1 引言
為了克服鋁型材表面性能方面的缺點，擴大應用范圍，延長使用壽命，表面處理技術是鋁型材使用中不可缺少的一壞。從根本上說是為了解決或提高防護性、裝飾性和功能性三大方面的問題。鋁型材表面處理方法有：表面機械處理，表面化學處理，表面電化學處理，物理處理等。表面電化學處理中的陽極氧化應用非常廣泛，是解決鋁型材保護、裝飾和功能的重要方法。陽極氧化之后的電解著色技術，是表面處理技術發(fā)展最廣泛而傾注精力最大的方面，處于技術核心地位。電泳涂裝也是表面處理技術中很具發(fā)展方向的適用技術，鋁型材經(jīng)陽極化和電解著色后再進行電泳涂裝，有雙層保護，品質(zhì)更高，擁有電泳涂裝線也成為鋁型材廠綜合技術水平的標志之一。
上述陽極氧化工藝，電解著色工藝，電泳涂裝工藝配套的表面處理電源是各工藝過程的關鍵設備，根據(jù)對應工藝，運行參數(shù)，輸出功率，輸出波形，保護方式等的不同行業(yè)內(nèi)一般習慣上稱之為氧化電源，著色電源和電泳電源。經(jīng)過近30年的發(fā)展，主要包括上述電源設備在內(nèi)的鋁型材表面處理電源的國內(nèi)制造水平已經(jīng)取得了長足的進步，完全滿足了我國鋁型材表面處理工業(yè)蓬勃發(fā)展的需要。目前，基于晶閘管整流的鋁型材表面處理電源以其成熟，穩(wěn)定，可靠在行業(yè)內(nèi)得到了最廣泛的應用。但各設備制造廠家的設計水平，依據(jù)標準，制造工藝，使用壽命，可靠性指標，能耗指標等仍參差不齊。本文從節(jié)電的角度出發(fā)，論述了鋁型材表面處理電源在選型，設計，安裝，運行等各個方面的最新進展和應采取的措施。
2 設備選型
為了滿足鋁型材連續(xù)大規(guī)模生產(chǎn)以及高檔化發(fā)展的需要，提高工廠的投入產(chǎn)出效益，鋁型材表面處理電源設備選擇的基本原則應該是技術成熟，運行可靠，經(jīng)濟節(jié)能。
2.1 氧化電源的選擇
（1） 隨著單體氧化槽設計的產(chǎn)量不斷增高，相應地氧化電源的輸出電流也設計得越來越大，目前國內(nèi)單機輸出已達28KA。傳統(tǒng)的風冷式氧化電源由于效率散熱效果差，可靠性低，噪音巨大，使用壽命短，其應用受到很大的限制，也已經(jīng)不能滿足氧化電源越來越大的功率輸出要求，我們首次在鋁型材大功率表面處理電源中采用新型全密閉水冷的方式，取得了良好的應用效果。在影響裝置可靠性的多種因素中，散熱是至關重要的一個，特別是在大功率整流裝置中，大功率半導體器件工作時所產(chǎn)生的熱量，將導致芯片溫度的升高，如果沒有適當?shù)纳岽胧涂赡苁剐酒臏囟瘸^所允許的最高結(jié)溫，從而導致器件性能的惡化以致?lián)p壞。新型全密閉水冷式鋁型材氧化電源采用的是一種全水冷的方式，氧化電源設備中的晶閘管、二極管、整流變壓器、匯流母排等均為水冷卻方式，由此構筑了全密閉式循環(huán)水冷卻系統(tǒng)。由于循環(huán)水不與大氣直接接觸，其熱交換一般是通過水—水換熱系統(tǒng)完成的，既避免了設備內(nèi)部安裝冷卻風機的電能損耗，同時也避免了設備內(nèi)元器件受到因空氣交換帶來的腐蝕性氣體的腐蝕，可確保設備長期穩(wěn)定地運行。在條件合適的地方，氧化電源的冷卻水還可與工廠的冷卻水系統(tǒng)統(tǒng)一設計，充分考慮能量的再回收和利用。
