電磁攪拌器在鋁熔爐上的應用

電磁攪拌工作原理
 

電磁攪拌工作原理
“攪拌”是鋁熔煉過程中一項重要的工藝措施。攪拌的充分與否直接決定瞭鋁產品的品質。攪拌的方式有人工攪拌、氣體攪拌、機械攪拌、電磁攪拌等，其中電磁攪拌因其攪拌充分、操作簡便而逐漸普及。感應式電磁攪拌裝置是一種應用電磁感應原理產生磁場作用於鋁熔液從而使熔液有規律運動的裝置。在電磁攪拌主體裝置—感應器中通以低頻電流，以形成交變行波磁場，熔液在磁場的作用下產生感生電勢和電流，此感生電流又與磁場相互作用產生電磁力，使熔液有規律的運動，以達到攪拌的目的。通過改變行波磁場的方向及強度，便能有效調節熔液的攪拌方向及攪拌強度。

電磁攪拌器的應用
 在原生鋁生產過程中使用電磁攪拌技術的最主要目的是使鋁熔液的合金成分均勻，而在廢鋁回收過程中使用電磁攪拌技術的主要目的是提高熔化效果，減少燒損，增加實收率。當然，由於廢雜鋁的成分本來就比較復雜，長時間的攪拌對於調整成分和成分的均勻性改善顯得尤為重要。我們應當根據不同的使用目的合理設置電磁攪拌裝置的感應器安裝位置，無論是方爐、圓爐、單室還是雙室爐，感應器的安裝大致可分為底置和側置兩種方式，底置安裝形式主要用於新爐或熔池深度在生產過程中變化較大的熔爐上，此種形式不受熔液深度變化的影響，可達到較好的攪拌效果，在廢鋁回收爐中安裝位置要偏離熔爐中心，這樣可以形成整爐大循環，有助於快速熔化廢鋁。感應器側裝方式主要用於舊爐改造和熔池深度在生產過程中變化小於200mm的情況下。
電磁攪拌器的組成
電磁攪拌器主要由變頻電源、感應器、純水冷卻裝置（水風型/水水型）、功能臺車及附屬部件組成，變頻電源把50/60Hz的工頻交流電變成頻率為0.5～5.0Hz的3相低頻電源，該電源低頻電流通入感應器線圈後將產生一個行波磁場，此行波磁場穿透爐底的不銹鋼板及爐襯作用於鋁熔液，使鋁熔液產生有規律的移動，從而達到攪拌的目的。改變變頻電源的電壓、頻率和相位，即可改變攪拌力的大小和方向。

     隨著經濟發展我國將從鋁業大國到鋁業強國，無論從產品類別還是產品品質都要求有質的飛躍，工欲善其事，必先利其器，所以我們的熔爐技術日新月異，配套的設備技術也要求隨之而進。“節能降耗，綠色環保”成瞭今天乃至永遠不變的核心話題，所以電磁攪拌要在原有應用效果上要真正在節能上從設備自身做出重大改進，如果電磁攪拌要在自身上有所突破首先要在核心主體設備上著手，即感應器和電源。
    感應器的核心就是磁場效率，磁場效率的提高就意味著輸入功率的降低，與磁場效率直接的兩個關鍵因素，一是磁路介質，二是繞組結構。磁路介質即磁通回路介質，包括感應器鐵心、爐底材料和金屬熔液。感應器的鐵心我們采用的是矽鋼片，因其飽和磁感應強度高，損耗少，目前在工業導磁材料應用中是首選材料。爐底材料采用的是不銹鋼加耐火材料，這兩種材料的相對磁導率為1，無論從爐體結構強度還是磁路材料講都是無可替代的，所以說從感應器磁路材料上，無論是矽鋼片還是不銹鋼窗口結合耐火材料從目前的技術角度是無可替代的，很難突破的。
   在感應器繞組結構上目前有兩種形式，一是水平式集中繞組，國內絕大部分是采用的本結構；二是垂直式集中繞組結構，ABB采用的是此種結構，無論哪一種結構形式，它的理論依據都是遵循克萊姆法則的線性磁路計算，隻是安裝固定方式不同。  

水平式集中繞組優點：便於繞組的安裝與固定，並且垂直有效磁場利用率高，並且在繞組出現破壞性故障時方便應用現場的更換與維護，不會直接影響用戶生產。
垂直式集中繞組優點:：可以縮小感應器的長寬外形進而縮小不銹鋼窗口尺寸。缺點：此種方式通電繞組因垂直主磁路水平方向受力較大，為繞組固定帶來難度，對地及層間、匝間短路的故障率會增加，並且此種結構不便於應用現場的更換與維護.

       所以在新型交直交感應器結構上我公司仍然采用水平式集中繞組結構。
       綜上，就感應器而言，無論從磁路介質還是繞組結構上目前都很難有大的跨越來提高磁場效率進而降低輸入功率以達到節能效果。
       目前從技術角度而言真正能夠解決電磁攪拌節能環保的技術核心是如何降低設備裝機功率，提高電源效率，改善電源輸出波形以提高感應器工作效率，這些都促使鋁熔爐電磁攪拌要從根本上解決電源換代的問題，即如何盡快將國產交直交電源應用到鋁熔爐電磁攪拌上。
 
