離子滲氮用脈沖電源的研制

摘要：文章通過對比，論述了離子滲氮用直流電源的缺點以及脈沖電源在克服相應(yīng)問題上的優(yōu)勢，研制了100kW離子滲氮用脈沖電源，文章介紹了電路原理，此電源具有較大的推廣應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞：離子滲氮脈沖電源

1引言

輝光離子滲氮作為一種硬度高、變形小的鋼鐵表面強化技術(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：

(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。

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時才足以產(chǎn)生輝光放電，見圖2。有時由升溫階段轉(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)重時冷卻水帶走的能量占總功率的40％之多。

圖2低壓氣體放電伏安特性曲線

　　(3)工件上的小孔、深孔、溝槽部分常會產(chǎn)生空心陰極效應(yīng)，造成局部溫度過高、硬度下降，對于形狀復(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，因而取消了限流電阻，可大幅度節(jié)能。

(2)在提供大的瞬時能量的同時，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，實現(xiàn)獨立調(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，對于原來需要堵孔屏蔽的某些零件可直接裝爐滲氮，簡化了工序。

2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，要求對脈沖的占空比進(jìn)行調(diào)節(jié)，對爐內(nèi)溫度實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)控制，對打弧進(jìn)行檢測與保護(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。考慮到成本及電路的簡潔可靠，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：

圖3脈沖電源框圖

3電源工作原理

3.1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瞬時關(guān)斷時電路中形成的過壓，并配以LEM電流、電壓傳感器向控制電路提供反饋信號。

圖4主電路原理簡圖