普传科技 PI500 系列矢量变频器在玻璃钢化炉冷却风机中的应用

1、引言 

钢化玻璃已成为人类生活中不可缺少的重要材料。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，具有转速追踪再启动功能的变频器具有更好的节能效果。 

2、玻璃钢化的工艺原理 

将经过切、磨、洗后的普通优质平板玻璃送入钢化炉，通过加热（680℃~715℃）和淬冷，使玻璃内产生很大的永久应力―表面为压应力，内部为张应力，即玻璃产生了一种均匀而有规律分布的内应力，从而提高了玻璃的强度和热稳定性。钢化设备已经形成平钢化机组、弯钢化机组、平弯结合钢化机组 三大系列。 

 其生产工艺流程是：

玻璃原片→检验→切裁→掰边→洗涤→干燥→钢化→检验→包装→入库 

3、水平轨道钢化炉电气电气控制系统 

水平轨道式钢化炉的电气系统主要由装片台传动电机、加热区传动电机、冷却区传动电机、卸片台传动电机、加热冷却风机电机、监控计算机（HMI）、PLC、变频器和各种现场仪表传感器组成。全自动水平轨道式钢化炉具有手动、半自动、自动多种控制方式。钢化炉的各个单元的启动、停止、参数设定全部通过 HMI 完成，同时 HMI 监控整个系统的运行状态，变频器在整个控制系统中作为动力驱动元件具有及其重要的作用。 

玻璃加热后的冷却分急冷和缓冷两个阶段。对玻璃急冷的基本要求是快速而均匀地冷却，使玻璃外层呈压力状态而内层呈张力状态。冷却速度愈快，温度梯度愈大，产生的永久应力，即钢化应力愈大，此时工艺要求风量和风压必须在短时间内迅速建立，充分冷却达到钢化效果。风机加速时间过短，变频器很容易报过流故障；风机加速时间慢很容易造成钢化效果不佳，调试过程中必须注意变频器参数的优化。所谓缓冷就是在玻璃完成淬冷―产生永久应力后，为节省能耗可降低冷却强度，使玻璃缓慢冷却至 40℃~50℃，即可进行人工卸片。 

4、变频器对冷却风机的控制方案 

在整个钢化过程中，变频器主要是对冷却风机进行控制。玻璃加热后的冷却分淬冷和缓冷两个阶段，对玻璃淬冷的基本要求是快速而均匀地冷却，使玻璃外层呈压力状态而内层呈张力状态。冷却速度愈快，温度梯度愈大，产生的永久应力，即钢化应力愈大，此时工艺要求风量和风压必须在短时间内迅速建立，充分冷却达到钢化效果。 

(1) 淬冷电机要求加减速时间尽可能快，控制在 150s 以内，对于变频器过流抑制、过压抑制能力有一定要求； 

(2) 持续过载能力，淬冷风机频率到达最大值时，会有持续 20s 左右的大电流，接近 150%额定电流水平，要求变频器不能频繁报警； 

(3) 有些场合，停机方式采用自由停机，当二次启动时，可能前次风机还未完全静止下来，需要变频器具备转速追踪再启动功能； 

(4) 风机变频驱动受前端上位机控制系统来控制，需要变频器具备 RS485 通讯功能。 

常规控制方案有二段速度控制和转速追踪方案。

4.1 二段速度控制 

变频器在 PLC 的控制下，根据需要进行频率变换，使风机在最佳的节能状态下运行。 

（1）风机待机阶段：当玻璃在加热阶段的过程中，风机处于待机状态，风机出口的风闸关闭。PLC 输出模拟量信号给变频器，变频器对应输出频率一般为 20Hz，风机待机维持较低频率运行，以便在需要淬冷时，风机能及时加速到淬冷需要的转速。待机状态，风机转速只需额定转速的40%，理论上电机的轴功率仅为额定功的 0.064 倍，一台 315kW 的风机测得消耗的电能约为 20kW。

（2）淬冷前风机提速阶段：当受热软化好的玻璃即将输送至吹风淬冷区的前 20 秒左右，按照上位机的频率设定 PLC 输出相应的模拟量值给变频器，变频器对应输出频率 50Hz 使风机加速到设定的淬冷转速，这一阶段风机转速从待机状态加速达到额定转速的 100%，对于厚度为 5.8－4.0mm的汽车玻璃，这一转速范围此设备即可达到其需要的淬冷风量和风压要求。 