（2）傳統(tǒng)的氧化槽供電方式一般采用單電源集中式供電，即將氧化電源安裝放置在槽的某端，再從氧化電源輸出處分別通過鋁排或電纜接到氧化槽的兩端。這樣，靠近電源一端的槽端連接電纜或鋁排長度就相對較短，而遠離電源的槽端電纜或鋁排就需要跨越整個槽體的長度，一般這個長度在10-20米之間，帶來了氧化槽供電的不平衡。如果將槽兩端的連接電纜或鋁排的長度布置得完全一樣，那就只能以遠槽端的長度為準，造成了線路損耗的增加和材料上的浪費，安裝上也不太方便。為了克服單電源集中式供電的缺點，改善氧化槽導電的均勻性，建議采用氧化槽兩端雙電源分布式供電的氧化電源，尤其是單臺氧化電源輸出電流要求在12KA以上是更是如此。兩臺氧化電源就近安裝在槽的兩端，每臺電源的額定容量和實際輸出都是完全一樣的，配合自動化控制系統(tǒng)的設計，保證雙電源輸出的同步性和一致性，從而減少了導電排的連接和電壓降，可實現(xiàn)更加節(jié)能的生產(chǎn)。因為槽兩端雙電源對稱供電，氧化槽內(nèi)的電流分布更加均勻，有效提高了氧化膜的品質(zhì)。
（3）選擇氧化電源時，其額定電壓不宜過高，考慮母排輸電損耗和電網(wǎng)壓降等因素，一般按最大工作槽壓的115%選擇即可。鋁氧化電源原國際通用的輸出電壓為24V，而實際使用僅為15~18V，就是按目前國內(nèi)常用的22V，也高出不少，尤其是對雙電源分布式供電的氧化電源更是如此，因為雙電源供電的氧化槽的輸電損耗更低。氧化電源設備額定電壓選得過高，而實際使用電壓較低時，晶閘管處在深控調(diào)壓狀態(tài)，設備諧波含量較高，設計容量也會更高，不利于降低設備的運行損耗和配套濾波補償裝置的容量。
2.2 著色電源的選擇
（1）著色電源是為電解著色工藝服務的，應該根據(jù)工藝要求選用最合用的電源，指望某一類著色電源能滿足所有的著色工藝并且使用效果都良好是不現(xiàn)實的，目前暫時也沒有這樣的著色電源產(chǎn)品。電解著色按槽液基本上分為鎳鹽和錫鹽（包括錫鎳混鹽）溶液兩大類，對應著色電源主要為住化法著色電源和DC-AC著色電源，即分別代表直流（周期換向）電解著色技術和交流電解著色技術。從工廠實際運行效果看，如果僅從著色電源角度考慮，直流電解著色要比交流電解著色的速度快和節(jié)省電能，效率較高，但電解著色是一個系統(tǒng)工程，究竟選用何種工藝和電源，要綜合考慮產(chǎn)品類型，槽液消耗，工廠自動化程度，投入產(chǎn)出比等眾多因素。
（2）DC-AC著色電源中的調(diào)壓器是設備關鍵部件，在裝置中實現(xiàn)穩(wěn)壓功能，一般廠家采用感應調(diào)壓器，我們在國內(nèi)最先采用柱式調(diào)壓器，得到用戶的廣泛認可。感應調(diào)壓器存在波形失真大、阻抗電壓高、效率低、調(diào)節(jié)速度慢、噪音高、不能從零開始調(diào)節(jié)等眾多不利于電解著色工藝的缺點；而柱式調(diào)壓器屬變壓器型產(chǎn)品，具有波形失真小、阻抗小、效率高、調(diào)節(jié)速度快、可從零調(diào)節(jié)、噪音低等一系列有利于電解著色工藝的顯著優(yōu)點。下表1列出了工程上常用的480KVA柱式調(diào)壓器與同容量感應調(diào)壓器的主要技術性能對比。
從上表所見，柱式調(diào)壓器的阻抗電壓也遠小于感應調(diào)壓器，這個特性能很好地為著色工藝所用，保證在電壓上升過程中提供足夠的沖擊電流，在著深顏色如黑色、古銅色時特別有利，能節(jié)省5-15分鐘的工藝時間，提高生產(chǎn)效率。另外，感應調(diào)壓器的空載電流很大，空載電流與額定電流的占比達到16%左右，而柱式調(diào)壓器只有不到2%，由于電解著色的工藝工程屬短時工作，設備有比較長時間屬待機狀態(tài)，所以柱式調(diào)壓器與感應調(diào)壓器在節(jié)能和降低配電網(wǎng)容量方面也處于明顯優(yōu)勢。