交直交電磁攪拌器

1、電磁攪拌器電源的發展
            交交變頻電源（2009之前）---------交直交變頻電源（2010） 
特點：核心器件可控矽                                工業級DSP核心元器件為IGBT          
            電路結構為半橋結構                         采用PWM+PWM四象限矢量控制結構
            裝機功率大                                         裝機功率近交-交的三分之一
            功率因數小於0.4                               功率因數大於0.96
            諧波分量大                                        諧波分量近似為0，電源綠色環保

隔離變壓器: 全稱電氣安全隔離變壓器，首要應用目的是將設備用電系統與電網完全隔離起到用電及人身安全隔離作用；其次是利用鐵芯的高頻特性對高頻諧波有抑制作用；所以，采用隔離變與電源結構和諧波大小無關系，直接與用電安全相關，所以不能以犧牲用電安全為代價降低設備制造成本。

2、交直交電源功能描述
    奧卓爾的變頻單元采用PWM+PWM（四象限矢量控制結構）交-直-交變頻技術，通過軟件和硬件的調整，可以使攪拌器電源帶低頻高感抗負載。隨著變頻技術的進步,變頻器的功率器件經歷瞭從SCR, GTO到IGBT的發展歷程,交-直-交控制方式也從最初的恒V/F控制,發展到矢量控制。然而,電力變換技術的進步和電力變換器的廣泛應用也帶來瞭很多弊端,其產生的公害－電磁乾擾以及諧波污染已成為世人關註的社會問題。一般的交-直-交電壓型變頻器的主電路輸入側是經三相橋式不可控整流器向中間直流環節的濾波電容充電，然後通過PWM控制下的逆變器輸入到負載上。雖然這樣的電路成本低、結構簡單、可靠性高，但是由於采用三相橋式不可控整流器，使得功率因數低、網側諧波污染以及無法實現能量的再生利用等。
       PWM+PWM（四象限矢量控制結構）控制技術打破瞭過去變頻器的統一結構，PWM整流器和PWM逆變器通過軟硬件的調整和電抗器等附件就可實現系統的功率因數趨於1，大幅消除瞭網側諧波污染，綠色環保，並且實現瞭負載的四象限運行，使能量雙向流動，能量轉換效率高，能滿足低壓大功率及高壓大功率的要求等特點已成為應用熱點。給變頻器技術增添瞭新的生機，形成瞭變頻技術的最新發展動態。
      PWM+PWM（四象限矢量控制結構）變頻電源由PWM整流器和PWM逆變器組成，PWM整流器采用全控型開關IGBT器件，並引入PWM控制技術實現對整流部分的控制，相對於采用不可控或相控整流的變頻電源，其性能更加優良：一是可實現網側單位功率因數和正弦波電流控制。理想狀態時雙PWM變頻電源輸入電流是和輸入電壓同相的正弦波，功率因數接近1，輸入電流的諧波含量遠低於國傢標準。二是PWM整流器能運行在整流和逆變兩種狀態，能實現能量的雙向傳輸，有效利用再生能量。三是其具有優良的輸出特性，特別是快速的動態響應。另外，與傳統的變頻電源相比,它具有高效節能、快速調節、三相自動平衡等優點,還可以克服由晶閘管構成的交流整流器存在的環流故障隱患。
     我公司的AZPR系列產品采用櫃機結構，由控制櫃、整流櫃、逆變櫃組成。

3、電源技術特點
 支持380V電壓等級；
 支持2象限運行、4象限運行；
 4象限運行時支持隻工作在能量回饋模式；
 支持VF等比與分離、無速度傳感器矢量控制、有速度傳感器矢量控制；
 支持功率單元並聯使用，最多可8個單元並聯；
 支持系統間的並聯：整流與逆變通過點對點通信一主多從並聯模式;
 支持故障的單元熱退出;
 支持4種通信功能可同時使用，工業以太網、Profibus-DP、CAN和Modbus-RTU；
 豐富的用戶資源（4路AI、4路AO、15路DI、11路DO、2路PG、3路PTC）

4、技術性能優越：
          四象限運行時(額定工況下）系統的功率因數（±0.99），電網側電流諧波小於5%，IGBT整流          的母線電壓波動小於2%；
          矢量控制，具備零速2陪轉矩輸出能力；
          頻率輸出0-5HZ連續可調；
          功率單元並聯不均流度小於5%;
          系統並聯不均流度小於5%;
          運行時噪音小於80DB 。
5、應用特點：
  a.其能量回饋技術在整流側負載率達40%左右時系統功率因數便可達0.96以上，如此可降低電網側供電變 壓器容量成本，也幫用戶節省瞭無功補償設備的投資；
  b.四象限回饋技術使得大功率變頻電源對電網側的電流總諧波污染大大降低，整流側負載率超過60%左右 時電流總諧波小於5%，綠色環保；
  c.四象限變頻的母線電壓和輸出電壓連續可控且平穩（受電網側電壓波動等因素影響小），克服瞭以往交  -交變頻或普通兩象限變頻輸出電壓受電網等因素波動大而影響金屬熔煉效果的弊端；
  d.支持Profibus-DP、Modbus-RTU、CAN、工業以太網四種通訊模式，方便工業現場各種應用；
  e.特殊的VF分離功能，解決瞭大容量電磁攪拌特殊負載正常工作時的主動防禦安全停車的難題；
  f.合理的制動系統配置和特殊的軟件處理滿足瞭運行中忽然停電等特殊工況下電磁攪拌系統可靠安全關斷 的要求，避免瞭傳統交-交變頻電源或交-直-交2象限變頻電源此工況下易炸機的缺陷。
  g.同結構模塊化並聯，便於安裝替換和維護；

新手教學

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