普傳科技 PI500 系列矢量變頻器在玻璃鋼化爐冷卻風機中的應用

1、引言 

鋼化玻璃已成為人類生活中不可缺少的重要材料。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(chǎn)過程主要是將玻璃送入加熱爐內(nèi)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(tǒng)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(tǒng)的穩(wěn)定運行起著關鍵性的作用，具有轉速追蹤再啟動功能的變頻器具有更好的節(jié)能效果。 

2、玻璃鋼化的工藝原理 

將經(jīng)過切、磨、洗后的普通優(yōu)質(zhì)平板玻璃送入鋼化爐，通過加熱（680℃~715℃）和淬冷，使玻璃內(nèi)產(chǎn)生很大的永久應力―表面為壓應力，內(nèi)部為張應力，即玻璃產(chǎn)生了一種均勻而有規(guī)律分布的內(nèi)應力，從而提高了玻璃的強度和熱穩(wěn)定性。鋼化設備已經(jīng)形成平鋼化機組、彎鋼化機組、平彎結合鋼化機組 三大系列。 

 其生產(chǎn)工藝流程是：

玻璃原片→檢驗→切裁→掰邊→洗滌→干燥→鋼化→檢驗→包裝→入庫 

3、水平軌道鋼化爐電氣電氣控制系統(tǒng) 

水平軌道式鋼化爐的電氣系統(tǒng)主要由裝片臺傳動電機、加熱區(qū)傳動電機、冷卻區(qū)傳動電機、卸片臺傳動電機、加熱冷卻風機電機、監(jiān)控計算機（HMI）、PLC、變頻器和各種現(xiàn)場儀表傳感器組成。全自動水平軌道式鋼化爐具有手動、半自動、自動多種控制方式。鋼化爐的各個單元的啟動、停止、參數(shù)設定全部通過 HMI 完成，同時 HMI 監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行狀態(tài)，變頻器在整個控制系統(tǒng)中作為動力驅(qū)動元件具有及其重要的作用。 

玻璃加熱后的冷卻分急冷和緩冷兩個階段。對玻璃急冷的基本要求是快速而均勻地冷卻，使玻璃外層呈壓力狀態(tài)而內(nèi)層呈張力狀態(tài)。冷卻速度愈快，溫度梯度愈大，產(chǎn)生的永久應力，即鋼化應力愈大，此時工藝要求風量和風壓必須在短時間內(nèi)迅速建立，充分冷卻達到鋼化效果。風機加速時間過短，變頻器很容易報過流故障；風機加速時間慢很容易造成鋼化效果不佳，調(diào)試過程中必須注意變頻器參數(shù)的優(yōu)化。所謂緩冷就是在玻璃完成淬冷―產(chǎn)生永久應力后，為節(jié)省能耗可降低冷卻強度，使玻璃緩慢冷卻至 40℃~50℃，即可進行人工卸片。 

4、變頻器對冷卻風機的控制方案 

在整個鋼化過程中，變頻器主要是對冷卻風機進行控制。玻璃加熱后的冷卻分淬冷和緩冷兩個階段，對玻璃淬冷的基本要求是快速而均勻地冷卻，使玻璃外層呈壓力狀態(tài)而內(nèi)層呈張力狀態(tài)。冷卻速度愈快，溫度梯度愈大，產(chǎn)生的永久應力，即鋼化應力愈大，此時工藝要求風量和風壓必須在短時間內(nèi)迅速建立，充分冷卻達到鋼化效果。 

(1) 淬冷電機要求加減速時間盡可能快，控制在 150s 以內(nèi)，對于變頻器過流抑制、過壓抑制能力有一定要求； 

(2) 持續(xù)過載能力，淬冷風機頻率到達最大值時，會有持續(xù) 20s 左右的大電流，接近 150%額定電流水平，要求變頻器不能頻繁報警； 

(3) 有些場合，停機方式采用自由停機，當二次啟動時，可能前次風機還未完全靜止下來，需要變頻器具備轉速追蹤再啟動功能； 

(4) 風機變頻驅(qū)動受前端上位機控制系統(tǒng)來控制，需要變頻器具備 RS485 通訊功能。 

常規(guī)控制方案有二段速度控制和轉速追蹤方案。

4.1 二段速度控制 

變頻器在 PLC 的控制下，根據(jù)需要進行頻率變換，使風機在最佳的節(jié)能狀態(tài)下運行。 

（1）風機待機階段：當玻璃在加熱階段的過程中，風機處于待機狀態(tài)，風機出口的風閘關閉。PLC 輸出模擬量信號給變頻器，變頻器對應輸出頻率一般為 20Hz，風機待機維持較低頻率運行，以便在需要淬冷時，風機能及時加速到淬冷需要的轉速。待機狀態(tài)，風機轉速只需額定轉速的40%，理論上電機的軸功率僅為額定功的 0.064 倍，一臺 315kW 的風機測得消耗的電能約為 20kW。

（2）淬冷前風機提速階段：當受熱軟化好的玻璃即將輸送至吹風淬冷區(qū)的前 20 秒左右，按照上位機的頻率設定 PLC 輸出相應的模擬量值給變頻器，變頻器對應輸出頻率 50Hz 使風機加速到設定的淬冷轉速，這一階段風機轉速從待機狀態(tài)加速達到額定轉速的 100%，對于厚度為 5.8－4.0mm的汽車玻璃，這一轉速范圍此設備即可達到其需要的淬冷風量和風壓要求。 

