（电力电子与电力传动专业论文）双端脉冲式变压变频微弧氧化电源研制.pdf

北京交通大学硕士学位论文 文章最后给出了试验的波形和相关试验数据。试验 证明，在金属及其合金表面生成陶瓷层的微弧氧化方 法中，该系统能很好的实现电压波形变换和宽范围的 脉冲参数调节。 关键词：微弧氧化电源，变压变频，i g b t ， t m s 3 2 0 f 2 4 0 ，电磁兼容 北京交通大学硕士学位论文a b s t r a c t d e v e l o p m e n to fm i c r o a r c o x i d a t i o np o w e ro na d j u s t a b l e v o l t a g ea n d f r e q u e n c y w i t h b i p o l a r i t yp u l s e a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs u r f a c et r e a t m e n tt e c h n i q u e ， m i c r o a r co x i d a t i o n p o r c e l a i nd i s p o s a l o f a l u m i n u m ， t i t a n i u m ，m a g n e s i u m & t h e i ra l l o ys u r f a c ew a sa p p l i e dt o a u t o m o b i l e ，a v i a t i o n ，m a c h i n e ，e l e c t r o n i c s ，e t c a t p r e s e n t ，m o s tp o w e rs u p p l i e su s e di nt h i sf i e l da r ed c o r u n i p o l a rp u l s ep o w e rs u p p l yw h e nd i s p o s i n go fm e t a l s u r f a c ew i t hm i c r o a r co x i d a t i o n t h ep o w e r s u p p l yi n t h i s p a p e ri sd e s i g n e do nt h eb a s i co fe l i m i n a t i n gt h e s h o r t a g e s o f p r e v i o u sp o w e rs u p p l i e s i ti s a n i d e a l ， b i p o l a ra n dh i g h p o w e rp o w e rs u p p l y ，t h ea m p l i t u d ea n d d u t y r a t i oo fp l u sa n dm i n u s p u l s e i nw h i c hc a nb e m o d u l a t e d a c c o r d i n g t ot h el o a d r e q u i r e m e n t s t h i s p o w e rs u p p l ym a i n t a i n s g o o dp o r c e l a i n s u r f a c e b y m e a n so f c o n t r o l l i n g t h e a m p l i t u d e ，d u t y r a t i oa n d f r e q u e n c yo ft h ev o l t a g ep u l s e a sar e s u l t ，t h ep o w e r s u p p l yp o s s e s s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so fh i g h e f f i c i e n c y ， s a f e t y ，r e l i a b i l i t ya n dc o n v e n i e n to p e r a t i o n t h ed s pd e v i c et m s 3 2 0 f 2 4 0i su s e di nt h ec o n t r o l s y s t e mf o rr e a lt i m ec o n t r o li np o w e rc o n v e r t e r s a n d i n p u tt r a n s f o r m e r sa n dt h es i l i c o nc o n t r o l l e dr e c t i f i e r s ( s c r s ) a n di g b tc h o p