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电磁搅拌

铝熔炉用电磁搅拌器

电磁搅拌工作原理

熔炉用电磁搅拌器工作原理
“搅拌”是铝熔炼过程中一项重要的工艺措施。搅拌的充分与否直接决定了铝产品的品质。搅拌的方式有人工搅拌、气体搅拌、机械搅拌、电磁搅拌等,其中电磁搅拌因其搅拌充分、操作简便而逐渐普及。感应式电磁搅拌装置是一种应用电磁感应原理产生磁场作用于铝熔液从而使熔液有规律运动的装置。在电磁搅拌主体装置—感应器中通以低频电流,以形成交变行波磁场,熔液在磁场的作用下产生感生电势和电流,此感生电流又与磁场相互作用产生电磁力,使熔液有规律的运动,以达到搅拌的目的。通过改变行波磁场的方向及强度,便能有效调节熔液的搅拌方向及搅拌强度。


电磁搅拌器的应用
在原生铝生产过程中使用电磁搅拌技术的最主要目的是使铝熔液的合金成分均匀,而在废铝回收过程中使用电磁搅拌技术的主要目的是提高熔化效果,减少烧损,增加实收率。当然,由于废杂铝的成分本来就比较复杂,长时间的搅拌对于调整成分和成分的均匀性改善显得尤为重要。我们应当根据不同的使用目的合理设置电磁搅拌装置的感应器安装位置,无论是方炉、圆炉、单室还是双室炉,感应器的安装大致可分为底置和侧置两种方式,底置安装形式主要用于新炉或熔池深度在生产过程中变化较大的熔炉上,此种形式不受熔液深度变化的影响,可达到较好的搅拌效果,在废铝回收炉中安装位置要偏离熔炉中心,这样可以形成整炉大循环,有助于快速熔化废铝。感应器侧装方式主要用于旧炉改造和熔池深度在生产过程中变化小于200mm的情况下。


电磁搅拌器的组成
电磁搅拌器主要由变频电源、感应器、纯水冷却装置(水风型/水水型)、功能台车及附属部件组成,变频电源把50/60Hz的工频交流电变成频率为0.5~5.0Hz的3相低频电源,该电源低频电流通入感应器线圈后将产生一个行波磁场,此行波磁场穿透炉底的不锈钢板及炉衬作用于铝熔液,使铝熔液产生有规律的移动,从而达到搅拌的目的。改变变频电源的电压、频率和相位,即可改变搅拌力的大小和方向。  
随着经济发展我国将从铝业大国到铝业强国,无论从产品类别还是产品品质都要求有质的飞跃,工欲善其事,必先利其器,所以我们的熔炉技术日新月异,配套的设备技术也要求随之而进。“节能降耗,绿色环保”成了今天乃至永远不变的核心话题,所以电磁搅拌要在原有应用效果上要真正在节能上从设备自身做出重大改进,如果电磁搅拌要在自身上有所突破首先要在核心主体设备上着手,即感应器和电源。
感应器的核心就是磁场效率,磁场效率的提高就意味着输入功率的降低,与磁场效率直接的两个关键因素,一是磁路介质,二是绕组结构。磁路介质即磁通回路介质,包括感应器铁心、炉底材料和金属熔液。感应器的铁心我们采用的是硅钢片,因其饱和磁感应强度高,损耗少,目前在工业导磁材料应用中是首选材料。炉底材料采用的是不锈钢加耐火材料,这两种材料的相对磁导率为1,无论从炉体结构强度还是磁路材料讲都是无可替代的,所以说从感应器磁路材料上,无论是硅钢片还是不锈钢窗口结合耐火材料从目前的技术角度是无可替代的,很难突破的。
在感应器绕组结构上目前有两种形式,一是水平式集中绕组,国内绝大部分是采用的本结构;二是垂直式集中绕组结构,ABB采用的是此种结构,无论哪一种结构形式,它的理论依据都是遵循克莱姆法则的线性磁路计算,只是安装固定方式不同。
水平式集中绕组优点:便于绕组的安装与固定,并且垂直有效磁场利用率高,并且在绕组出现破坏性故障时方便应用现场的更换与维护,不会直接影响用户生产。
垂直式集中绕组优点::可以缩小感应器的长宽外形进而缩小不锈钢窗口尺寸。缺点:此种方式通电绕组因垂直主磁路水平方向受力较大,为绕组固定带来难度,对地及层间、匝间短路的故障率会增加,并且此种结构不便于应用现场的更换与维护.
所以在新型交直交感应器结构上我公司仍然采用水平式集中绕组结构。
综上,就感应器而言,无论从磁路介质还是绕组结构上目前都很难有大的跨越来提高磁场效率进而降低输入功率以达到节能效果。
目前从技术角度而言真正能够解决电磁搅拌节能环保的技术核心是如何降低设备装机功率,提高电源效率,改善电源输出波形以提高感应器工作效率,这些都促使铝熔炉电磁搅拌要从根本上解决电源换代的问题,即如何尽快将国产交直交电源应用到铝熔炉电磁搅拌上。
第六代交直交电磁搅拌器
1、电磁搅拌器电源的发展
交交变频电源(2009之前)---------交直交变频电源(2010)
特点:核心器件可控硅             工业级DSP核心元器件为IGBT          
电路结构为半桥结构               采用PWM+PWM四象限矢量控制结构
装机功率大                       装机功率近交-交的三分之一
功率因数小于0.4                  功率因数大于0.96
谐波分量大                       谐波分量近似为0,电源绿色环保