（3）著色電源的輸出容量不宜選得過大，目前有越來越大的趨勢，很多時候造成“大牛拉小車”的現(xiàn)象，既不經(jīng)濟也不節(jié)能。事實上，只要著色槽的結(jié)構，掛料面積確定，電流密度確定，然后考慮一定的裕量，并且電源設備制造商嚴格按照規(guī)定的容量和技術參數(shù)設計制造，選擇合適輸出功率著色電源是完全可行的。
2.3 電泳電源的選擇
（1）依據(jù)電泳涂裝的工作原理，電泳電源是電泳涂裝設備中關鍵的配套設備，沒有直流電源就談不上電泳。適當選擇電泳電源的容量，可明顯提高電泳涂裝設備的性價比。如果電源容量選擇過大，會提高設備的制造成本，提高設備的裝機功率，造成浪費。反之，則使整條生產(chǎn)線得不到充分利用，生產(chǎn)效率無法提高。如有大件需上線涂裝，電泳電流過大，造成直流電源過流保護，不能正常生產(chǎn)。所以在設計電泳涂裝設備工作中，直流電源的選擇顯得格外重要。
電泳電源的額定電壓應滿足電泳漆施工電壓要求，應小于電泳漆“破壞電壓”，而大于電泳漆的“臨界電壓”。工程實踐中，電泳電壓一般按槽壓的120%選用即可，不宜選得太高，這樣對降低設備輸出的紋波系數(shù)有利。
（2）電泳電源的紋波系數(shù)是一個設備比較重要的指標，表征直流成分的純凈程度，紋波系數(shù)過大，則提供的電源中含交流成分多，交流成分太多則影響成膜速度及膜質(zhì)量，造成涂層薄，涂層表面粗糙，容易產(chǎn)生針孔等。紋波系數(shù)當然是越高越好，然而電泳槽對電泳電源來說已相當于一個容性負載，在設備運行時會起到很大的平抑紋波的作用，如果再對電泳電源紋波系數(shù)要求過高，設備的體積、造價、運行成本等均會直線上升。工程上一般要求設備在50%以上額定輸出時，紋波系數(shù)小于5%即能滿足工藝要求。
3 設備的設計與制造
鋁型材表面處理電源裝備的制造水平近年得到了快速提升，產(chǎn)生了不少新的設計和制造工藝，較大程度實現(xiàn)了標準化設計和生產(chǎn)，為我國鋁型材加工工業(yè)的飛躍發(fā)展提供了重要的設備保障。然而，由于技術水平，市場導向，綜合實力等的明顯不同，各電源設備制造商所提供產(chǎn)品的差異性還是客觀存在的。為了實現(xiàn)設備更加節(jié)能的目標，就必須遵循嚴格的產(chǎn)品設計制造標準和制造工藝。
3.1 選用優(yōu)質(zhì)的元器件
（1）整流變壓器是表面電源設備中的最重要元器件之一，其運行損耗約占電源設備總體損耗的一半以上。因此整流變壓器的高效率設計尤為重要。整流變壓器鐵芯多采用三相五柱式結(jié)構，可以讓三次及高次諧波電流從旁軛通過，從而大大降低了損耗，比傳統(tǒng)三芯柱整流變壓器節(jié)電10%以上。為了降低變壓器空載損耗，整流變壓器的鐵芯必須采用高磁導率冷軋有取向硅鋼片。其邊柱角和中柱角應采用45°斜接縫方式，這種方式硅鋼片利用率最高，導磁最好，該方式比全為直接縫方式的空載損耗可降低15%-25%。
（2）電源設備必須選用全新優(yōu)質(zhì)低功耗的晶閘管和二極管作為整流和調(diào)壓元件。為了確保設備的可靠性，元件裕量必須足夠。為了達到更高的效率，有時候還可以選用名牌進口元件或?qū)υM行必要的篩選。在氧化電源設備中，二極管的管壓降每降低0.1伏，就可帶來超過0.5%的效率提升，所以選用優(yōu)質(zhì)功率器件的節(jié)電效果是顯而易見的。
（3）電源設備中大量使用銅，鋁，鋁合金等材料作為導體傳遞電能，如銅電纜，銅排，銅管，銅箔，鋁排等。在這些導體上的電能損耗與導體的電阻率成正比，所以設備中所使用的導電介質(zhì)必須選擇優(yōu)良材質(zhì)的特定牌號的銅鋁或鋁合金材料，以減少雜質(zhì)，降低傳輸損耗。