p e rc o n v e r t e r sa r eu s e di nt h e m a i nc i r c u i t c u r r e n t - m o d ec o n t r o lb a s e do nu c 3 8 4 3 i s u s e di n a s s i s t a n t p o w e r s u p p l y s o f t s t a r t u p a n d p r o t e c t i o n c a nb er e a l i z e d b yu s i n g t h ef u n c t i o n o f c u r r e n t l i m i ta n ds h u t d o w n t h ee m ci n m i c r o a r co x i d a t i o n p o w e rs u p p l yi s s t u d i e di nt h i s p a p e r m e a s u r e s t o r e d u c es u c h e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c ea r eb r i e f e d w a v e f o r m sa n dt e s td a t aa r eg i v e ni nt h i sp a p e r i ti s v e r i f i e dt h a t a m o n go x i d a t i o nt og e n e r a t ep o r c e l a i no n m e t a l sa n dt h e i ra l l o ys u r f a c e ，w a v e f o r mt r a n s f o r m a t i o n o f v o l t a g ea n dt u n i n gf o rw i d ep u l s ep a r a m e t e r sa r ew e l l r e a l i z e d k e yw o r d s ：m i c r o a r co x i d a t i o n p o w e r s u p p l y ， a d j u s t a b l e 。v o l t a g ea n df r e q u e n c y ，i g b t ，t m s 3 2 0 f 2 4 0 ， e m c 北京交通大学硕上学位论文 绪论 第一章绪论 1 1 课题背景 钢材具有较高的强度和优良的机械加工性，在工农业生产 中得到广泛的应用，它的产量已经成为一个国家工业化程度的 标志，但钢材有一个极大的缺点一一极易腐蚀，往往造成巨大 的损失。铝、钛、镁等有色金属及其合金具有比重小、比强度 高、易成型等优点，在航空航天、汽车工业等多个领域有广泛 应用，但它们耐蚀性、耐磨性较差，这就限制了它们的使用寿 命和范围。因此，对这些金属材料进行相应的表面处理，增强 其对环境的适应性和安全性，减少腐蚀，延长使用寿命，具有 重大意义。 表面处理的工艺方法很多，常用的有化学气相沉积 ( c v d ) 、离子束注入沉积( i b a d ) 、热溅射、等离子体溅射、 热喷涂、溶胶一凝胶法、电镀、抛光、阳极氧化等等。这些技 术中： 1 、化学气相沉积、离子束注入沉积、热溅射、等离予体溅 射、热喷涂在处理中需要保持高温，这样易使铝合金等熔点较 低的材料受到损伤。 2 、溶胶一凝胶法需要复杂的后处理，影响了基体材料和表 面膜层的性能。 3 、铝及其合金的电镀一般是为了改善装饰性，提高表面 北京交通大学硕上学位论文绪论 硬度和耐磨性，降低摩擦系数，改善润滑性，提高表面导电性 和反光率等而进行的。由于铝对氧有很强的亲和力，表面总是 有氧化膜存在。铝属于两性金属，在酸性溶液和碱性溶液中都 不稳定。铝的膨胀系数较绝大多数金属的大，铬为7 l o 一，所 以镀层易脱落。又由于镀铝常含有砂眼、气孔等缺陷，在电镀 过程中，砂眼和气孔中常会滞留溶液和氢气，影响镀层与基体 的结合力，所以直接在铝及其合金上电镀很困难。 4 、铝及其合金的抛光多年来普遍采用三酸抛光工艺。该 工艺温度高、时间短、亮度好，但一般只能单根抛光，无法批 量生产，而且产生的黄烟对人体有害。电解抛光的含磷和铬酸 的废水处理一般厂家难以解决，且生产中耗电量很大。 5 、在铝、镁、钛及其合金的表面处理方法中，阳极氧化称 得上是一种“万能”的方法。该方法是用铝、镁、钛及其合金 作阳极，用铅、碳或不锈钢作阴极，在草酸、硫酸、铬酸等溶 液中电解。从而可得到自然氧化法难以达到的成膜速度。人工 制备屏障形成氧化膜时，膜厚度的增加与附加的电压成正比。 但电压不能无限制增加，在5 0 0 v 左右的电解槽电压下会引起 绝缘破坏，薄膜受到损伤。 上面几种传统的表面处理技术主要是为了解决材料的耐磨 和耐腐蚀性问题，而现代表面处理技术除了解决上述问题外， 更赋予材料以新的功能。