CN113218200A - 单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置及使用方法，属于有色金属熔炼设备技术领域，单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置，其特征在于包括中频加热电源、电磁搅拌电源、感应加热线圈和线圈功能切换器，感应加热线圈包括带中心抽头的单相线圈，线圈的首端A，末端B，数根据中频感应加热电源的谐振频率和谐振电容容量设计的单相线圈的总匝数，单相线圈上引出两个抽头C和D，所述两个抽头将线圈的匝数均分为三份，本发明的有益效果是：实现对单套线圈结构的自动变化，可实现电磁加热和搅拌的功能，相比与传统双线圈方案，可大大节约铜材消耗，减小搅拌过程的漏磁，降低搅拌电源的装机容量和体积。

Description

单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置及使用方法

技术领域：

本发明属于有色金属熔炼设备领域，更具体地涉及单线圈电磁加热纵向电 磁搅拌装置及使用方法。

背景技术：

“搅拌”是铝熔炼过程中一项重要的工艺措施。对铝熔体的有效搅拌能增 加冶金的反应速度、改善传热和传质过程，是增加生产效率、改善质量和降低 成本的关键因素。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。

在铝熔铸中频感应加热电炉中加入搅拌功能已经成为该设备发展的趋势， 由于无论是对铝溶液的加热功能还是搅拌功能，均需通过线圈将磁场传递到铝 溶液中才能实现。当需要使用加热功能时，需要给单相线圈通入1KHz以上的交 流电，从而在铝溶液中产生涡电流，达到加热铝液的目的；而当使用搅拌功能 时，需要在铝液中通入三相工频及以下交流电，从而在铝液中产生行波磁场， 推动铝溶液做定向运动。

为实现上述功能，传统的方式是在一个炉体上面绕两套线圈，里面的线圈 为感应加热用单相线圈，该线圈与感应加热电源连接，外面的线圈采用三相线 圈，并接成星型方式，该线圈与搅拌电源连接，两套线圈采用接触器进行通断控制 并进行互锁，当使用加热功能时，将加热电源接入内层单相线圈，并把外层线 圈与搅拌电源断开。相反，若采用搅拌功能，则将内层加热线圈与加热电源断 开，同时把外层搅拌线圈与搅拌电源接通。

上述方法虽能实现对铝液的加热搅拌功能，但存在以下问题，首先，采用 两套线圈，增加了设备成本，且使设备的体积变大，另外采用两套线圈时，外 层线圈距离铝溶液较远，增加了搅拌过程中的漏磁，为达到相同的搅拌效果， 需增加搅拌电源容量，增加了设备运行损耗。

发明内容：

为解决上述问题，克服现有技术的不足，本发明提供了一种单线圈电磁加 热纵向电磁搅拌装置，并针对该装置提供了一种控制方法，有效的解决了传统 采用两套线圈电磁搅拌装置时带来外层线圈距离铝溶液较远，设备体积大、漏 磁损耗大和装机容量大的弊端能够有效的传统两套线圈方案增加了设备成本， 且使设备的体积变大，而采用两套线圈时，外层线圈距离铝溶液较远，增加了 搅拌过程中的漏磁，为达到相同的搅拌效果，需增加搅拌电源容量，增加了设 备运行损耗的问题。

本发明解决上述技术问题的具体技术方案为：单线圈电磁加热纵向电磁搅 拌装置，其特征在于包括中频加热电源、电磁搅拌电源、感应加热线圈和线圈 功能切换器，

所述感应加热线圈包括带中心抽头的单相线圈，线圈的首端A，末端B，数 根据中频感应加热电源的谐振频率和谐振电容容量设计的单相线圈的总匝数， 单相线圈上引出两个抽头C和D，所述两个抽头将线圈的匝数均分为三份；