3.2 規(guī)范而合理的設計
（1）氧化電源輸出功率大，功率因數(shù)低，主要產(chǎn)生較多5,7次特征諧波，目前一般采用無源濾波補償裝置作為氧化電源的配套設備來提高功率因數(shù)和濾除諧波，以達到節(jié)約電能，消除諧波干擾的目的。配套無源濾波裝置是采用串聯(lián)L、C諧振原理，設計若干濾波支路，吸收5、7次諧波的裝置。從濾波裝置的原理看，其中的濾波電抗的設計是很關鍵的。為了達到最好的濾波效果，以我們的設計經(jīng)驗看，濾波電抗必須采用單相電抗器，而不能從節(jié)省成本考慮采用三相電抗器。原因很簡單，三相電抗器的每相電感之間有相連的磁路，存在著互感，其電感值的精度不能得到保證，一般最好的只能達到5%左右，三相不平衡度也達到5%，而單相電抗器的電感值精度最少可達到1%，且因為是單相，所以不存在三相電感不平衡的問題。濾波補償裝置串聯(lián)諧振的原理要求對電感值的精度提出了較高的要求，一般再結(jié)合電容器電容值的配對篩選，工程實踐上采用單相電抗器的濾波設備，經(jīng)過合理的設計，其5,7次諧波濾除率可達到75%以上，而采用三相電抗器的濾波設備因為諧振點偏離較多，諧波濾除率往往很低，基本會在10%以下，有些甚至起不到濾波效果，電抗器只是作為限制電容器放大諧波電流而存在。諧波濾除率低，就不能減少因為諧波電流而帶來的設備附加損耗，節(jié)能效果可想而知。
（2）著色電源，電泳電源均采用變壓器副邊調(diào)壓的原理，設備就算停止輸出，但只要主開關是合閘狀態(tài)，其變壓器也是帶電的，產(chǎn)生不小的空載損耗。且著色電源，電泳電源工作方式是短時工作制，待機的時間都不短。為了節(jié)電，可設計在變壓器進線端安裝接觸器或智能開關，這樣，當設備停止輸出的時候同時，就可以很方便在槽邊或中控室的操作面板上將主回路斷電，達到節(jié)能降耗的目的。如果是風冷的設備，還可以考慮將風機設計成隨電源設備的開和停而即時啟動，延時停止，以延長風機壽命，并且避免風機空轉(zhuǎn)帶來的損耗。
（3）設備中導體的電流密度的選取與能耗水平直接相關，為了節(jié)電，必須嚴格按照不同冷卻方式下導體的載流密度來選擇連接導體的型號規(guī)格，而不能為了降低設備制造成本而盲目地提高導體的電流密度，這樣對最終用戶是沒有好處的，會帶來了更大的運行成本。
（4）大電流交變電流會產(chǎn)生交變磁場，交變磁場帶來的電磁感應（渦流或環(huán)流）會引起柜體和電源內(nèi)部鋼鐵件局部過熱（嚴重情況下，會導致局部被燒紅），并產(chǎn)生附加損耗。因此，必須對電源設備的柜體進行防磁設計。為了隔斷柜體構件形成的閉合磁路，或者切斷可能形成的環(huán)流，可以部分采用非導磁（或不導電）材料，如不銹鋼材料，合金材料，鋼化玻璃，絕緣材料，工程塑料等。需要焊接的骨架，在可能發(fā)熱的部位采用不銹鋼材料，如1Cr18Ni9Ti；交直流進出線位置，采用高（機械和絕緣）強度的環(huán)氧酚醛層壓玻璃布板，如3240,346等；支撐整流臂的承重梁，可以采用鋁合金型材或絕緣材料，如角鋁、槽鋁、絕緣角、絕緣槽、絕緣條、絕緣棒等；柜門可以大面積地采用鋼化玻璃制作；各種管、套等部件，也可以采用工程塑料制造，如ABS、PPO和PPR等。工程實踐中，上述措施可以綜合使用，也可以結(jié)合電源設備柜體的發(fā)熱部分單獨具體采取某一項措施，從而有效降低柜體的表面溫度，減少能量損失。
3.3 提高產(chǎn)品制造工藝水平