它以经济有效的方法改善材料表面及 近表面区的形态、化学成分及组织结构，并赋予新的复合性能， 可获得许多新构思、新材料、新器件和新应用。因此研究一种 北京交通大学颤士学位论文绪论 新的表面处理技术迫在眉睫。 约从上世纪7 0 年代开始，美国伊利诺大学和德国卡尔马克 思城工业大学等单位用赢流或单向脉冲电源丌始研究a l 、t i 等阀金属表面火花放电沉积膜，并分别命名为阳极火化沉积和 火花放电阳极氧化。俄罗斯科学院无机化学研究所的研究员 1 9 7 7 年独立地发表了一篇论文，开始此技术的研究。他们采用 交流电压模式，使用电压比火花放电阳极氧化高，并称之为微 弧氧化。从文献上看，美、德、俄三国基本上是各自独立地发 展该技术，相互间文献引用很少。进入9 0 年代以来，美、德、 俄、日等国加快了微弧氧化或火花放电阳极氧化技术的研究开 发工作，论文数量增长较快，但总数仍只有一、二百篇。我国 从上世纪9 0 年代初开始关注此技术，目前仍处于起步阶段。总 之，该技术已引起许多研究者的关注，正成为国际材料科学研 究热点之一。 微弧氧化( m i c r o a r co x i d a t i o n ) ，又称微等离子体氧化或 阳极火花沉积，是一种在有色金属表面原位生长陶瓷膜的新技 术。其基本原理为：将a 1 、m g 、t i 等阀金属样品放入电解液 中，通电后金属表面立即生成很薄一层a 1 2 0 3 绝缘膜。形成完 整的绝缘膜是进行微弧氧化处理的必要条件。当样品上施加的 电压超过某一临界值时，这层绝缘膜上某些薄g 环节被击穿， 发生微弧放电现象，浸在溶液里的样品表面可以看到无数个游 动的弧点或火花。因为击穿总是在氧化膜相对薄弱部位发生， 因此最终生成的氧化膜是均匀的。每个弧点存在时间很短，但 3 北京变通大学硕士学位论义 等离子体放电区瞬间温度很高，一般瞬间温度超过2 0 0 0 。 在此区域内金属及其氧化物发生熔化，使氧化物产生结构变 化。图1 - 1 为t i 微弧氧化膜表面形貌，从图中能看见许多残 图1 1 t i 徽弧氯化腹表面，睇貌 留的放电气孔，孔周围有熔化的痕迹，证实放电区瞬间温度确 实很高。微弧氧化不同于常规的阳极氧化技术，它在工作中使 用较高电压，在微弧氧化过程中，化学氧化、电化学氧化、等 离子体氧化同时存在，因此陶瓷氧化膜的形成过程非常复杂， 至今还没有一个合理的模型全面描述陶瓷膜的形成。微弧氧化 同阳极氧化的最大区别在于微弧氧化时微等离子体高温高压 区瞬间烧结作用使无定形氧化物变成晶态相，如铝合金表面微 弧氧化膜主要由u - a l z 0 3 、7 - a 1 2 0 3 相组成。 微弧氧化过程中，具有电晕、火花、微弧等多种放电形式。 北京交通大学硕上学位论文绪论 外加电压大于约1 0 0 v 时，电压从普通阳极氧化法拉第区进入 高压放电区，氧化膜开始被击穿。当电压大于7 0 08 0 0 v 时， 进入弧放电区，样品表面出现较大的弧点，并伴随尖锐的爆鸣 声，它们会在膜表面形成一些小坑，破坏膜的性能，因此，工 作电压要控制在微弧放电区以下，使之不进入弧放电区。本文 正是基于微弧氧化方法所要求的各种电参数而设计的双端脉 冲式变压变频微弧氧化龟源。 3 、 1 2 微弧氧化电源的主要技术参数 直流输出电压： 正电压为0 一+ 8 0 0 v ( 连续可调) ； 负电压为3 0 0 一o v ( 连续可调) ： 直流输出电流： 正电源最大为1 2 0 a ； 负电源最大为1 2 0 a ； 输出脉冲电压幅度： 正脉冲电压幅度0 一十8 0 0 v ( 连续可调) ： 负脉冲电压幅度o 一一3 0 0 v ( 连续可调) ： 脉冲占空比： 正脉冲占空比：o 一1 0 0 ( 连续可调) ； 负脉冲占空比：o 一2 5 ( 连续可调) ： 北京交通大学硕士学位论文 5 、脉冲频率：2 0 2 k h z ( 连续可调) ； 6 、电源输出功率： 3 0 k v a ； 7 、电源设置了正、负电压和频率显示功能 1 3 本论文研究的主要内容 本文详细讨论了双端脉冲式变压变频微弧氧化电源的工作 原理，以及系统的软硬件实现。第二章针对系统的技术参数设 计了几种方案，并比较了各种可行方案，作出最优可行的选择。 第三、第四和第五章介绍了微弧氧化电源主电路、驱动电路、 控制电路的软硬件以及辅助电源实现，其中包括主电路拓扑、 参数选择、控制方法的研究、实际器件的应用、d s p 的软硬件 设计以及辅助开关电源的设计。第六章介绍了整个系统实现过 程中采用的一些电磁兼容措旌。第七章给出了相关试验波形， 并对其进行分析。最后对整个系统研制过程中遇到的问题以及 解决方法进行了综述，给出了结论。 北京交通人学硕士学位论文 系统分析 第二章系统分析 2 1 微弧氧化对电源波形的要求 用微弧氧化方法对铝、镁、钛及其合金进行表面处理时需 要复杂的电参数，包括其电解液的电压、电流密度以及频率等。 