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铝型材表面处理电源选型、设计等节电分析。

作者:广州市爱浦电子来源:网络 日期:2017年1月21日 09:18

1 引言
        为了克服铝型材表面性能方面的缺点,扩大应用范围,延长使用寿命,表面处理技术是铝型材使用中不可缺少的一坏。从根本上说是为了解决或提高防护性、装饰性和功能性三大方面的问题。铝型材表面处理方法有:表面机械处理,表面化学处理,表面电化学处理,物理处理等。表面电化学处理中的阳极氧化应用非常广泛,是解决铝型材保护、装饰和功能的重要方法。阳极氧化之后的电解着色技术,是表面处理技术发展最广泛而倾注精力最大的方面,处于技术核心地位。电泳涂装也是表面处理技术中很具发展方向的适用技术,铝型材经阳极化和电解着色后再进行电泳涂装,有双层保护,品质更高,拥有电泳涂装线也成为铝型材厂综合技术水平的标志之一。
        上述阳极氧化工艺,电解着色工艺,电泳涂装工艺配套的表面处理电源是各工艺过程的关键设备,根据对应工艺,运行参数,输出功率,输出波形,保护方式等的不同行业内一般习惯上称之为氧化电源,着色电源和电泳电源。经过近30年的发展,主要包括上述电源设备在内的铝型材表面处理电源的国内制造水平已经取得了长足的进步,完全满足了我国铝型材表面处理工业蓬勃发展的需要。目前,基于晶闸管整流的铝型材表面处理电源以其成熟,稳定,可靠在行业内得到了最广泛的应用。但各设备制造厂家的设计水平,依据标准,制造工艺,使用寿命,可靠性指标,能耗指标等仍参差不齐。本文从节电的角度出发,论述了铝型材表面处理电源在选型,设计,安装,运行等各个方面的最新进展和应采取的措施。

2 设备选型
        为了满足铝型材连续大规模生产以及高档化发展的需要,提高工厂的投入产出效益,铝型材表面处理电源设备选择的基本原则应该是技术成熟,运行可靠,经济节能。

2.1 氧化电源的选择
        (1) 随着单体氧化槽设计的产量不断增高,相应地氧化电源的输出电流也设计得越来越大,目前国内单机输出已达28KA。传统的风冷式氧化电源由于效率散热效果差,可靠性低,噪音巨大,使用寿命短,其应用受到很大的限制,也已经不能满足氧化电源越来越大的功率输出要求,我们首次在铝型材大功率表面处理电源中采用新型全密闭水冷的方式,取得了良好的应用效果。在影响装置可靠性的多种因素中,散热是至关重要的一个,特别是在大功率整流装置中,大功率半导体器件工作时所产生的热量,将导致芯片温度的升高,如果没有适当的散热措施,就可能使芯片的温度超过所允许的最高结温,从而导致器件性能的恶化以致损坏。新型全密闭水冷式铝型材氧化电源采用的是一种全水冷的方式,氧化电源设备中的晶闸管、二极管、整流变压器、汇流母排等均为水冷却方式,由此构筑了全密闭式循环水冷却系统。由于循环水不与大气直接接触,其热交换一般是通过水—水换热系统完成的,既避免了设备内部安装冷却风机的电能损耗,同时也避免了设备内元器件受到因空气交换带来的腐蚀性气体的腐蚀,可确保设备长期稳定地运行。在条件合适的地方,氧化电源的冷却水还可与工厂的冷却水系统统一设计,充分考虑能量的再回收和利用。
        (2)传统的氧化槽供电方式一般采用单电源集中式供电,即将氧化电源安装放置在槽的某端,再从氧化电源输出处分别通过铝排或电缆接到氧化槽的两端。这样,靠近电源一端的槽端连接电缆或铝排长度就相对较短,而远离电源的槽端电缆或铝排就需要跨越整个槽体的长度,一般这个长度在10-20米之间,带来了氧化槽供电的不平衡。如果将槽两端的连接电缆或铝排的长度布置得完全一样,那就只能以远槽端的长度为准,造成了线路损耗的增加和材料上的浪费,安装上也不太方便。为了克服单电源集中式供电的缺点,改善氧化槽导电的均匀性,建议采用氧化槽两端双电源分布式供电的氧化电源,尤其是单台氧化电源输出电流要求在12KA以上是更是如此。两台氧化电源就近安装在槽的两端,每台电源的额定容量和实际输出都是完全一样的,配合自动化控制系统的设计,保证双电源输出的同步性和一致性,从而减少了导电排的连接和电压降,可实现更加节能的生产。因为槽两端双电源对称供电,氧化槽内的电流分布更加均匀,有效提高了氧化膜的品质。
        (3)选择氧化电源时,其额定电压不宜过高,考虑母排输电损耗和电网压降等因素,一般按最大工作槽压的115%选择即可。铝氧化电源原国际通用的输出电压为 24V,而实际使用仅为15~18V,就是按目前国内常用的22V,也高出不少,尤其是对双电源分布式供电的氧化电源更是如此,因为双电源供电的氧化槽的输电损耗更低。氧化电源设备额定电压选得过高,而实际使用电压较低时,晶闸管处在深控调压状态,设备谐波含量较高,设计容量也会更高,不利于降低设备的运行损耗和配套滤波补偿装置的容量。