单相线圈的一端设置有用于线圈切换和控制的开关KM3；KM3的一端连接 单线圈的输入A，另一端连接单线圈的输出B；

所述线圈的首端A和线圈的末端B与中频加热电源之间分别设置有KM1， KM2。

所述的电磁搅拌电源由12只晶闸管，按照反并联接法，组成6个结构完全 相同的模组，所述结构采用12只晶闸管组成的6个模组或6只双向晶闸管组成； 模组1～模组3作为电源的正向搅拌组，模组4～模组6作为反向搅拌组，两个搅 拌组左端采用正序并联方式连接，模组1与模组4并联后与三相电源的U相连 接，模组2与模组5并联后与三相电源的V相连接，模组3与模组6并联后与 三相电源的W相连接。

所述的搅拌电源的输出端采用负序连接方式，模组1～模组3分别接输出的 a，b，c；模组4的输出接a，模组5的输出接c，模组6的输出接b；a，b，c 分别与负载线圈的A，C，D相连。

还设置有DSP控制器，包括温度采样电路、晶闸管(SCR)驱动脉冲控制 电路和开关控制器。

所述温度采样电路用于完成温度信号的采集和转换调理，一端连接用于将 铝溶液温度信号转成适合DSP接收的电信号的温度传感器，另一端接DSP控制 器的A/D采样模块，通过该模块将温度采样电路输入的模拟量信号转换成数字 量信号，供DSP运算使用。

所述开关控制器采用继电器完成，其控制端连接DSP控制器的I/O管脚， 控制触点分别与中频加热电源的启动控制开关KG1和线圈功能转换开关KM1～KM3 电连接，通过对上述开关施加有效的逻辑控制，实现线圈的功能切换和中频加 热电源的启动和停止；

所述的晶闸管(SCR)驱动脉冲控制电路，共包含6路驱动信号，该6路驱 动信号的输入接DSP控制器的输入/输出接口，输出连接12只晶闸管的控制极， 其功能是完成12只晶闸管的驱动和控制，为达到6路驱动信号控制12只晶闸 管的功能，本发明在晶闸管驱动控制电路中，设置有脉冲分配电路。

所述单相线圈的总匝数根据搅拌电源的电流设置，且满足中频加热电源的 谐振状态；

一种单线圈电磁加热纵向电磁搅拌方法，利用单线圈电磁加热纵向电磁搅 拌装置，具体包括：

Ⅰ.在控制器中设置工艺相关要求，设置完成后，启动加热功能，控制器首 先控制KM3断开，KM1和KM2闭合，同时闭合加热电源启动开关KG1，负载线圈 呈现单线圈模式，由加热电源提供所需电流，使炉体内铝溶液融化，当温度达 到阈值时，启动搅拌功能，在启动搅拌功能时，控制器首先控制加热电源停止 工作，并延时一段时间后，断开KM1,、KM2和电源开关KG1，同时闭合KM3，

Ⅱ.控制器通过SCR脉冲输出，驱动电磁搅拌电源中的正向搅拌晶闸管组 工作，而反向搅拌组晶闸管均处于截止状态，所述电网电压A、B、C分别与输 出端a、b、c相连，输出三相相位互差120°正序交流电，从而在线圈内部产生 行波磁场，推动铝溶液定向流动，达到搅拌的效果。

本发明的有益效果是本发明的设计方案，根据现场生产工艺的要求通过外 接开关实现对单套线圈结构的自动变化，可实现电磁加热和搅拌的功能，相比 与传统双线圈方案，可大大节约铜材消耗，减小搅拌过程的漏磁，降低搅拌电 源的装机容量和体积。

为实现对铝溶液的充分搅拌，本发明在不增加DSP输出I/O端口的情况下， 通过晶闸管(SCR)驱动脉冲控制电路中的脉冲切换功能，将原施加在正组晶闸 管上的驱动脉冲信号，施加在反组晶闸管上，从而实现反组晶闸管工作而正组 晶闸管截止，此时所述电网电压A与输出端a相连，B与c相连，C与b相连， 输出三相相位互差120°负序交流电，从而在线圈内部产生行波磁场，推动铝溶 液做反向流动。