因此，铝、镁、钛及其合金表面处理工艺好坏都取决于以i 二参 数是否恰当。目前用微弧氧化方法处理金属表面时，所用的电 源大多为以下四种：直流电源；脉冲电源；直流加单向 脉冲式电源；直接从电网获取大脉冲电流的单相交流电源。 其电源输出波形如图2 - 1 所示。 、直流加单向脉冲式电源 、单相交漉电源 图2 一i 各种电源输出波形 f i g u r e2 - 1 t h eo u t p u tw a v e f o r m so fd i f f e r e n tp o w e rs u p p l y 从工艺要求角度出发，以上电源都各有其缺点： 、直流电源氧化时电解液中被电解出的金属离子在阴极 表面附近溶液中逐渐被消除，这就造成了该处被电解金属离子 7 。蝴 i 二 皿黼 氏 扯一枷b 一地 北京交通大学硕士学位论文 系统分析 与溶液中该离子的浓度出现差别。这种差别随着使用的电流密 度增高而加大。当阴极附近液层中的该离子的浓度降到零时， 就达到了所谓的极限电流密度，传质过程完全受扩散控制。因 此直流氧化的电流密度较低，并直接导致合金的氧化膜厚度难 以提高。 、脉冲电源氧化时，由于有关断时间的存在，被消耗的 金属离子利用这段时间扩散补充到阴极附近，当下一导通时间 到来时，阴极附近的金属离子浓度得以恢复，故可以使用较高 的电流密度。与传统直流电源相比，脉冲电源就是其输出直流 波形、频率、占空比和平均电流密度等参数均可根据氧化需要 设定的直流电源，其特点可概括为：1 ) 频率( f ) 、占空比( d ) 都可调：2 ) 波形特殊( 例如方波等) 。脉冲电源的这些特点在生 产中的实际意义就是，在金属氧化过程中，脉冲电源可通过改 变其输出波形的频率、点空比和平均电流密度，来改变电解槽 中金属离子电沉积过程，使电沉积过程在较宽范围内变化，从 而可获得均匀致密较为理想的镀层。 、直流单向脉冲电源一般只适合于无特殊要求的镀金、 银、镍场合，但对于表面要求较为理想的场合( 如精密仪器、 电子元件陶瓷基片表面处理) ，这种电源就存在加工时间长、 镀层均匀性差、镀层容易出现缺陷以及存在较大的内应力等缺 点。 、直接从电网获取大脉冲电流的单相交流电源虽然简单， 但存在一些弊病，如经波形修正而产生严重畸变的很大的单相 北京交通人学硕士学位沦文 系统分析 交流脉冲电流会对电网造成严重冲击，带来严重污染电网的麻 烦。再则，工作电压幅度不能连续凋节给使用带来不便。 综上所述，为消除现有技术中各种氧化电源的不足，研制 了双端脉冲式变压变频微弧氧化电源，其优点为： 1 、提供一种三相平衡的、对电网基本没有冲击、能够用于 工业生产的双极性大功率微弧氧化脉冲电源。 2 、提供一种适宜微弧氧化工作的电源，它是正负脉冲幅度、 宽度和频率分别连续可调的双极性大功率脉冲电源。通过对以 上参数的优化选择，能确保获得最佳的陶瓷结构层、良好的生 产效率和安全、可靠、方便的操作性能。 双端脉冲式变压变频微弧氧化电源所要达到的主要技术 参数是：输出峰值正电压，o + 8 0 0 v ；连续可调；输出峰值 负电压一3 0 0 0 v ；脉冲频率，2 0 2 k h z ；正脉冲占空比，o 1 0 0 ；负脉冲占空比，0 2 5 。以上参数均为连续可调。 2 2 脉冲氧化膜的交流阻抗法等效电路分析 应用脉冲电流( 或电压) 对铝合金表面进行氧化处理，可获 得高耐蚀性，高耐磨性及高硬度的氧化膜层，其维氏硬度比直 流膜提高近一倍，耐磨性能提高两倍，耐蚀性能提高2 3 个 等级。综合性能的改善非常显著。但是，在设计微弧氧化电源 时，最重要的是要控制氧化电解槽的电流密度，从而使脉冲氧 化膜的致密性、均匀性、有无缺陷都能满足我们设计的要求。 北京交通大学硕士学位论文系统分析 因此我们就必须对脉冲氧化膜进行等效电路分析。 根据k e l l e r 的铝氧化膜模型，氧化膜由多孔层和阻挡层两 部分组成，靠近铝基体的一侧为阻挡层，靠近溶液一侧为多孔 层我们选择了三种情况，分别为无缺陷膜；多孔层有缺陷， 阻挡层无缺陷l 两层均有缺陷。其等效电路分别见图2 2 、图 2 3 和图2 4 。 图2 2 描述的是氧化膜完整、均匀地覆盖在铝表面的情况， 整个表面氧化膜的性质相对于并联电容c 。而言，阻抗值很大， 可被忽略，溶液的电阻r 。l 可通过选择适当的实验条件减小到 可忽略程度，因此，图 2 2 等效电路中的c p 和r p 可分别代表氧化 膜多孔层的平均电容 和电阻，c b 代表阻挡层 的平均电容经推导该 等效电路的阻抗可表示为 r p 图2 2 完整均匀铝氧化膜的等效电路 f i g u r e2 - 2e q u i v a l e n tc i r e u i to ft h e o x i d el a y e r sw i t h o u td e f e c t so l la l u m i n u m z ( t o ) = z l ) 十j z 2 ) z t ) 2 丽面r p 了 z z ”卜i 雠_ _ c v ，r c p 了+ 去卜 l z i = ( z 。