2.2 着色电源的选择
        (1)着色电源是为电解着色工艺服务的,应该根据工艺要求选用最合用的电源,指望某一类着色电源能满足所有的着色工艺并且使用效果都良好是不现实的,目前暂时也没有这样的着色电源产品。电解着色按槽液基本上分为镍盐和锡盐(包括锡镍混盐)溶液两大类,对应着色电源主要为住化法着色电源和DC-AC着色电源,即分别代表直流(周期换向)电解着色技术和交流电解着色技术。从工厂实际运行效果看,如果仅从着色电源角度考虑,直流电解着色要比交流电解着色的速度快和节省电能,效率较高,但电解着色是一个系统工程,究竟选用何种工艺和电源,要综合考虑产品类型,槽液消耗,工厂自动化程度,投入产出比等众多因素。
        (2)DC- AC着色电源中的调压器是设备关键部件,在装置中实现稳压功能,一般厂家采用感应调压器,我们在国内最先采用柱式调压器,得到用户的广泛认可。感应调压器存在波形失真大、阻抗电压高、效率低、调节速度慢、噪音高、不能从零开始调节等众多不利于电解着色工艺的缺点;而柱式调压器属变压器型产品,具有波形失真小、阻抗小、效率高、调节速度快、可从零调节、噪音低等一系列有利于电解着色工艺的显著优点。下表1列出了工程上常用的480KVA柱式调压器与同容量感应调压器的主要技术性能对比。
        从上表所见,柱式调压器的阻抗电压也远小于感应调压器,这个特性能很好地为着色工艺所用,保证在电压上升过程中提供足够的冲击电流,在着深颜色如黑色、古铜色时特别有利,能节省5-15分钟的工艺时间,提高生产效率。另外,感应调压器的空载电流很大,空载电流与额定电流的占比达到16%左右,而柱式调压器只有不到2%,由于电解着色的工艺工程属短时工作,设备有比较长时间属待机状态,所以柱式调压器与感应调压器在节能和降低配电网容量方面也处于明显优势。
        (3)着色电源的输出容量不宜选得过大,目前有越来越大的趋势,很多时候造成“大牛拉小车”的现象,既不经济也不节能。事实上,只要着色槽的结构,挂料面积确定,电流密度确定,然后考虑一定的裕量,并且电源设备制造商严格按照规定的容量和技术参数设计制造,选择合适输出功率着色电源是完全可行的。

2.3 电泳电源的选择
        (1)依据电泳涂装的工作原理,电泳电源是电泳涂装设备中关键的配套设备,没有直流电源就谈不上电泳。适当选择电泳电源的容量,可明显提高电泳涂装设备的性价比。如果电源容量选择过大,会提高设备的制造成本,提高设备的装机功率,造成浪费。反之,则使整条生产线得不到充分利用,生产效率无法提高。如有大件需上线涂装,电泳电流过大,造成直流电源过流保护,不能正常生产。所以在设计电泳涂装设备工作中,直流电源的选择显得格外重要。
        电泳电源的额定电压应满足电泳漆施工电压要求,应小于电泳漆“破坏电压”,而大于电泳漆的“临界电压”。工程实践中,电泳电压一般按槽压的120%选用即可,不宜选得太高,这样对降低设备输出的纹波系数有利。
        (2)电泳电源的纹波系数是一个设备比较重要的指标,表征直流成分的纯净程度,纹波系数过大,则提供的电源中含交流成分多,交流成分太多则影响成膜速度及膜质量,造成涂层薄,涂层表面粗糙,容易产生针孔等。纹波系数当然是越高越好,然而电泳槽对电泳电源来说已相当于一个容性负载,在设备运行时会起到很大的平抑纹波的作用,如果再对电泳电源纹波系数要求过高,设备的体积、造价、运行成本等均会直线上升。工程上一般要求设备在50%以上额定输出时,纹波系数小于 5%即能满足工艺要求。

