1．前言

鋁型材經(jīng)過擠壓成型之后，一般都需要經(jīng)過表面工藝處理之后，才能作為成品使用。經(jīng)過陽極氧化電解著色表面處理工藝的鋁型材，其表面將得到一層具有良好的耐磨性、耐曬性、耐熱性、耐蝕性和色澤穩(wěn)定持久的氧化膜，被廣泛應(yīng)用在建筑和室內(nèi)外裝飾行業(yè)上。

在鋁型材陽極氧化電解著色表面處理工藝中，有一道電解著色處理工序，是在鋁型材表面陽極氧化工序之后，電泳或封孔工序之前，對(duì)需要著色的鋁型材進(jìn)行的一道工序，其原理是在槽體溶液中通過電化學(xué)作用使鋁型材表面附著某些金屬離子，從而顯示出某一類的顏色來。不同的槽體溶液配置及工藝方法，鋁型材電解著出的色彩效果也不一樣，對(duì)所要求的著色電源提供的電流或電壓的大小、波形及工作時(shí)間長短也不同。

其中有一種由日本發(fā)明的著色方法稱為均勻化著色方法，可在較短的時(shí)間里得到效果好、顏色均勻的著色氧化膜。這種著色方法由于生產(chǎn)效率高，成品率高，已在日本廣泛應(yīng)用，目前在國內(nèi)也正在逐步推廣開來。

2．著色電源系統(tǒng)要求

配合均勻化著色方法的著色電源（簡稱均勻化著色電源）需按規(guī)定要求輸出電流波形。均勻化著色電源的工作過程是：首先輸出正向直流電流（稱為P處理）一段時(shí)間，然后輸出頻率為1～30Hz范圍內(nèi)特定值，正負(fù)方波占寬比為0.005～0.30內(nèi)特定值的脈沖電流（稱為C處理）一段時(shí)間，接著再進(jìn)行一次C處理（稱為C2處理）一段時(shí)間，如圖1所示。在工廠生產(chǎn)中，C處理常用的頻率為5Hz，正負(fù)方波占寬比為1:9，C2處理根據(jù)工藝的要求來選擇可有可無。

圖1 均勻著色電源輸出波形

均勻化著色電源的主要功能要求如下：

（1）輸入電壓及范圍：三相、頻率50Hz、380V±20%；

（2）額定輸出電壓：±30V～±80V；

（3）額定輸出電流：1000A～4000A；

（4）*小輸出電流：額定輸出電流的10%；

（5）輸出電流精度：±3%以下；

（6）輸出電流紋波：7%以下（在額定電流的30%～100%內(nèi)）；

（7）入槽靜泡時(shí)間：可在10～3000s內(nèi)設(shè)定；

（8）P處理時(shí)間：可在0～3000s內(nèi)設(shè)定；

（9）P處理與C處理間隔時(shí)間：可在10～3000s內(nèi)設(shè)定；

（10）C處理時(shí)間：可在0～3000s內(nèi)設(shè)定；

（11）C處理時(shí)脈沖周期：200ms（可根據(jù)要求在20ms～300ms范圍內(nèi)修改）；

（12）C處理時(shí)正脈沖寬度：20ms（可根據(jù)要求在10ms～100ms范圍內(nèi)修改）；

（13）能滿足二次C處理的要求；

（14）能滿足補(bǔ)色（即再進(jìn)行C處理）的要求；

（15）有必要的保護(hù)措施。

3．著色電源系統(tǒng)組成及工作原理簡介

為實(shí)現(xiàn)上述的輸出波形及滿足工藝要求，設(shè)計(jì)的均勻化著色電源原理如圖2所示。均勻化著色電源主要由主回路和控制部分組成。

圖2均勻化著色電源原理圖

3．1主回路

主回路包括進(jìn)線斷路器，整流變壓器TM，三相全控整流橋A組、B組，電抗器，逆變部分等。整流變壓器TM付邊采用雙繞組的形式，一組Y接法，連到一整流橋A組，另一組Δ接法，連到另一整流橋B組。整流橋各自整流后經(jīng)電抗器濾波，再逆變，然后并聯(lián)輸出。