2 + z 2 2 ) “2 1 0 ( 2 - 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 _ 4 ) 北京交通大学硕士学位论文 系统分析 妒= a r c t a n ( z 2 z 1 ) f = 2 ，z t o ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) r b ( 1 口) 图23 阻挡层完整，多孔层不连续时的铝氧化膜等效电路 f l g u r e2 3e q u i v a l e t l tc l r c i u i to ft h ea l t i m i n h mo x l d ef i l b lw l t ht h ep a r to f t h eb a r r i e rl a y o ri n t e g r a t e da n d t h ep a r to fp o r o u si a y e rd 1s c o n t i n u o u s 图2 3 是阻挡层均匀覆盖表面，多孔层不连续存在的情况。 将多孔层完整存在的面积分数记作0 ，r - 为阻挡层的平均电 阻，r ”c ”c b 、r 。1 等意义与图2 2 相同。这个电路的总阻 抗可用下式表示： z ) ：1 6 9 k + ，) + ( 1 一日) 匕 ) 2 _ 7 ) 式中y b + 。为氧化膜完整存在时阻挡层与多孔层的导纳和， y 。为多孔层的导纳，对应于不同参数时，b o d e 图应表示出较 复杂的形式( 需要说明：b o d e 图是阻抗幅模的对数l o gi z i 和相角扫对相同的横坐标频率的对数l o g ，的图) 。 图2 - 4 是等效电路的第三个模型，它与等效电路2 3 的区 别是阻挡层也不连续，直接裸露的铝基体的面积分数是( 1 们。 北京交通大学硕士学位论文系统分析 其阻抗可表示为 r 。咐( 1 一目) 罔2 4 阻挡层和多孔层均不连续时的铝氧化膜等效电路 f i g u r e2 - 4e q t 】i v a l e n tc i r c u i to ft h ea l u m i n t l bo x i d ef i l mw i t h t h eb a r r i e r l a y e ra n dt h ep o r o u sl a y e rb o t hd i s c o n t i n u o u s z ( ) ：i e k + ， ) + ( 1 0 ) y o 。，( ) 2 8 选择以上三种模型后，根据等效电路求出的式( 2 - 1 ) 、 ( 2 - 7 ) 、( 2 - 8 ) 就可画 出各自的b o d c 图。如 果用实验测试脉冲和 直流两种氧化膜的 b o d e 图与上面等效电 路的b o d e 图相对照， 就可对两种氧化膜的 结构进行对比分析。 图2 5 脉冲铝氧化膜( a ) 与直流铝氧化膜( b ) 的b o d e 图 f i g u r e2 - 5b o d ed i a g r a m sf o rt h ea l u m i n u mp c f i i m s ( a ) a n da l u m i n u md cf i i m s ( b ) 北京交通大学坝土学位论文 系统分析 图2 - 5 中a 线与b 线分别是脉冲氧化膜( 简称p c 膜) 与赢流 氧化膜( 简称d c 膜) 通过实验测定作出的b o d e 图，以。f 通过 对比两种图形分别加以讨论。 i 、脉冲氧化膜的等效电路与结构 类似于图2 2 、2 - 3 、2 - 4 等效电路的b o d e 图在文献 4 中有过部分报道，我们将实验测得的脉冲氧化膜的b o d e 图与 文献 4 的b o d e 图相比，发现脉冲氧化膜的b o d e 图与文献 提出的无缺陷氧化膜的b o d e 图具有完全相同的形式，经多次 实验，曲线形式不变。由此说明：脉冲氧化膜可用均匀、完整 的膜层模拟，即可视为基本无缺陷的氧化膜，0 = i 。 i i 、等效电路中各参数的计算 既然脉冲氧化膜可以用等效电路2 - 2 来模拟，根据公式( 2 4 1 可推出： l l g t o c ， 1 r p c p l d z i = l g r p1 r p c p r p c b ( 2 9 ) l l g c o c 61 r p c 6 以上三式分别对应于b o d e 图中的高、中、低三个频段。 高频段l o gj zj 的值主要与多孑l 层电容有关，中频段主要与 多孔层电阻有关，低高频段则主要与阻挡层电容有关。 将脉冲氧化膜的b o d e 图( 图2 - 5 中a 线) 分为高、中、低三 个频段，分别取若干点，可求得此膜层的c p 、r p 、c b 。并可 根据式( 2 1 0 ) 求出多孔层的介电常数。