（3）玻璃淬冷钢化阶段：受热完成后的高温玻璃快速输送到吹风淬冷区后，风闸迅速拉开，强大流量的气流经风管进入风栅，均匀地吹在玻璃上下表面，使玻璃极速淬冷，达到钢化的目的。

（4）风机降速至待机状态：在设定时间内将变频器从 50Hz 减速到 20Hz 待速运行，重复以上工艺。

二段速度控制的特点是控制方式简单，对变频器要求不高。

4.2 转速追踪方案 

“转速追踪再启动（也称飞车启动）”的功能即对旋转中的电机实施再启动，是高性能变频器的优异特点之一。在变频器的应用中，有许多场合和设备如机械惯性比较小的风机、大惯量的飞轮、钢厂用的冷锯等都要用到，这类设备一般停止的方式为自由停车，如果要再次启动必须等待4~6 分钟或更久，等风机或飞轮停止后才可启动，而采用速度追踪的功能，不需要等到设备停止可马上执行运转启动设备。

5、转速追踪功能及应用 

普传科技研发生产的 PI500 系列变频器具有优异的控制算法和丰富的应用功能，完全满足现场设备对启动快速响应、转速跟踪再启动等工艺要求，在钢化炉（常规、防火炉）多年的实践，受到用户好评。淬冷离心风机由 PI500 系列变频器供电和调速控制。AI1、AI12 和 COM 为模拟量输入端口，接受来自 PLC 的 4-20mA（0-10V）模拟量电流信号，用来控制变频器的输出频率。

5.1 产品具有以下特点 

 优异的过载能力：150%额定输出电流 1 分钟，180%额定输出电流 2 秒，可缩短加速时间，提升效率； 

 优异的负载突变应对能力：玻璃钢化炉风机在风门开启瞬间，突加减负载时，变频器能够轻松应对，保护玻璃钢化炉稳定运行。 

 同步转速追踪：不依赖硬件资源，快速检测并追踪上正在旋转的电机速度和方向； 

 节能降本：综合节电率 10%以上； 

 专用玻璃风机控制软件和外置 485 通讯卡，更适合系统应用，电磁兼容性好 

 宽电压控制：输入电压 323-480V 区间可正常工作，不影响设备运行； 

 高速直流风扇设计：高速直流散热风扇，不会因电网电压低影响变频器散热效果，从而影响长时间工作运行。 

5.2 转速追踪功能与设置 

下表为 PI500 变频器使用说明书关于转速追踪功能参数的设置和说明。

5.3 应用特点和效果 

普传变频器转速追踪功能精准检测电机转速，追踪起动非常平稳，追踪起动电流小。利用变频器优异的转速追踪功能可很好地满足冷却风机控制的工艺要求，节能效果比其它产品常用的二段速控制更好。速度功率时间曲线见下图：

如图所示，红色曲线是普传科技变频器的速度及能量消耗曲线，降速时（t1-t3）采用“自由停车”方式，此时变频器不输出频率，由于风机的大惯性特性，风机降速很慢，此时电机完全无能量消耗，下一次急冷前（t3-t4）追踪起动，此时起动的转速高，起动时间短，能很好地满足急冷工艺要求。

二段速控制时，在急冷完成后，变频器需要克服风机的大惯性降至待机频率（t1-t2），此时电机需要消耗能量，待机运行时（t2-t3）也消耗能量。另外下一次急冷时又需要从较低的频率加速至急

冷频率，如果变频器性能不好，会提高加速时间，耗费更多电能。

在上图中 t5和 t4 的差值是普传科技变频器与其他变频器在加工时间上的减少量，阴影部分是其

他变频器与普传变频器在能量消耗上多出来的部分。

本项目配置，冷却大风机 1 台 315kW，1 台 90kW。配置相应的 PI500 系列变频器。

实践证明，采用转速追踪再启动方式比二段速度方式控制风机节能效果 10%以上。 

2020年5月1日正式实施的国家强制标准《玻璃和铸石单位产品能源消耗限额》GB21340-2019，对钢化玻璃单位能耗限额进行了规定，能耗限额等级分为1级2级和3级三个等级，其中1级能耗最低，等级限定值应不大于表中对应的数值。 

以下为某玻璃机械公司的LOW-E玻璃钢化炉参数：

如6024型钢化炉变压器容量为1000KW玻璃钢化炉高配置，炉体增加温度采集模块，使加热更均匀，受热更合理。风栅冷却部分对风栅结构进行整体优化。再通过控制系统，使风机启动时间，频率做到平衡，故而使用较小的风机既可以满足玻璃的钢化效果，降低自爆率的同时减少运行费用，真正做到了节能减排！