离子渗氮用脉冲电源的研制测长仪

离子渗氮用脉冲电源的研制

离子渗氮用脉冲电源的研制 2011年12月09日 来源： 1引言辉光离子渗氮作为一种硬度高、变形小的钢铁表面强化技术在工业领域已得到了广泛的应用。但传统的离子渗氮直流电源存在一系列的问题，有一些难以克服的缺点：(1)离子渗氮过程中既要防止大电弧的形成，降低电弧能量、又要利用微弧清洗净化工件，一般的电路除设计有LC振荡灭弧、电流截止灭弧以外，都串联有限流电阻R，见图1。图1直流电源原理示意图　　(2)在离子渗氮过程中，炉内电压、电流须处于异常辉光放电区的范围，这样才能保证工件均匀地被辉光覆盖，一般当离子功率密度大于0.4W/cm2时才足以产生辉光放电，见图2。有时由升温阶段转向保温阶段，为了维持一定的辉光功率并保持温度，只有增大冷却水流量。据介绍，严重时冷却水带走的能量占总功率的40％之多。图2低压气体放电伏安特性曲线　　(3)工件上的小孔、深孔、沟槽部分常会产生空心阴极效应，造成局部温度过高、硬度下降，对于形状复杂的工件，如模具等难以获得均匀的渗氮层。如果是采用脉冲电源进行离子渗氮，可以克服以上不足之处，其优点如下：(1)在脉冲电压的作用下，炉内气体放电受高频电子开关的通断控制，电流电压自然过零，自身具有灭弧的功能，由于采用自关断器件，灭弧速度可达微秒级，因而取消了限流电阻，可大幅度节能。(2)在提供大的瞬时能量的同时，可以保持较小的平均能量，可将工件升温、保温所需的离子能量借助于导通比α来调节，从而将辉光放电的物理参数与控制温度的参数分开，实现独立调整，提高渗氮质量。(3)空心阴极效应的产生是由于离子－电子的相互作用，产生雪崩效应，引起载流子的聚集所造成的，采用脉冲电源后载流子的聚集被脉冲间隙中断，从而抑制了空心阴极效应，改善了复杂零件的温度均匀性。另外，对于原来需要堵孔屏蔽的某些零件可直接装炉渗氮，简化了工序。2采用的方案根据离子渗氮工艺的要求，脉冲电源的工作频率为2kHz左右，最高工作电压为1000V，电流幅值约为100A。在电源的控制电路中，要求对脉冲的占空比进行调节，对炉内温度实现PID调节控制，对打弧进行检测与保护。主电路可以有多种方式，如：直流斩波方式、逆变方式等，可选用的开关器件也很多。考虑到成本及电路的简洁可靠，本电源采用直流电源加斩波部分及控制部分，具体框图如下：图3脉冲电源框图3电源工作原理3.1主电路　　三相交流电经电源变压器升压后，再经晶闸管三相半控桥式整流、滤波，输出连续可调0～1000V直流电压，炉体阴极与电源负极之间接一大功率IGBT管进行斩波，IGBT两端并联一RCD缓冲吸收电路，用以吸收IGBT瞬时关断时电路中形成的过压，并配以LEM电流、电压传感器向控制电路提供反馈信号。图4主电路原理简图3.2晶闸管触发控制电路脉冲峰值电压的提供依赖于半控桥式整流电路，可由给定信号调节晶闸管的导通角，本电路中采用先进的TC787三相相位控制电路。电路中先产生一斜坡给定信号，然后再加上电流负反馈信号进行综合放大后送入TC787的4端，12、10、8端分别用于控制A、B、C三相晶闸管的控制极。见图5所示。图5晶简管触发电路框图3.3IGBT的驱动与保护电路　　由综合放大电路板（ZHFD）产生的输出信号被送入SG3526，产生PWM脉冲，此信号与反馈信号进行逻辑运算后送入HL403B厚膜驱动器，当IGBT产生过流、短路故障时，借助于IGBT内部的短路、欠饱和、软关断、降栅压保护功能，保护信号通过光电耦合器加到NE555时基电路组成的自保电路封锁PWM脉冲，使IGBT的GE间产生负偏压而截止，见图6。

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