和电阻率p d 。由文献， 北京交通人学硕士学位论文系统分析 取阻挡层的相对介电常数e ：b = 1 0 ，可求得阻挡层厚度d b 。各计 算结果见表2 1 。 c p a = 6 0 s p d p c 6 a = e 0 8 p d 6 ( 2 1 0 ) r p = p px d p 表2 - 1由交流阻抗测试计算所得脉冲铝氧化膜的主要参数 【c o f c m 2 r p 0 c b f c m p pb 0m d b m l 2 6 1 0 91 0 57 6 1 0 “4 51 0 61 0 1 0 。8 应当注意的是，图2 - 5 中a 线虽然与等效电路2 - 2 对应的 b o d e 图十分相似，但两者仍有差异，主要表现在图2 5 中a 线的中频段略有倾斜，这说明，氧化膜的内部结构不可能象等 效电路2 - 2 所要求的那样完全均匀，6 p 、p p 只能是整个试样表 面的平均值。由于试样材料本身的不均匀性以及膜生长过程中 氧化条件的波动，多孔层内水合物的分布必有差异。但这种差 异并不影响用图2 2 等效电路模拟脉冲氧化膜的基本结构和 计算氧化膜部分参量。表2 - 1 中所求得的d “值可以说明这一 点。 按以上分析的b o d e 图计算，得d b = 1 0 x 1 0 一m ，根据h u s s 理论，阻挡层理论上的最大值为1 7 x 1 0 一m ，考虑到材质、膜溶 解等因素的影响，可以认为上面分析时的计算值与理论值基本 相符。 我们将直流膜测得的b o d e 图2 5 中的b 线与文献 4 相 对比，发现直流氧化膜b o d e 图与有缺陷氧化膜的b o d e 图相 1 4 北京交通大学硕士学位论文系统分析 近。表明直流氧化膜存在明显的缺陷，并非完整均匀的覆盖在 基体表面。 通过以上对铝合金表面处理时脉冲氧化膜和直流氧化膜 b o d e 图的对比。可以看出，脉冲氧化膜与图2 - 2 的等效电路 非常相似，也即只有脉冲电源才能电解出完整均匀的铝氧化 膜。 2 3 电源设计方案比较 对于双端脉冲式变压变频微弧氧化电源系统框图的设计， 考虑到其电压电流等级以及其它技术指标，选用了三套实验方 案( 其方案的设计都用实验进行了验证) ： 2 3 1 试验方案一 作为系统的前期研究，并考虑实验室已有的设备，其主电 路设计应用了最常用的交一直交电压型变频电路( 如图2 6 ) 。 整流模块 i p m 逆变 图2 6 交宦- 交电压型变频电路框图 f i g u r e26d i a g r a mo f c d c - a cv o l t a g ev a r i a b l e f r e q u e n c yc i r c u i t 北京交通大学硕士学位论文 系统分析 它由二极管整流模块v d m 、直流滤波电容c 和i p m 逆变器组 成，可以看出该方案主回路简单，通过适当的控制可以实现正、 负电压脉宽独立调节且可大范围调节频率。但是该系统输出 正、负电压的幅值不能独立调节，况且由于铝、镁等金属微弧 氧化时要求起弧电压一般超过5 5 0 v ，该系统很难达到设计要 求。 ( a ) 目颤丑寸辅电压日流疽形( a ) 低藕时输出电压电流波形 圈2 可方集输出电压，电潍波形 f i g u r e2 7o u t p u tv o l t a g ea n dc u i r e n tn v e f o fs c h e m al 图2 7 是该方案实验时得到的波形( 通道1 为输出电压波 形，通道2 为对应的电流波形) 。可以看出，微弧氧化时对于 电解液和铝合金组成的这种特殊负载而言，低频输出时负电流 峰值太大而导致电流难以控制且正电压峰值不能满足一些工 件最佳氧化时所需电压值。鉴于这种情况，考虑设计其它方案。 2 3 2 试验方案二 根据微等离子体氧化工艺对脉冲电源的特殊要求，脉冲电 源必须提供正负向脉冲幅度和宽度可单独调节的脉冲波形，如 1 6 北京交通大学硕上学位论文系统分析 图2 - 8 所示。为此，可用图 2 - 9 所示电路来实现，通过对 直流电源v p 、v n ( 两个电源 必须隔离，第三章会具体说 明该电源的设计方法) 输出 电压的分别调节，来调节正 负向脉冲的幅值；通过对可 虹耳 控开关v t l 、v t 2 的控制，来满足对输出脉冲波形的要求。这 种电路拓扑的优点：电路结构简单，安全可靠；控制方便， 可有效地实现脉冲电压幅度单独调节；在v t l 、v t 2 正常工 作的条件下，电压源v p 、v n 之间不会出现环流。 3 8 0 v z 批稿a 图2 9 脉冲电源实现电路框图 f i g u r e2 - 9d i a g r a l no fp u l s ep o w e rs u p p l yc i r c u i t 然而，这种电路在用于高压脉冲电源时也有明显的不足， 当v t l 导通而v t 2 关断的时候，v t 2 所承受的电压为正负向直 流电源电压之和；同样，当v t 2 导通而v t l 关断的时候，v t ， 1 7 北京交通_ 人学硕士学位论文 系统分析 承受的电压也为正负向直流电源电压之和。