隔离变压器: 全称电气安全隔离变压器,首要应用目的是将设备用电系统与电网完全隔离起到用电及人身安全隔离作用;其次是利用铁芯的高频特性对高频谐波有抑制作用;所以,采用隔离变与电源结构和谐波大小无关系,直接与用电安全相关,所以不能以牺牲用电安全为代价降低设备制造成本。
2、交直交电源功能描述
IDEA ELECTRIC的变频单元采用PWM+PWM(四象限矢量控制结构)交-直-交变频技术,通过软件和硬件的调整,可以使搅拌器电源带低频高感抗负载。随着变频技术的进步,变频器的功率器件经历了从SCR, GTO到IGBT的发展历程,交-直-交控制方式也从最初的恒V/F控制,发展到矢量控制。然而,电力变换技术的进步和电力变换器的广泛应用也带来了很多弊端,其产生的公害-电磁干扰以及谐波污染已成为世人关注的社会问题。一般的交-直-交电压型变频器的主电路输入侧是经三相桥式不可控整流器向中间直流环节的滤波电容充电,然后通过PWM控制下的逆变器输入到负载上。虽然这样的电路成本低、结构简单、可靠性高,但是由于采用三相桥式不可控整流器,使得功率因数低、网侧谐波污染以及无法实现能量的再生利用等。
PWM+PWM(四象限矢量控制结构)控制技术打破了过去变频器的统一结构,PWM整流器和PWM逆变器通过软硬件的调整和电抗器等附件就可实现系统的功率因数趋于1,大幅消除了网侧谐波污染,绿色环保,并且实现了负载的四象限运行,使能量双向流动,能量转换效率高,能满足低压大功率及高压大功率的要求等特点已成为应用热点。给变频器技术增添了新的生机,形成了变频技术的最新发展动态。
PWM+PWM(四象限矢量控制结构)变频电源由PWM整流器和PWM逆变器组成,PWM整流器采用全控型开关IGBT器件,并引入PWM控制技术实现对整流部分的控制,相对于采用不可控或相控整流的变频电源,其性能更加优良:一是可实现网侧单位功率因数和正弦波电流控制。理想状态时双PWM变频电源输入电流是和输入电压同相的正弦波,功率因数接近1,输入电流的谐波含量远低于国家标准。二是PWM整流器能运行在整流和逆变两种状态,能实现能量的双向传输,有效利用再生能量。三是其具有优良的输出特性,特别是快速的动态响应。另外,与传统的变频电源相比,它具有高效节能、快速调节、三相自动平衡等优点,还可以克服由晶闸管构成的交流整流器存在的环流故障隐患。
我公司的IDEA-1001系列产品采用柜机结构,由控制柜、整流柜、逆变柜组成。

3、电源技术特点
支持380V,480V,690V、1140四个电压等级;
支持2象限运行、4象限运行;
4象限运行时支持只工作在能量回馈模式;
支持VF等比与分离、无速度传感器矢量控制、有速度传感器矢量控制;
支持功率单元并联使用,最多可8个单元并联;
支持系统间的并联:整流与逆变通过点对点通信一主多从并联模式;
支持故障的单元热退出;
支持4种通信功能可同时使用,工业以太网、Profibus-DP、CAN和Modbus-RTU;
丰富的用户资源(4路AI、4路AO、15路DI、11路DO、2路PG、3路PTC)
4、技术性能优越:
四象限运行时(额定工况下)系统的功率因数(±0.99),电网侧电流谐波小于5%,IGBT整流          的母线电压波动小于2%;
矢量控制,具备零速2陪转矩输出能力;
频率输出0-5HZ连续可调;
功率单元并联不均流度小于5%;
系统并联不均流度小于5%;
运行时噪音小于80DB 。
5、应用特点:
a.其能量回馈技术在整流侧负载率达40%左右时系统功率因数便可达0.95以上,如此可降低电网侧供电变  压器容量成本,也帮用户节省了无功补偿设备的投资;
b.四象限回馈技术使得大功率变频电源对电网侧的电流总谐波污染大大降低,整流侧负载率超过60%左右  时电流总谐波小于5%,绿色环保;
c.四象限变频的母线电压和输出电压连续可控且平稳(受电网侧电压波动等因素影响小),克服了以往交  -交变频或普通两象限变频输出电压受电网等因素波动大而影响金属熔炼效果的弊端;
d.支持Profibus-DP、Modbus-RTU、CAN、工业以太网四种通讯模式,方便工业现场各种应用;
e.特殊的VF分离功能,解决了大容量电磁搅拌特殊负载正常工作时的主动防御安全停车的难题;
f.合理的制动系统配置和特殊的软件处理满足了运行中忽然停电等特殊工况下电磁搅拌系统可靠安全关断  的要求,避免了传统交-交变频电源或交-直-交2象限变频电源此工况下易炸机的缺陷。
g.同结构模块化并联,便于安装替换和维护;


电磁搅拌器参数表: 


冷却装置水风式SFL-(40-150kw),纯水通过热交换器被风机强制冷却。由板翅式热交换器、泵组、水箱、离子交换罐、道阀门和电气控制部件等。


冷却装置水水式SSL-(40-250kw),纯水通过热交换器被外部循环水强制冷却。由可拆板式热交换器、泵组、水箱、离子交换罐、管道阀们和电气控制部件等组成。