加、减速，所以在风机电机启动(加速)的过程中电动机不仅要负担稳速运行的负载转矩，还要负担加速转矩，风机电机加速时间(250 kW)限制在100 s，以避开峰值电流。
2 变频器负载类型
(1)钢化炉主传动系统
钢化炉的主传动系统包括入/出片辊道传动、加热炉辊道传动、风栅辊道传动4大传动体系，其负载均呈现恒转矩特性，即负载转矩TL与转速无关，任何转速下TL始终保持恒定或基本恒定，负载功率则随着负载速度的提高而呈线性增加。因此变频器拖动负载时，特别是玻璃在炉内往复低速运动的情况下输出转矩要足够大，并且有足够的过载能力，保证长期低速稳定运行。为了方便操作还可以选择具备设定V/f特性、转矩提升方法等功能的变频器。以富士变频器为例，具体负载选择设定如表1所示[1]。
(2)钢化炉风冷系统
风机是典型的流体负载，其转矩与转速的2次方成正比，功率与转矩的3次方成正比。可以通过变频器调速来调节风量，以达到大幅度节约电能的目的。但由于此类负载在高速时需求功率增长过快，不建议这类负载使用时超工频运行。
基于风机负载类型，以富士变频器针对风机泵类负载设计的FRENIC5000P系列变频器为例，其转矩特性曲线如图1、图2所示[2]。
3 变频器的通讯端口
变频器基本的通讯方式为RS-485串行通讯，以风机变频器为例，与触摸屏之间以RS-485通讯进行数据交换，所以在选择变频器时也要对通讯端口进行考虑。
4 变频器防护等级
变频器的防护结构要与安装环境相适应，包括环境温度、湿度、粉尘、腐蚀性气体等因素的影响。对于玻璃钢化系统来说，变频器均配置在电控柜内，所以可以选择防护等级较低的变频器，IP00防护等级即可满足要求。
5 变频器外围设备
(1)AC/DC电抗器
钢化炉因其大量采用电加热及大功率风机进行钢化的特点，必须将变频器连接到大容量变压器电网中使用，从而使得电源的电抗百分比变小，流入变频器的电流的高次谐波成分增加，波幅值增大，从而可能引起变频器内部的整流器及滤波电容器等零部件的损坏。为此，最好选择带有改善输入功率因数及减小高次谐波的DC电抗器。
但对于电网污染比较严重的状况及电源变压器为变频器额定容量的10倍以上时，可选配AC电抗器进行无功补偿及谐波治理。选配AC/DC电抗器后，电压畸变率大约降低30％～50％，是不加电抗器谐波电流的1/2左右。所以很大程度上可以改善电网质量。
(2)制动单元(电阻)
钢化炉中加热炉、风栅辊传动需要频繁往复运动，这就使得电动机需要快速加、减速，且定位返回。如果由于运动惯性导致玻璃超出定位范围，那么玻璃在炉内位置将出现由于往复运动错位、玻璃加热不均匀，导致在钢化风冷过程中炸裂。所以为了提高传动系统变频器的制动能力，需外接制动电阻进行制动。
制动电阻的选择设计最关键的2个因素就是阻值与功率。
对于阻值的选择实践证明，当放电电流等于电动机额定电流的一半时，就可以得到与电动机的额定转矩相同的制动转矩，因此制动电阻[3]的粗略计算是：
UD为制动电压准值，IMN为电动机额定电流。
为了保证变频器不受损坏，强制限定制动电阻的最小阻值即流过制动电阻的电流为额定电流时的电阻数值。选择制动电阻的阻值时，不能小于该阻值[3]。
综上所述，制动电阻阻值R的选择范围为：
钢化炉中制动电阻的功率主要取决于刹车使用率ED%，由于系统制动时间较短，使得制动电阻的温升不足以达到稳定温升。因此，决定制动电阻功率的原则是在其温升不超过允许数值(即额定温升)的前提下，应尽量减小容量，粗略算法如下：
钢化炉中常用变频器功率适配制动电阻值如表2所示。
(3)输出滤波器
当变频器与电动机之间的连线很长时，电线间的分布电容会产生较大的高频电流，可能造成变频器过电流跳闸、漏电流增加、电流显示精度变差等。输出滤波器的作用就是为了抑制以上问题的出现。
在钢化炉中使用变频器需要注意的问题就是将变频器与电机的连线控制在50 m以内，超出50 m需要选配输出滤波器。而风机系列变频器应把长度控制在100 m以内，否则也需要选配输出滤波器。
6 变频器谐波的治理
在玻璃钢化控制系统中，干扰是困扰人们最大的问题。由于控制系统大量采用变频器驱动，使得非线性负载显著增加，即当电流流经负载时，与所加的电压不呈线性关系，形成了非正弦电流，从而产生谐波，如图3所示。