由于微等离子体氧 化工艺要求脉冲提供高达8 0 0 v 的脉冲电压，如果使用这种电 路，开关管所承受的电压至少要大于1 6 0 0 v 。而现在国内市场 上一般通用的全控型开关管i g b t 所能承受的电压大都在 1 5 0 0 v 以下。如果要用耐压高达几千伏的i g b t 时，势必增大 系统的设计成本。因此，图2 - 9 所示电路虽然可以实现微等离 子体氧化工艺对脉冲电源的所有要求，但由于受器件的限制而 难以达到最佳设计要求。 2 3 3 试验方案三 全桥型电路可以提供双向脉冲，并且开关管所承受的最大 电压为电源电压，可有效地降低开关管承受的电压。但全桥型 电路只能提供正负向脉冲同时调节的脉冲波形，不能直接用于 微等离子体氧化工艺脉冲电源( 方案一的缺点之一就是这样) 。 o v 交流输 图2 1 0 改进后的土电路原理框图 f i g u r e21 0d i a g r a mo fr e f o r m a t i v ep r i m a r yc i r e u i t 北京交通大学硕士学位论文 系统分析 为此，根据微等离子体氧化工艺脉冲电源的要求，借鉴全桥犁 电路的结构特点，设计了如图2 1 0 所示的适用于高压脉冲电 源的拓扑结构。 通过改变图2 1 0 种电压源v p 的输出电压，调节脉冲电源 的f 向脉冲幅度；同理通过对v n 输出电压的调节，来调节脉 冲电源的负向脉冲幅度。当开关管v t l 、v t 4 导通时，负载两 端所承受的电压为v p ，当开关管v t 3 、v t 2 导通时，负载两端 所承受的电压为v 。，这样电路中的4 个开关管所承受的最大 电压不会超过v ”v 。中的最大值，有效的降低了开关管上所 承受的电压。 在实现图2 1 0 电路时，除了要注意同一桥臂的开关管不能 同时导通之外，还要注意当v t l ( 或v t 3 ) 导通时，v t 4 ( 或 v t 2 ) 也应相应导通。因为当v p 大于v n 时，如果v t l 导通而 v t 4 不导通，那么电流就会通过v t l 、v ”v n 和v t 3 的寄生 二极管形成环流。此时，负载的电压为v p v n 。这样，既增加 了损耗，也不符合设计要求。通过在电源侧串联二极管虽能解 决这个问题，但这样既增大了电源成本，又失去了v t l 、v t 2 寄生二极管的钳位作用。这样当负载呈感性时，v t 4 的电压值 会高于v n 。因此，针对上面设计的主电路拓扑结构，控制原 理的实现是本文讨论的重点，这将在第四章中重点介绍。 北京交通大学硕士学位论文系统主回路设计 第三章系统主回路设计 用微弧氧化方法对铝、镁、钛及其合金进行表面处理时， 最优的条件是设计双端脉冲式变压变频电源。从前面分析的电 源技术要求来看，要实现脉冲电源波形变化多、参数调节范围 宽，必定使电路复杂化、造价高、可靠性降低。因此，设计实 用、可靠且便宜的电源是选择方案的基本出发点。本章将简述 微弧氧化电源的主电路结构、参数选择计算。 3 1 系统的主电路拓扑结构 考虑到双端脉冲式微弧氧化电源正负电压要求的不平衡 性，设计方案采用由两套参数各自单独可调的直流电源组成， 在它们之间加上i g b t 斩波变换器，控制正负脉冲电流的导通 和截止( 包括脉宽和幅值) ，从而达到金属微弧氧化所需要的 电源技术指标。因此所设计的微弧氧化电源主电路原理图如图 3 - 1 所示。由输入变压器，可控硅整流稳压电路( 各自独立的 两路) ，i g b t 斩波变换电路组成。 3 1 1 输入变压器 输入变压器起到隔离和升降压的作用，它是由一个原边绕 组( 图3 - 1 中绕组o ) 、两个副边绕组( 绕组1 是升压部分， 2 0 北京交通大学硕上学位论文 系统主同路设计 绺 薛 j 睡 鲁 i i 巷 一 埘 印 龆 3 8 0 y 交流输入 圈3 1 微弧氧化电源主电路拓扑图 f i g u r e3 - 1p r i m a r yc i r c u i tt o p o l o g yd i a g r a mo fm i c r o a r co x i d a t i o np o w e rs u p p l y 2 1 ho写尊薄蝌潜 北京交通大学硕上学位论文 系统主回龉设计 绕组2 是降压部分) 组成。对变压器进行设计时，考虑到变压 器磁化曲线的非线性，在铁心中要得到正弦磁通，激磁电流必 定要含有三次谐波。当变压器采用一y 联结时，可以供给产 生正弦磁通所需要的三次谐波电流，这样主磁通将保持接近正 弦，当然电势也就接近正弦。因此本文设计的变压器是原边采 用绕法，两个副边都采用y 绕法。 3 1 2 可控硅整流稳压电路 可控硅整流稳压电路由两个参数和电压分别独立可调的拓 扑结构组成( 如图3 1 ) 。