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如何設(shè)計(jì)100kW離子滲氮用脈沖電源

發(fā)布時(shí)間:2013-01-03 責(zé)任編輯:Lynnjiao

【導(dǎo)讀】輝光離子滲氮作為一種硬度高、變形小的鋼鐵表面強(qiáng)化技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域已得到了廣泛的應(yīng)用。但傳統(tǒng)的離子滲氮直流電源存在一系列的問題,有一些難以克服的缺點(diǎn)。

其缺點(diǎn)如下:

(1)離子滲氮過程中既要防止大電弧的形成,降低電弧能量、又要利用微弧清洗凈化工件,一般的電路除設(shè)計(jì)有LC振蕩滅弧、電流截止滅弧以外,都串聯(lián)有限流電阻R,見圖1。

直流電源原理示意圖
圖1:直流電源原理示意圖

(2)在離子滲氮過程中,爐內(nèi)電壓、電流須處于異常輝光放電區(qū)的范圍,這樣才能保證工件均勻地被輝光覆蓋,一般當(dāng)離子功率密度大于0.4W/cm2時(shí)才足以產(chǎn)生輝光放電,見圖2。有時(shí)由升溫階段轉(zhuǎn)向保溫階段,為了維持一定的輝光功率并保持溫度,只有增大冷卻水流量。據(jù)介紹,嚴(yán)重時(shí)冷卻水帶走的能量占總功率的40%之多。

低壓氣體放電伏安特性曲線
圖2:低壓氣體放電伏安特性曲線

(3)工件上的小孔、深孔、溝槽部分常會(huì)產(chǎn)生空心陰極效應(yīng),造成局部溫度過高、硬度下降,對(duì)于形狀復(fù)雜的工件,如模具等難以獲得均勻的滲氮層。

如果是采用脈沖電源進(jìn)行離子滲氮,可以克服以上不足之處,其優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)在脈沖電壓的作用下,爐內(nèi)氣體放電受高頻電子開關(guān)的通斷控制,電流電壓自然過零,自身具有滅弧的功能,由于采用自關(guān)斷器件,滅弧速度可達(dá)微秒級(jí),因而取消了限流電阻,可大幅度節(jié)能。

(2)在提供大的瞬時(shí)能量的同時(shí),可以保持較小的平均能量,可將工件升溫、保溫所需的離子能量借助于導(dǎo)通比α來調(diào)節(jié),從而將輝光放電的物理參數(shù)與控制溫度的參數(shù)分開,實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)整,提高滲氮質(zhì)量。

(3)空心陰極效應(yīng)的產(chǎn)生是由于離子-電子的相互作用,產(chǎn)生雪崩效應(yīng),引起載流子的聚集所造成的,采用脈沖電源后載流子的聚集被脈沖間隙中斷,從而抑制了空心陰極效應(yīng),改善了復(fù)雜零件的溫度均勻性。另外,對(duì)于原來需要堵孔屏蔽的某些零件可直接裝爐滲氮,簡(jiǎn)化了工序。

采用的方案

根據(jù)離子滲氮工藝的要求,脈沖電源的工作頻率為2kHz左右,最高工作電壓為1000V,電流幅值約為100A。在電源的控制電路中,要求對(duì)脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié),對(duì)爐內(nèi)溫度實(shí)現(xiàn)PID調(diào)節(jié)控制,對(duì)打弧進(jìn)行檢測(cè)與保護(hù)。主電路可以有多種方式,如:直流斬波方式、逆變方式等,可選用的開關(guān)器件也很多??紤]到成本及電路的簡(jiǎn)潔可靠,本電源采用直流電源加斬波部分及控制部分,具體框圖如下:

脈沖電源框圖
圖3:脈沖電源框圖

電源工作原理

主電路
  
三相交流電經(jīng)電源變壓器升壓后,再經(jīng)晶閘管三相半控橋式整流、濾波,輸出連續(xù)可調(diào)0~1000V直流電壓,爐體陰極與電源負(fù)極之間接一大功率IGBT管進(jìn)行斬波,IGBT兩端并聯(lián)一RCD緩沖吸收電路,用以吸收IGBT瞬時(shí)關(guān)斷時(shí)電路中形成的過壓,并配以LEM電流、電壓傳感器向控制電路提供反饋信號(hào)。