3 设备的设计与制造
        铝型材表面处理电源装备的制造水平近年得到了快速提升,产生了不少新的设计和制造工艺,较大程度实现了标准化设计和生产,为我国铝型材加工工业的飞跃发展提供了重要的设备保障。然而,由于技术水平,市场导向,综合实力等的明显不同,各电源设备制造商所提供产品的差异性还是客观存在的。为了实现设备更加节能的目标,就必须遵循严格的产品设计制造标准和制造工艺。

3.1 选用优质的元器件
        (1)整流变压器是表面电源设备中的最重要元器件之一,其运行损耗约占电源设备总体损耗的一半以上。因此整流变压器的高效率设计尤为重要。整流变压器铁芯多采用三相五柱式结构,可以让三次及高次谐波电流从旁轭通过,从而大大降低了损耗,比传统三芯柱整流变压器节电10%以上。为了降低变压器空载损耗,整流变压器的铁芯必须采用高磁导率冷轧有取向硅钢片。其边柱角和中柱角应采用45°斜接缝方式,这种方式硅钢片利用率最高,导磁最好,该方式比全为直接缝方式的空载损耗可降低15%-25%。
        (2)电源设备必须选用全新优质低功耗的晶闸管和二极管作为整流和调压元件。为了确保设备的可靠性,元件裕量必须足够。为了达到更高的效率,有时候还可以选用名牌进口元件或对元件进行必要的筛选。在氧化电源设备中,二极管的管压降每降低0.1伏,就可带来超过0.5%的效率提升,所以选用优质功率器件的节电效果是显而易见的。
        (3)电源设备中大量使用铜,铝,铝合金等材料作为导体传递电能,如铜电缆,铜排,铜管,铜箔,铝排等。在这些导体上的电能损耗与导体的电阻率成正比,所以设备中所使用的导电介质必须选择优良材质的特定牌号的铜铝或铝合金材料,以减少杂质,降低传输损耗。

3.2 规范而合理的设计
        (1)氧化电源输出功率大,功率因数低,主要产生较多5,7次特征谐波,目前一般采用无源滤波补偿装置作为氧化电源的配套设备来提高功率因数和滤除谐波,以达到节约电能,消除谐波干扰的目的。配套无源滤波装置是采用串联L、C谐振原理,设计若干滤波支路,吸收5、7次谐波的装置。从滤波装置的原理看,其中的滤波电抗的设计是很关键的。为了达到最好的滤波效果,以我们的设计经验看,滤波电抗必须采用单相电抗器,而不能从节省成本考虑采用三相电抗器。原因很简单,三相电抗器的每相电感之间有相连的磁路,存在着互感,其电感值的精度不能得到保证,一般最好的只能达到5%左右,三相不平衡度也达到5%,而单相电抗器的电感值精度最少可达到1%,且因为是单相,所以不存在三相电感不平衡的问题。滤波补偿装置串联谐振的原理要求对电感值的精度提出了较高的要求,一般再结合电容器电容值的配对筛选,工程实践上采用单相电抗器的滤波设备,经过合理的设计,其5,7次谐波滤除率可达到75%以上,而采用三相电抗器的滤波设备因为谐振点偏离较多,谐波滤除率往往很低,基本会在10%以下,有些甚至起不到滤波效果,电抗器只是作为限制电容器放大谐波电流而存在。谐波滤除率低,就不能减少因为谐波电流而带来的设备附加损耗,节能效果可想而知。
        (2)着色电源,电泳电源均采用变压器副边调压的原理,设备就算停止输出,但只要主开关是合闸状态,其变压器也是带电的,产生不小的空载损耗。且着色电源,电泳电源工作方式是短时工作制,待机的时间都不短。为了节电,可设计在变压器进线端安装接触器或智能开关,这样,当设备停止输出的时候同时,就可以很方便在槽边或中控室的操作面板上将主回路断电,达到节能降耗的目的。如果是风冷的设备,还可以考虑将风机设计成随电源设备的开和停而即时启动,延时停止,以延长风机寿命,并且避免风机空转带来的损耗。
        (3)设备中导体的电流密度的选取与能耗水平直接相关,为了节电,必须严格按照不同冷却方式下导体的载流密度来选择连接导体的型号规格,而不能为了降低设备制造成本而盲目地提高导体的电流密度,这样对最终用户是没有好处的,会带来了更大的运行成本。
        (4)大电流交变电流会产生交变磁场,交变磁场带来的电磁感应(涡流或环流)会引起柜体和电源内部钢铁件局部过热(严重情况下,会导致局部被烧红),并产生附加损耗。因此,必须对电源设备的柜体进行防磁设计。为了隔断柜体构件形成的闭合磁路,或者切断可能形成的环流,可以部分采用非导磁(或不导电)材料,如不锈钢材料,合金材料,钢化玻璃,绝缘材料,工程塑料等。需要焊接的骨架,在可能发热的部位采用不锈钢材料,如1Cr18Ni9Ti;交直流进出线位置,采用高(机械和绝缘)强度的环氧酚醛层压玻璃布板,如3240,346等;支撑整流臂的承重梁,可以采用铝合金型材或绝缘材料,如角铝、槽铝、绝缘角、绝缘槽、绝缘条、绝缘棒等;柜门可以大面积地采用钢化玻璃制作;各种管、套等部件,也可以采用工程塑料制造,如ABS、PPO和PPR等。工程实践中,上述措施可以综合使用,也可以结合电源设备柜体的发热部分单独具体采取某一项措施,从而有效降低柜体的表面温度,减少能量损失。

