新型直流-交流著色電源的研究及應(yīng)用.doc

新型直流-交流著色電源的研究及應(yīng)用許敬濤李雄濤梁永萬(wàn)廣州君和電氣自動(dòng)化有限公司（中國(guó)廣州511400）摘要：簡(jiǎn)要介紹了鋁型材電解著色法及其配套的著色電源裝備的技術(shù)和特點(diǎn),重點(diǎn)闡述了新型不對(duì)稱直流-交流著色電源的主回路結(jié)構(gòu)、控制原理，并給出了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用的工藝曲線圖和實(shí)際著色效果。關(guān)鍵詞：鋁型材電解著色不對(duì)稱輸出DesignandapplicationofNewtypeDC-ACcoloringpowerSupplyXUJingtao,LIXiongtao,LIANGYongwan(GuangzhouJunheElectricCo.,Ltd,511400,GuangzhouChina)Abstract：Thispaperbrieflyintroducesthetechnologyandthefeatureofelectrolyticcoloringofaluminumprofilesanditsrelevantpowersupply,FocusingonmaincircuitstructureandcontrolmodelofthenewtypeDCACcoloringpowersupply.Thispaperalsoshowsactualprocesscurveandperformancesofcoloringonfieldapplication.Keywords:Aluminumprofiles,Electrolyticcoloring,Asymmetricoutput1前言在鋁型材陽(yáng)極氧化生產(chǎn)線中，電解著色工藝及技術(shù)處于核心地位。不同的槽體溶液及工藝方法，鋁型材電解著色效果也不一樣，所要求的著色電源波形及施電程序亦不同。按電源形式的不同可為交流著色和特種波形著色兩大類,交流著色方法又分為完全交流著色和直流-交流著色兩種，適應(yīng)的工藝以錫鹽和鎳錫混鹽為主，也用于硒鹽和銅鹽等。完全交流著色方法是日本早期的最主要的著色方法，具有操作簡(jiǎn)單、投資較小、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前也是我國(guó)最廣泛采用的著色方法。交流電解著色的負(fù)半周發(fā)生析氫與阻擋層中產(chǎn)生的缺陷的交互作用及沉積反應(yīng)，正半周一方面發(fā)生陽(yáng)極氧化，生成新鮮的氧化膜，修補(bǔ)阻擋層，另一方面消除濃差極化，為陰極反應(yīng)創(chuàng)造條件。直流-交流著色方法真正意義上來(lái)說(shuō)也屬于交流著色，最大的特點(diǎn)是，進(jìn)行交流著色之前有一段時(shí)間的直流處理，在著色槽中處于陽(yáng)極進(jìn)行電解，其目的是使不同部位氧化膜進(jìn)行均勻化處理，同時(shí)改變膜孔結(jié)構(gòu)，防止著色后氧化膜開裂，然后再進(jìn)行完全交流著色，這樣可以得到較均勻的著色效果。鋁材廠在生產(chǎn)深古銅或黑色料時(shí)，由于著色時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，鋁材在酸性槽液中浸泡太久，通常會(huì)產(chǎn)生起灰現(xiàn)象，鋁材產(chǎn)品的色澤不夠亮麗，生產(chǎn)效率也較低。由于金屬離子的析出過(guò)程為陰極還原反應(yīng)，據(jù)此，筆者在廣州電器科學(xué)研究院工作期間，設(shè)計(jì)研發(fā)了一種不對(duì)稱交流著色電源，通過(guò)控制交流電源正負(fù)波形的導(dǎo)通時(shí)間，使得負(fù)向波形面積大于正向波形面積，從而縮短著色時(shí)間，其最大的缺點(diǎn)在于生產(chǎn)淺色料時(shí)色差嚴(yán)重，僅能生產(chǎn)深色料。這種電源的輸出波形如圖一所示，其實(shí)質(zhì)為斷續(xù)脈沖波，諧波含量高，并具有直流分量，變壓器發(fā)熱嚴(yán)重，若正負(fù)波形比例相差過(guò)大，將會(huì)損壞電源設(shè)備，因此在實(shí)際應(yīng)用中，需要控制負(fù)向輸出電壓不要大于正向輸出電壓的1.1倍，使用效果不理想。圖一傳統(tǒng)不對(duì)稱著色電源電壓波形2新型不對(duì)稱直流-交流著色電源研制為克服上述不對(duì)稱著色電源的缺點(diǎn)，我公司研制出新型不對(duì)稱著色電源，實(shí)現(xiàn)了直流、對(duì)稱交流、不對(duì)稱交流波形任意組合輸出、施電方式多樣化、可控化，可滿足各種色系的著色工藝需求。采用該電源用于電解著色，不僅生產(chǎn)出的鋁材產(chǎn)品色澤純正亮麗，而且大幅度地提高了生產(chǎn)效率和降低了著色工藝環(huán)節(jié)的能耗。新型不對(duì)稱直流-交流著色電源主電路由三大部分組成，即調(diào)壓器,變壓器和DC-AC電能變換電路，如圖二所示。調(diào)壓器在變壓器原邊實(shí)現(xiàn)交流無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，并通過(guò)變壓器將電壓變到合適的電壓值，變壓器副邊使用晶閘管實(shí)現(xiàn)換相輸出。圖二新型不對(duì)稱DC-AC著色電源系統(tǒng)框圖其控制系統(tǒng)由PLC、觸發(fā)單元、變頻驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)及人機(jī)交互系統(tǒng)組成，PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)電源輸出電壓、電流的實(shí)時(shí)采樣，通過(guò)控制變頻器驅(qū)動(dòng)調(diào)壓器電機(jī)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓閉環(huán)控制。