圖3逆變電路

圖3是其中一組逆變部分的主電路圖，如圖所示，當(dāng)主臂晶閘管V1、V4導(dǎo)通時(shí)，電流經(jīng)電抗器L、主臂晶閘管V1，流向負(fù)載，然后從主臂晶閘管V4流回，此時(shí)負(fù)載承受的是正向電壓、電流，當(dāng)要使負(fù)載承受反向電壓、電流時(shí)，首先應(yīng)關(guān)掉主臂晶閘管V1、V4的控制脈沖，然后控制輔助晶閘管V11、V14導(dǎo)通，使電容C1、C2放電再反向充電，強(qiáng)迫關(guān)斷主臂晶閘管V1、V4，接著關(guān)掉輔助晶閘管V11、V14的控制脈沖，再控制主臂晶閘管V2、V3導(dǎo)通，這時(shí)電流經(jīng)電抗器L、主臂晶閘管V2，流向負(fù)載，然后從主臂晶閘管V3流回，此時(shí)負(fù)載承受的就是反向電壓、電流。要使負(fù)載從承受反向電壓、電流轉(zhuǎn)換到承受正向電壓、電流，其原理一樣，先關(guān)掉主臂晶閘管V2、V3的控制脈沖，然后控制輔助晶閘管V12、V13導(dǎo)通，使電容C1、C2放電再反向充電，強(qiáng)迫關(guān)斷主臂晶閘管V2、V3，接著關(guān)掉輔助晶閘管V12、V13控制脈沖，再控制主臂晶閘管V1、V4導(dǎo)通，就完成了負(fù)載從承受反向電壓、電流到承受正向電壓、電流的轉(zhuǎn)換。主臂晶閘管和輔助晶閘管的導(dǎo)通是通過PLC發(fā)出的逆變脈沖來控制的，由于負(fù)載承受正向電壓、電流向反向電壓、電流轉(zhuǎn)換，或由反向轉(zhuǎn)換到正向，都是在極短的時(shí)間內(nèi)完成（一般只有幾百個(gè)微秒），因此PLC的選型和編程設(shè)計(jì)將直接關(guān)系到整個(gè)逆變部分的正常工作和輸出波形的準(zhǔn)確性。

3．2控制部分

控制部分包括A組、B組整流調(diào)節(jié)單元，逆變脈沖觸發(fā)單元，信號(hào)接口電路，可編程邏輯控制器PLC和觸摸屏等。

A組、B組整流調(diào)節(jié)單元主要功能是按照PLC發(fā)出的給定信號(hào)來調(diào)節(jié)三相全控整流橋輸出的電流，其內(nèi)部包括PI調(diào)節(jié)電路、移相觸發(fā)電路、功放電路等。

逆變脈沖觸發(fā)單元主要是接收PLC的逆變脈沖，對(duì)逆變脈沖再進(jìn)行調(diào)制、功放后控制逆變部分的主臂晶閘管和輔助晶閘管準(zhǔn)確可靠的導(dǎo)通，從而實(shí)現(xiàn)P處理和C處理的波形輸出。

信號(hào)接口電路主要功能是對(duì)各種信號(hào)進(jìn)行整理變換，以滿足各個(gè)單元對(duì)信號(hào)的需求。

可編程邏輯控制器PLC選用西門子的S7-200 CPU226 DC/DC/DC和一模擬量擴(kuò)展模塊EM235組成。PLC作為本電源系統(tǒng)的核心控制器件，主要完成下列功能：

（1）開、停機(jī)控制；

（2）運(yùn)行流程控制；

（3）逆變部分晶閘管的導(dǎo)通控制；

（4）整流給定控制；

（5）電源裝置狀態(tài)量的采集；

（6）模擬量采集；

（7）設(shè)置、顯示參數(shù)的計(jì)算；

（8）與觸摸屏通訊。

PLC輸入輸出定義如表1所示。

表1 PLC輸入輸出定義