谐波的危害在于它可以使电网中的电气元件产生附加的谐波损耗，使输变电及用电设备的效率显著降低，另外还会引起电网中局部的串联或并联谐振，从而使谐波放大化。谐波通过电网传导可影响电气设备的正常工作，如使变压器产生机械震动、局部过热、绝缘老化、减少使用寿命、继电器保护装置误动作、仪表显示出现偏差等一系列问题。
钢化炉主要靠双向晶闸管或固态继电器2种电力电子元件进行调功，而这2种元件的触发信号均为弱电信号。谐波对弱电信号的干扰尤为严重，它会通过电网传导到触发源进行干扰，使其部分非正常触发，导致加热系统紊乱，不受系统控制。所以针对钢化炉的电源环境从以下方面对谐波进行了治理。
(1)调节变频器载波比
增加交流/直流电抗器可以增加供电电源的内阻抗，减小谐波分量。另外还可以对变频器的载波比进行调节，提高变频器的载波比，可以有效地抑制低次谐波。特别是参考波幅值与载波幅值＜1时，13次以下的奇数谐波将不再出现。但由于载波比的提高会加大电机噪声的产生，所以要适当对载波比进行调节。
(2)使用隔离变压器
使用隔离变压器是降低电源传导干扰的有效措施。隔离变压器的隔离层可以将绝大部分的传导干扰隔离在一侧。在钢化控制系统中常用于PLC、继电器、电磁阀等低压小功率电气设备的抗传导干扰。
(3)选用开关电源
在钢化系统中的典型表现是采用普通电源对编码器、传感器等进行供电，可能由于电源内存在谐波电流，导致传感器出现微导通现象，使得PLC接收到错误的输入信号，产生误动作。
为了解决此种干扰，采用开关电源对元件进行供电，利用其内部的滤波组件设计所产生的强抗干扰能力进行干扰抑制，同时还具有防止因电器本身的干扰传导给电源的功能。
(4)增加铁氧体磁环
检测信号和控制信号的传输均由信号线做为载体，做好信号线上的抗干扰工作能确保整个控制系统的准确性、稳定性和可靠性。
一般信号线上的干扰主要来自空间的电磁辐射，可以采用双绞线传输改变导线电磁感应e的方向，从而使其感应互相抵消，降低共模干扰。使用铁氧体磁环抑制信号线上的干扰是非常实用的选择，铁氧体磁环又称“吸收磁环”，尤其对于高频噪声有很好的抑制作用，并且在不同的频率下呈现不同的阻抗特性。
铁氧体磁环的选择及使用应遵循以下几点：
①电路阻抗：电路的阻抗越低，则铁氧体磁环（磁珠）的滤波效果越好；铁氧体材料的阻抗越大，滤波效果也越好。
②电流的影响：在电源线上使用时，可以将电源线与电源回流线同时同向穿过磁环，匝数越多对频率较低的干扰抑制效果越好，而对频率较高的噪声抑制作用较弱。以盲目增加匝数达到增加衰减量是常见的错误，由于寄生电容增加，高频的阻抗会减小。
③铁氧体材料：根据抑制干扰的频率不同，选择不同磁导率的铁氧体材料。铁氧体材料的磁导率越高，低频的阻抗越大，高频的阻抗越小。一般铁氧体磁环均为（Mn－Zn）材料制成。
④铁氧体磁环尺寸：磁环的内外径差越大，轴向越长，阻抗越大。因此，要获得大的衰减，内径必须包紧导线，尽量使用体积较大的磁环。
⑤铁氧体磁环的安装位置：尽量靠近干扰源。对于钢化设备电控柜上的电缆，磁环应尽量靠近柜体电缆的进出口处。
⑥铁氧体磁环在钢化炉中的应用：在钢化炉系统应用中，根据干扰信号频带较宽的特点，在PLC与触摸屏的通讯电缆上分别套2个磁环，并且线缆穿过每个磁环同向绕2匝和3匝，这样分别抑制了高频干扰和低频干扰。
另外，在风机变频器三相电源输入侧，每2相分别套1个磁环，以增加低频阻抗，抑制部分干扰信号。
(5)良好的接地系统
接地是抑制噪声和防止干扰的重要手段。良好的接地系统可在很大程度上抑制内部噪声的耦合，防止外部干扰的侵入，所以必须确保钢化系统电控柜中的所有设备接地良好。要求使用短、粗的接地线（建议采用金属网，因其在高频时阻抗较低）连接到公共地线上，与变频器相连的控制设备要与其共地。且要求接地电阻小于4 Ω，否则需要增加接地极进行改善。
通过以上措施的实施，基本改善了钢化炉控制系统的电源环境，保证了设备的正常运行。
参考文献
[1] 富士电机有限公司.富士变频器使用手册[M].2008.
[2] 李延周，郭莹莹.变频器在二次方率负载调速中的运用[J]自动化仪表，2009(5).
[3] 台达变频器制动电阻的设计[EB/OL].http://www.autooo.net，2008-01-13.