附图说明：

附图1是本发明示意图；

附图2是本发明电磁搅拌电源示意图；

附图3是本发明验证试验仿真电路示意图；

附图4是本发明电流极性示意图；

附图5是本发明电流向量图；

具体实施方式：

在本发明的描述中具体细节仅仅是为了能够充分理解本发明的实施例，但 是作为本领域的技术人员应该知道本发明的实施并不限于这些细节。另外，公 知的结构和功能没有被详细的描述或者展示，以避免模糊了本发明实施例的要 点。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中 的具体含义。

本发明的具体实施方式：

单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置，其特征在于包括中频加热电源、电磁 搅拌电源、加热线圈和线圈功能切换器，

所述感应加热线圈包括带中心抽头的单相线圈，线圈的首端A，末端B，单 相线圈的总匝数根据中频感应加热电源的谐振频率和谐振电容设计，单相线圈 上引出两个抽头C和D，所述两个抽头将线圈的匝数均分为三份；

单相线圈的一端设置有用于线圈切换和控制的开关KM3；KM3的一端连接 单线圈的输入A，另一端连接单线圈的输出B；

所述线圈的首端A和线圈的末端B与中频加热电源之间分别设置有KM1， KM2。

所述的电磁搅拌电源由12只晶闸管，按照反并联接法，组成6个结构完全 相同的模组，所述模组采用12只晶闸管组成的6个模组或6只双向晶闸管组成； 模组1～模组3作为电源的正向搅拌组，模组4～模组6作为反向搅拌组，两个搅 拌组左端采用正序并联方式连接，模组1与模组4并联后与三相电源的U相连 接，模组2与模组5并联后与三相电源的V相连接，模组3与模组6并联后与 三相电源的W相连接。

所述的电磁搅拌电源的输出端采用负序连接方式，模组1～模组3分别接输 出的a，b，c；模组4的输出接a，模组5的输出接c，模组6的输出接b；a，b， c分别与负载线圈的A，C，D相连。

还设置有基于DSP控制电路，包括温度采样电路、晶闸管(SCR)驱动脉 冲控制电路和I/O控制器。

所述温度采样电路用于完成温度信号的采集和转换调理，一端连接用于将 铝溶液温度信号转成适合DSP接收的电信号的温度传感器，另一端接DSP控制 器的A/D采样模块，通过该模块将温度采样电路输入的模拟电信号转换成数字 量信号，供DSP运算使用。

所述DSP的I/O控制器分别与中频加热电源的启动控制开关KG1和线圈功 能转换开关KM1～KM3电连接，通过对上述开关施加有效的逻辑控制，实现线圈 的功能切换和中频加热电源的启动和停止；

所述的晶闸管(SCR)驱动脉冲控制电路，共包含6路驱动信号，其功能是 完成12只晶闸管的驱动和控制，脉冲控制电路一端连接DSP控制器的I/O接口， 另一端连接12只晶闸管控制极，为达到6路驱动信号控制12只晶闸管的功能， 本发明在晶闸管驱动控制电路中，设置有脉冲分配电路。

一种单线圈电磁加热纵向电磁搅拌方法，利用单线圈电磁加热纵向电磁搅 拌装置，具体包括：

Ⅰ.在控制器中设置工艺相关要求，设置完成后，启动加热功能，控制器首 先控制KM3断开，KM1和KM2闭合，同时闭合加热电源启动开关KG1，负载线圈 呈现单线圈模式，由加热电源提供所需电流，使炉体内铝溶液融化，当温度达 到阈值时，启动搅拌功能，在启动搅拌功能时，控制器首先控制加热电源停止 工作，并延时一段时间后，断开KM1,、KM2和电源开关KG1，同时闭合KM3，

Ⅱ.控制器通过SCR脉冲输出，驱动电磁搅拌电源中的正向搅拌晶闸管组 工作，而反向搅拌组晶闸管均处于截止状态，所述电网电压A、B、C分别与输 出端a、b、c相连，输出三相相位互差120°正序交流电，从而在线圈内部产生 行波磁场，推动铝溶液定向流动，达到搅拌的效果。