提高產(chǎn)品制造工藝水平也是降低電源能耗水平的重要途徑之一。
（1）設備柜內(nèi)導電排必須順著電流的目標流向進行排列布置，必須避免母線的交叉連接和來回折返，矩形截面的母線一般應立放，以利散熱，連接的母線和電纜應該盡可能地短，以減小功率損耗，提高運行效率。
（2）為了保證整流元件有足夠的壓力和良好的冷卻效果，所有導電接觸面均需采用銑床進行精細加工，光潔度要求在▽6.3以上，母排進行全長鍍錫，可有效降低接觸電阻，電性能好，也可防腐，提高整機效率和使用壽命。
（3）全密閉水冷結(jié)構，電氣控制部分與整流部分隔離，控制系統(tǒng)防腐性能好。箱體外殼采用磷化、噴塑處理，有效防止渦流發(fā)熱造成的能量損耗，并保證設備能在酸、堿、潮濕等腐蝕性氣體介質(zhì)環(huán)境中長期穩(wěn)定工作。
（4）電源設備的裝配和布線，要求做到工藝整齊美觀，做到橫平豎直，選料適當，工序合理，安裝準確牢靠，符合安全電氣規(guī)范，方便電氣設備的調(diào)試、維護和檢修，保證設備的可靠運行。
4 設備安裝
（1）電源設備安裝時，應靠近負載端安裝，固定良好，輸出導電排和電纜布置牢靠，并保證足夠的電流密度。氧化電源一般建議用鋁排連接，著色和電泳電源建議用銅電纜連接。電源與電槽之間的連接導體存在電感，該電感阻滯了電流變化，會對鄰近的槽體和導電梁造成干擾，應采用短、粗、根數(shù)多的電纜線，且陰、陽極電纜線相絞而用，可盡量抵消電感效應，并降低功率傳輸損耗。
（2）氧化電源配套的濾波補償裝置節(jié)電最大值是基于消除線路上的諧波電流損耗。實際上某些鋁型材廠的諧波治理方案并不能達到這種效果。他們僅是為了滿足電網(wǎng)公司對于接入點（PCC）的諧波指標要求，采用集中濾波補償方案，或?qū)V波補償裝置直接安裝在配電系統(tǒng)的最上端，也就是主變壓器的下端。這樣，企業(yè)內(nèi)部的諧波電流不會有任何改善，甚至會增加，因此也就無法獲得線路損耗降低的收益。要通過諧波治理獲得節(jié)電效果，必須減小諧波電流在線路上的損耗。最理想的方法就是在諧波源負載處進行諧波治理。也就是在每個諧波源負荷即氧化電源的進線電源入線處安裝一臺濾波器。實際上，在每個諧波源負荷處安裝濾波器，不僅能夠獲得較好的節(jié)電效果，而且能夠保證企業(yè)內(nèi)部電網(wǎng)的質(zhì)量，是最理想的諧波治理方案。
5 設備運行與維護
設備長期穩(wěn)定可靠運行離不開規(guī)范的日常維護和定期檢查，用戶應在設備廠家指導下，制定設備的日常巡視檢查制度和定期保養(yǎng)制度。周期性的維護能使設備有更長的使用壽命和發(fā)揮最佳的性能。周期性檢查內(nèi)容應包括：冷卻系統(tǒng)，設備連接螺栓緊固情況，設備運行環(huán)境情況，功率器件發(fā)熱情況等，特別是對設備異常發(fā)熱點的及時處理，與設備的節(jié)電和經(jīng)濟運行直接相關。
6 結(jié)束語
低碳節(jié)能減排是當今鋁型材表面處理生產(chǎn)線關注的熱點之一，基于晶閘管整流的鋁型材表面處理電源作為生產(chǎn)線上的重要設備，包括氧化電源，電泳電源，著色電源等，本文從設備的選型，設計，安裝，運行等各個方面探討表面處理電源節(jié)省電能，提高效率的措施。本文從鋁型材表面處理電源的選型，設計，安裝，運行等各個方面入手，結(jié)合多年的設計和實踐經(jīng)驗，提出表面處理電源節(jié)省電能，提高效率的多個措施，為鋁型材加工企業(yè)節(jié)能降耗，綠色生產(chǎn)提供了電源設備方面的參考意見，具有較強的現(xiàn)實意義。