主電路原理簡(jiǎn)圖
圖4:主電路原理簡(jiǎn)圖

晶閘管觸發(fā)控制電路

脈沖峰值電壓的提供依賴于半控橋式整流電路,可由給定信號(hào)調(diào)節(jié)晶閘管的導(dǎo)通角,本電路中采用先進(jìn)的TC787三相相位控制電路。電路中先產(chǎn)生一斜坡給定信號(hào),然后再加上電流負(fù)反饋信號(hào)進(jìn)行綜合放大后送入TC787的4端,12、10、8端分別用于控制A、B、C三相晶閘管的控制極。見圖5所示。

晶簡(jiǎn)管觸發(fā)電路框圖
圖5:晶簡(jiǎn)管觸發(fā)電路框圖

IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路
  
由綜合放大電路板(ZHFD)產(chǎn)生的輸出信號(hào)被送入SG3526,產(chǎn)生PWM脈沖,此信號(hào)與反饋信號(hào)進(jìn)行邏輯運(yùn)算后送入HL403B厚膜驅(qū)動(dòng)器,當(dāng)IGBT產(chǎn)生過流、短路故障時(shí),借助于IGBT內(nèi)部的短路、欠飽和、軟關(guān)斷、降柵壓保護(hù)功能,保護(hù)信號(hào)通過光電耦合器加到NE555時(shí)基電路組成的自保電路封鎖PWM脈沖,使IGBT的GE間產(chǎn)生負(fù)偏壓而截止,見圖6。

IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路
圖6:IGBT的驅(qū)動(dòng)與保護(hù)電路

滅弧控制電路及過流截止保護(hù)電路
  
打弧現(xiàn)象是離子滲氮爐內(nèi)不可避免的,當(dāng)出現(xiàn)打弧,且正常的電壓下降無法滅掉弧光時(shí),爐中電壓下降,電流上升,爐中等效電阻接近于0Ω,若不及時(shí)滅掉將會(huì)使器件過流損壞,打弧信號(hào)的獲得可以通過以下途徑:

(1)電流最大值、電流上升率di/dt。
(2)電壓最小值、電壓下降率dv/dt,由于線路中難免存在分布電感,電流增長(zhǎng)的速度比電壓下降的速度要慢,所以檢測(cè)電壓下降信號(hào)可以較快地判別出打弧的發(fā)生,但要求電路能自動(dòng)地區(qū)別正常脈沖的上下跳變與打弧引起的極間電壓下降,為此專門設(shè)計(jì)打弧檢測(cè)電路檢測(cè)出打弧信號(hào)后,關(guān)斷主電路電壓,待弧光滅掉后,又重解除封鎖。

放大電路

此部分電路的功能是實(shí)現(xiàn)溫度的PID控制,打弧信號(hào)的采集,電流、電壓負(fù)反饋以及產(chǎn)生滅弧信號(hào),輸出信號(hào)將分別送往晶閘管觸發(fā)控制電路及PWM脈寬給定電路,以實(shí)現(xiàn)對(duì)電源的整體控制。此外,本電源中還包括顯示電路用以顯示峰值電壓、電流、平均電流、頻率、導(dǎo)通比等,以及接觸器、繼電器控制電路,本文從略。

設(shè)備裝配以后進(jìn)行了一些調(diào)試,各部分基本上達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的,并與離子滲氮爐體進(jìn)行聯(lián)接,帶載運(yùn)行,各種功能正常,打弧階段的時(shí)間明顯縮短,滅弧時(shí)間經(jīng)檢測(cè)僅為5微秒左右。脈沖電源用于離子滲氮在技術(shù)上是可行的,它的優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)得到了驗(yàn)證,可以預(yù)見,脈沖電源將逐步取代直流電源并會(huì)得到廣泛的應(yīng)用。

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