PLC通過(guò)RS485通信協(xié)議與人機(jī)交互系統(tǒng)通信，接收著色電源波形、施電程序、輸出電壓等指令。觸發(fā)單元由數(shù)字邏輯控制系統(tǒng)及脈沖驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)構(gòu)成，數(shù)字邏輯控制系統(tǒng)通過(guò)采樣同步信號(hào)并結(jié)合給定的著色波形選擇指令進(jìn)行實(shí)時(shí)運(yùn)算，實(shí)現(xiàn)各種波形的輸出。該電源的工作模式包含交流著色、交流不對(duì)稱著色、直流-交流著色及直流-不對(duì)稱交流著色四大類，其中不對(duì)稱交流著色波形分1:2和1:3不對(duì)稱輸出，1:2不對(duì)稱輸出波形為一個(gè)施電周期內(nèi)包含一個(gè)正半周期和兩個(gè)負(fù)半周期波形，1:3不對(duì)稱輸出波形為一個(gè)施電周期內(nèi)包含一個(gè)正半周期和三個(gè)負(fù)半周期波形，每個(gè)半周期的時(shí)間為10ms,電源輸出波形如圖三所示。(a)直流輸出波形（b）完全交流輸出波形（c）1:2不對(duì)稱輸出波形（d）1:3不對(duì)稱輸出波形圖三新型不對(duì)稱直流-交流著色電源輸出波形新型不對(duì)稱直流-交流著色電源通過(guò)人機(jī)交互系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)工作方式選擇、輸出波形選擇、顏色選擇、參數(shù)設(shè)定、補(bǔ)色、開停機(jī)等一序列的操作，系統(tǒng)對(duì)設(shè)置的每一組工藝參數(shù)實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)久有效的保存，并全自動(dòng)完成著色過(guò)程、分段計(jì)時(shí)、全過(guò)過(guò)程累計(jì)計(jì)時(shí)和工藝曲線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等功能，人機(jī)交互界面如圖四所示。（a）監(jiān)控界面（b）顏色選擇界面（c）輸出波形選擇界面（d）參數(shù)設(shè)置界面圖四人機(jī)交互界面3應(yīng)用舉例國(guó)內(nèi)某鋁材廠有兩條臥式氧化生產(chǎn)線，長(zhǎng)期存在著色效果差、著色成品率低的問(wèn)題。我公司為該廠設(shè)計(jì)制造兩臺(tái)新型不對(duì)稱著色電源用于更換之前的舊式不對(duì)稱著色電源，主要參數(shù)和主要功能如下：（1）供電電源：三相50Hz，380V10%；（2）直流（DC）和交流（AC）電壓：0-25V；（3）自動(dòng)穩(wěn)定輸出電壓，精度優(yōu)于0.5%；（4）任意設(shè)定預(yù)浸時(shí)間：0999秒；（5）直流輸出05000A可調(diào)，交流輸出010000A可調(diào)；（6）直流上升時(shí)間15-60秒可調(diào)、直流持續(xù)時(shí)間0-1800秒可調(diào)；（7）直流-交流轉(zhuǎn)換時(shí)間15-60秒可調(diào)；（8）交流上升時(shí)間15-60秒可調(diào)、交流持續(xù)時(shí)間0-1800秒可調(diào)。該鋁材廠目前主要生產(chǎn)香檳、古銅和珍珠黑色料，其槽液成分如下：表一槽液成分含量硫酸（硫化）（g.L-1）錫鹽（g.L-1）鎳鹽（g.L-1）溫度（）PH值添加劑（g.L-1）工藝要求18-228-1218-2218-22115-20實(shí)測(cè)28.0316.4826.721.50.8418.07生產(chǎn)砂香檳、亮光深古銅及珍珠黑色料的電源輸出波形如圖五圖七所示，其中香檳色屬于淺色系，著色時(shí)間一般在12分鐘內(nèi)，因此使用1:1交流著色模式即可滿足工藝要求。亮光深古銅色采用了直流-（1:2）交流不對(duì)稱輸出工作模式，著色時(shí)間比原工藝減少約3分鐘。珍珠黑色采用直流-（1:3）交流不對(duì)稱輸出工作模式，同一面積鋁材的著色時(shí)間比原工藝減少約5分鐘的著色時(shí)間?，F(xiàn)場(chǎng)對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2表4。表二砂香檳色著色工藝數(shù)據(jù)比較波形氧化膜厚（）交流電壓（V）交流軟啟時(shí)間（S）交流持續(xù)時(shí)間（S）總工作時(shí)間(S)面積原硅機(jī)完全交流1120309012084新硅機(jī)1：1AC111845468882表三亮光深古銅色著色工藝數(shù)據(jù)比較波形氧化膜厚（）直流電壓（V）交流電壓（V）直流軟啟時(shí)間（S）直流持續(xù)時(shí)間（S）轉(zhuǎn)換時(shí)間（S）交流軟啟時(shí)間（S）交流持續(xù)時(shí)間（S）總工作時(shí)間(S)面積原硅機(jī)交流8203048051084新硅機(jī)DC-1：2AC81518255255021031584表四珍珠黑色著色工藝數(shù)據(jù)比較波形氧化膜厚（）直流電壓（V）交流電壓（V）直流軟啟時(shí)間（S）直流持續(xù)時(shí)間（S）轉(zhuǎn)換時(shí)間（S）交流軟啟時(shí)間（S）交流持續(xù)時(shí)間（S）總工作時(shí)間(S)面積原硅機(jī)交流10203072075028新硅機(jī)DC-1：3AC1015182510255042053028圖五香檳色著色工藝曲線圖圖六亮光深古銅色著色工藝曲線圖圖七珍珠黑色著色工藝曲線圖3結(jié)束語(yǔ)實(shí)踐證明，這種新型不對(duì)稱直流-交流著色電源能滿足各種色系的著色工藝要求。