3、如图2所示，为实现对铝溶液的充分搅拌，本发明在不增加DSP输出I/O 端口的情况下，通过晶闸管(SCR)驱动脉冲控制电路中的脉冲切换功能，将原 施加在正组晶闸管上的驱动脉冲信号，施加在反组晶闸管上，从而实现反组晶 闸管工作而正组晶闸管截止，此时所述电网电压A与输出端a相连，B与c相连， C与b相连，输出三相相位互差120°负序交流电，从而在线圈内部产生行波磁 场，推动铝溶液做反向流动。

具体实施原理是：

系统启动前需操作人员在控制器中设置工艺相关要求，包括搅拌强度、搅 拌时间等。设置完成后，启动加热功能，控制器首先控制KM3断开，KM1和 KM2闭合，负载线圈呈现单线圈模式，由加热电源提供所需电流，使炉体内铝 溶液融化，当温度达到一定值时，在溶液中加入工艺所需合金元素，随后启动 搅拌功能。在启动搅拌功能时，控制器首先控制加热电源停止工作，并延时一 段时间后，断开KM1和KM2，同时闭合KM3，

控制器通过SCR脉冲输出，驱动电磁搅拌电源中的正向搅拌晶闸管组工作， 而反向搅拌组晶闸管均处于截止状态，a，b，c端输出三相相位互差120°的交 流电，该交流电压接入三相线圈，从而下线圈内部产生行波磁场，推动铝溶液 定向流动，达到搅拌的效果。

由于单相线圈的总匝数根据中频感应加热电源的谐振频率和谐振电容设 计，单相线圈上引出两个抽头C和D，所述两个抽头将线圈的匝数均分为三份， 导致搅拌电源的每相线圈匝数变小，进而导致搅拌电源输出电流较大，为解决 上述问题，本发明将所述单相线圈的总匝数根据所述搅拌电源的电流设置，且 满足中频加热电源的谐振状态，

上述方法的工作原理是：为了规避因通过外接开关对单套线圈结构进行变 化，可实现电磁加热和搅拌的功能而导致搅拌电源输出电流较大，需要对单相 线圈的总匝数进行设计，这样两个抽头将线圈的匝数均分为三份后，在满足正 常搅拌的效果下，搅拌电源输出电流较小，同时保证了中频加热电源工作的谐 振状态。为验证该装置和方法产生行波磁场的效果，设计了仿真电路，仿真电 路如图3所示，将三相交流电接入接成三角形接法的三相线圈中，在线圈中形 成互差120°的三相交流电流，如图4所示：

为便于分析，将三相交流电的一个周期分为6个区域，在区域I，a，b，c 三相电流的极性分别为正，负、正，而区域II中电流的极性分别为正，负，负， 其余四个区域的电流极性如图4所示，在此不再重复。

为便于说明三相电流产生磁势的方向，建立表1所示的三相坐标系，并根 据三相电流的极性，将空间划分为6个区域，

当三相电流分别为正，负，正，三相电流的合成磁势，处于表1的区域I， 当三相电流分别为正，负，负时，合成磁势处于区域II内，依次类推，当线圈 中通入互差120°的三相交流电流时，在线圈中产生的合成磁势，做定向圆周运 动，而在搅拌器设计中采用将三个线圈竖直顺序连接的方式，因而，在搅拌线 圈中的实际磁势就变成了定向直线运动，从而在线圈内部铝溶液中形成行波磁 场，铝液在行波磁场的作用下产生定向运动，达到搅拌的效果；若要改变该行 波磁场的方向，只需控制正向搅拌组停止工作，将控制器的触发脉冲信号施加 在反向搅拌晶闸管组上，即可改变搅拌线圈中电流的相序，从而改变改变行波磁场的方向，达到反向搅拌的效果。