3.3 提高产品制造工艺水平
        提高产品制造工艺水平也是降低电源能耗水平的重要途径之一。
        (1)设备柜内导电排必须顺着电流的目标流向进行排列布置,必须避免母线的交叉连接和来回折返,矩形截面的母线一般应立放,以利散热,连接的母线和电缆应该尽可能地短,以减小功率损耗,提高运行效率。
        (2)为了保证整流元件有足够的压力和良好的冷却效果,所有导电接触面均需采用铣床进行精细加工,光洁度要求在▽6.3以上,母排进行全长镀锡,可有效降低接触电阻,电性能好,也可防腐,提高整机效率和使用寿命。
        (3)全密闭水冷结构,电气控制部分与整流部分隔离,控制系统防腐性能好。箱体外壳采用磷化、喷塑处理,有效防止涡流发热造成的能量损耗,并保证设备能在酸、碱、潮湿等腐蚀性气体介质环境中长期稳定工作。
        (4)电源设备的装配和布线,要求做到工艺整齐美观,做到横平竖直,选料适当,工序合理,安装准确牢靠,符合安全电气规范,方便电气设备的调试、维护和检修,保证设备的可靠运行。

4 设备安装
        (1)电源设备安装时,应靠近负载端安装,固定良好,输出导电排和电缆布置牢靠,并保证足够的电流密度。氧化电源一般建议用铝排连接,着色和电泳电源建议用铜电缆连接。电源与电槽之间的连接导体存在电感,该电感阻滞了电流变化,会对邻近的槽体和导电梁造成干扰,应采用短、粗、根数多的电缆线,且阴、阳极电缆线相绞而用,可尽量抵消电感效应,并降低功率传输损耗。
        (2)氧化电源配套的滤波补偿装置节电最大值是基于消除线路上的谐波电流损耗。实际上某些铝型材厂的谐波治理方案并不能达到这种效果。他们仅是为了满足电网公司对于接入点(PCC)的谐波指标要求,采用集中滤波补偿方案,或将滤波补偿装置直接安装在配电系统的最上端,也就是主变压器的下端。这样,企业内部的谐波电流不会有任何改善,甚至会增加,因此也就无法获得线路损耗降低的收益。要通过谐波治理获得节电效果,必须减小谐波电流在线路上的损耗。最理想的方法就是在谐波源负载处进行谐波治理。也就是在每个谐波源负荷即氧化电源的进线电源入线处安装一台滤波器。实际上,在每个谐波源负荷处安装滤波器,不仅能够获得较好的节电效果,而且能够保证企业内部电网的质量,是最理想的谐波治理方案。

5 设备运行与维护
        设备长期稳定可靠运行离不开规范的日常维护和定期检查,用户应在设备厂家指导下,制定设备的日常巡视检查制度和定期保养制度。周期性的维护能使设备有更长的使用寿命和发挥最佳的性能。周期性检查内容应包括:冷却系统,设备连接螺栓紧固情况,设备运行环境情况,功率器件发热情况等,特别是对设备异常发热点的及时处理,与设备的节电和经济运行直接相关。

6 结束语
        低碳节能减排是当今铝型材表面处理生产线关注的热点之一,基于晶闸管整流的铝型材表面处理电源作为生产线上的重要设备,包括氧化电源,电泳电源,着色电源等,本文从设备的选型,设计,安装,运行等各个方面探讨表面处理电源节省电能,提高效率的措施。本文从铝型材表面处理电源的选型,设计,安装,运行等各个方面入手,结合多年的设计和实践经验,提出表面处理电源节省电能,提高效率的多个措施,为铝型材加工企业节能降耗,绿色生产提供了电源设备方面的参考意见,具有较强的现实意义。

 

 

 

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