（3）玻璃淬冷鋼化階段：受熱完成后的高溫玻璃快速輸送到吹風淬冷區(qū)后，風閘迅速拉開，強大流量的氣流經(jīng)風管進入風柵，均勻地吹在玻璃上下表面，使玻璃極速淬冷，達到鋼化的目的。

（4）風機降速至待機狀態(tài)：在設定時間內(nèi)將變頻器從 50Hz 減速到 20Hz 待速運行，重復以上工藝。

二段速度控制的特點是控制方式簡單，對變頻器要求不高。

4.2 轉速追蹤方案 

“轉速追蹤再啟動（也稱飛車啟動）”的功能即對旋轉中的電機實施再啟動，是高性能變頻器的優(yōu)異特點之一。在變頻器的應用中，有許多場合和設備如機械慣性比較小的風機、大慣量的飛輪、鋼廠用的冷鋸等都要用到，這類設備一般停止的方式為自由停車，如果要再次啟動必須等待4~6 分鐘或更久，等風機或飛輪停止后才可啟動，而采用速度追蹤的功能，不需要等到設備停止可馬上執(zhí)行運轉啟動設備。

5、轉速追蹤功能及應用 

普傳科技研發(fā)生產(chǎn)的 PI500 系列變頻器具有優(yōu)異的控制算法和豐富的應用功能，完全滿足現(xiàn)場設備對啟動快速響應、轉速跟蹤再啟動等工藝要求，在鋼化爐（常規(guī)、防火爐）多年的實踐，受到用戶好評。淬冷離心風機由 PI500 系列變頻器供電和調(diào)速控制。AI1、AI12 和 COM 為模擬量輸入端口，接受來自 PLC 的 4-20mA（0-10V）模擬量電流信號，用來控制變頻器的輸出頻率。

5.1 產(chǎn)品具有以下特點 

? 優(yōu)異的過載能力：150%額定輸出電流 1 分鐘，180%額定輸出電流 2 秒，可縮短加速時間，提升效率； 

? 優(yōu)異的負載突變應對能力：玻璃鋼化爐風機在風門開啟瞬間，突加減負載時，變頻器能夠輕松應對，保護玻璃鋼化爐穩(wěn)定運行。 

? 同步轉速追蹤：不依賴硬件資源，快速檢測并追蹤上正在旋轉的電機速度和方向； 

? 節(jié)能降本：綜合節(jié)電率 10%以上； 

? 專用玻璃風機控制軟件和外置 485 通訊卡，更適合系統(tǒng)應用，電磁兼容性好 

? 寬電壓控制：輸入電壓 323-480V 區(qū)間可正常工作，不影響設備運行； 

? 高速直流風扇設計：高速直流散熱風扇，不會因電網(wǎng)電壓低影響變頻器散熱效果，從而影響長時間工作運行。 

5.2 轉速追蹤功能與設置 

下表為 PI500 變頻器使用說明書關于轉速追蹤功能參數(shù)的設置和說明。

5.3 應用特點和效果 

普傳變頻器轉速追蹤功能精準檢測電機轉速，追蹤起動非常平穩(wěn)，追蹤起動電流小。利用變頻器優(yōu)異的轉速追蹤功能可很好地滿足冷卻風機控制的工藝要求，節(jié)能效果比其它產(chǎn)品常用的二段速控制更好。速度功率時間曲線見下圖：

如圖所示，紅色曲線是普傳科技變頻器的速度及能量消耗曲線，降速時（t1-t3）采用“自由停車”方式，此時變頻器不輸出頻率，由于風機的大慣性特性，風機降速很慢，此時電機完全無能量消耗，下一次急冷前（t3-t4）追蹤起動，此時起動的轉速高，起動時間短，能很好地滿足急冷工藝要求。

二段速控制時，在急冷完成后，變頻器需要克服風機的大慣性降至待機頻率（t1-t2），此時電機需要消耗能量，待機運行時（t2-t3）也消耗能量。另外下一次急冷時又需要從較低的頻率加速至急

冷頻率，如果變頻器性能不好，會提高加速時間，耗費更多電能。

在上圖中 t5和 t4 的差值是普傳科技變頻器與其他變頻器在加工時間上的減少量，陰影部分是其

他變頻器與普傳變頻器在能量消耗上多出來的部分。

本項目配置，冷卻大風機 1 臺 315kW，1 臺 90kW。配置相應的 PI500 系列變頻器。

實踐證明，采用轉速追蹤再啟動方式比二段速度方式控制風機節(jié)能效果 10%以上。 

2020年5月1日正式實施的國家強制標準《玻璃和鑄石單位產(chǎn)品能源消耗限額》GB21340-2019，對鋼化玻璃單位能耗限額進行了規(guī)定，能耗限額等級分為1級2級和3級三個等級，其中1級能耗最低，等級限定值應不大于表中對應的數(shù)值。 

以下為某玻璃機械公司的LOW-E玻璃鋼化爐參數(shù)：

如6024型鋼化爐變壓器容量為1000KW玻璃鋼化爐高配置，爐體增加溫度采集模塊，使加熱更均勻，受熱更合理。風柵冷卻部分對風柵結構進行整體優(yōu)化。再通過控制系統(tǒng)，使風機啟動時間，頻率做到平衡，故而使用較小的風機既可以滿足玻璃的鋼化效果，降低自爆率的同時減少運行費用，真正做到了節(jié)能減排！