表1：三相坐标系布局

综上所述：本发明创造性的通过外接开关对单套线圈结构进行变化，可实 现电磁加热和搅拌的功能，相比与传统双线圈方案，可大大减小搅拌过程的漏 磁，降低搅拌电源的装机容量。

Claims (7)

1.单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置，其特征在于包括中频加热电源、电磁搅拌电源、感应加热线圈和线圈功能切换器，

所述感应加热线圈包括带中心抽头的单相线圈，线圈的首端A，末端B，数根据中频感应加热电源的谐振频率和谐振电容容量设计的单相线圈的总匝数，单相线圈上引出两个抽头C和D，两个抽头将线圈的匝数均分为三份；

单相线圈的一端设置有用于线圈切换和控制的开关KM3；KM3的一端连接单线圈的输入A，另一端连接单线圈的输出B；

线圈的首端A和线圈的末端B与中频加热电源之间分别设置有KM1和KM2。

2.根据权利要求1所述的单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置，其特征在于所述的电磁搅拌电源由12只晶闸管，按照反并联接法，组成6个结构完全相同的模组，所述模组由12只晶闸管组成的6个模组或6只双向晶闸管组成；模组1～模组3作为电源的正向搅拌组，模组4～模组6作为反向搅拌组，两个搅拌组左端采用正序并联方式连接，模组1与模组4并联后与三相电源的U相连接，模组2与模组5并联后与三相电源的V相连接，模组3与模组6并联后与三相电源的W相连接；

所述的电磁搅拌电源的输出端采用负序连接方式，模组1～模组3分别接输出的a，b，c；模组4的输出接a，模组5的输出接c，模组6的输出接b；a，b，c分别与负载线圈的A，C，D相连。

3.根据权利要求2所述的单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置，其特征在于还设置有DSP控制器，包括温度采样电路、晶闸管(SCR)驱动脉冲控制电路和开关控制器。

4.根据权利要求3所述的单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置，其特征在于所述温度采样电路用于完成温度信号的采集和转换调理，一端连接用于将铝溶液温度信号转成适合DSP接收的电信号的温度传感器，另一端接DSP控制器的A/D采样模块，通过采样模块将温度采样电路输入的模拟量信号转换成数字量信号；

所述开关控制器设置成继电器，开关控制器的控制端连接DSP控制器的I/O管脚，控制触点分别与中频加热电源的启动控制开关KG1和线圈功能转换开关KM1～KM3电连接，通过对上述开关施加有效的逻辑控制，实现线圈的功能切换和中频加热电源的启动和停止。

5.根据权利要求3所述的单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置，其特征在于所述的晶闸管(SCR)驱动脉冲控制电路，包含6路驱动信号，所述6路驱动信号的输入接DSP控制器的输入/输出接口，输出连接12只晶闸管的控制极。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置，其特征在于所述的单相线圈的总匝数根据搅拌电源的电流设置，且满足中频加热电源的谐振状态。

7.一种单线圈电磁加热纵向电磁搅拌方法，其特征在于利用权利要求6所述的单线圈电磁加热纵向电磁搅拌装置，具体包括：

Ⅰ.在控制器中设置工艺相关要求，设置完成后，启动加热功能，控制器首先控制KM3断开，KM1和KM2闭合，同时闭合加热电源启动开关KG1，负载线圈呈现单线圈模式，由加热电源提供所需电流，使炉体内铝溶液融化，当温度达到阈值时，启动搅拌功能，在启动搅拌功能时，控制器首先控制加热电源停止工作，并延时一段时间后，断开KM1,、KM2和电源开关KG1，同时闭合KM3，

Ⅱ.控制器通过SCR脉冲输出，驱动电磁搅拌电源中的正向搅拌晶闸管组工作，而反向搅拌组晶闸管均处于截止状态，电网电压A、B、C分别与输出端a、b、c相连，输出三相相位互差120°正序交流电，从而在线圈内部产生行波磁场，推动铝溶液定向流动，实现搅拌。

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