高压部分的可控硅整流电路( i ) 是将输入的5 9 2 v 交流电压( 线电压) 进行整流、滤波，为i g b t 斩波变换电路正电压部分提供一个平滑的直流电压。其中，可 控硅管t 1 t 6 组成三相全桥可控整流电路，按一定的规律对 这些管子施加触发脉冲，可得到输出为0 8 0 0 v 直流电压： k m 2 及r 1 构成输入软启动电路，防止系统启动时出现大的浪 涌电流，从而减小对中间电容的冲击。启动时，整流桥通过 r 1 为中间电容充电，当电压达到一定值时，闭合k m 2 ，将r 1 切除。低压部分的可控硅整流电路( 1 i ) 与( i ) 原理完全一 样，只是输入三相交流电压为2 2 2 v ( 线电压) ，这里不再赘述。 3 1 3i g b t 斩波变换电路 i g b t 斩波变换的输入为o 8 0 0 v 的直流电压和o 3 0 0 v 北京交通大学硕十学位论文系统主| 旦j 路设计 直流电压，通过适当的控制使其输出到微弧氧化池的电压为双 向脉冲电压，且其幅值、频率以及脉冲宽度均独立可调。其中， c ，为高电压的直流侧输入滤波电容，c 2 为低电压的直流侧输 入滤波电容；t v l 、t v 2 为电压检测传感器，主要用于两部分 的直流侧恒压控制( 通过p i 调节来改变可控硅的导通角，从 而达到可控硅整流输出恒压的目的) 和过压保护处理：t a ，、 t a 2 为电流检测传感器，主要用于系统的过流保护：v t ，v t 4 为斩波变换的主控制管，当开关管v t 。、v t 4 导通时，输出使 负载两端的电压为v p ，同样，当开关管v t 2 、v t 3 导通时，输 出使负载两端的电压为v n ，在此特别注意的是要防止v t ，、 v t 2 ( 或v t 3 、v t 4 ) 的直通现象。 3 2 主电路参数选择计算 主电路中一些主要元器件的参数设计如下。 3 2 1 输入变压器设计 设变压器副边相电压的有效值为u 2 ，对于三相整流桥，以 其中某相( 假设是a 相) 的零点作为坐标的原点，则得a 相电 压的表达式为： u 。= 2 u 2 c o s c o t 0 1 ) 设整流输出电压的平均值为u d ，可控硅移相控制角为n 2 3 北京交通大学硕上学位论文系统主叫路设计 则可以得出u d 与移相控制角a 的关系如下 u d = 2 3 4 u 2 s ( 3 2 ) 当我们要求其工作在整流状态时，必须考虑n 的范围为 0 a 丌2 ，所以，当a = 0 时，c o s a ；1 ，则u d 可取最大值 为2 。3 4 u 2 ；同样，当口= 巧2 时，c o s 一0 ，则u d 可取最小值 为0 。 对于可控硅整流的高压部分( i ) ，系统设计时要求输出直 流电压在0 8 0 0 v 范围内调节( 控制使0 c g ( z 2 ) ，则有 u d m 缸t 8 0 0 v ，u d 。= 0 。所以，我们可以求得 u 2 l u d 。2 3 4 = 3 4 2 0 , ) 可算得它的线电压为u ：。，= 3 u ：。一5 9 2 ( v ) 同理，对于可控硅整流的低压部分( i i ) ，当系统要求输出 直流电压在0 3 0 0 v 范围内调节时，可以求得u z - 1 2 8 0 i ) ， 可以算出该路线电压u ：。= 4 3 u ：。一2 2 2 ( i ) 。 根据以上的计算可以得出所要设计的变压器原副边电压等 级，即当原边输入3 8 0 v 三相交流电时，变压器的副边1 输出 5 9 2 v 的三相交流电，副边2 输出2 2 2 v 的三相交流电。 当然，对于变压器来说，还有一个重要的参数是变压器的 容量问题，考虑系统输出最大瞬时容量3 0 k v a ，但我们经过 多次试验得出它工作时得的平均容量为1 5 k w 。因此，设计该 变压器时选其容量1 5 k v a 。那么，原副边各自的平均电流也 很容易计算出来，根据算得的电流就可以设计绕组的线径。 北京交通大学l 面十学位论文 系统主倒路设计 3 2 2 可控硅器件的选择 对于输出为0 8 0 0 v 可调的三相可控硅整流部分，考虑图 3 - 1 中的t 1 t 6 参数计算。其中，晶闸管的主要参数是其电流 和电压定额。由于电路中晶闸管所承受的最大电压u 。为 8 0 0 v ，其额定电压一般选2 3 倍u ，所以设计时选用额定 电压为1 6 0 0 v 管子；流过晶闸管的电流有效值为3 ，。= 3 4 6 a ， 1 t a v = 3 1 4 5 6 7 4 = 2 2 1 ( a ) ，考虑管子的安全裕量，选取晶闸管的j 。， 为6 0 a 。所以，电路设计选用6 0 a 1 6 0 0 v 的可控硅模块。 同样，对于输出为0 3 0 0 v 可调的三相可控硅整流部分， 考虑图3 - 1 中的t t l t t 6 参数计算。该部分电路中晶闸管所 承受的最大电压为3 0 0 v ，因此，可考虑额定电压选1 2 0 0 v 的 管子。对于其电流定额的选择，考虑其额定电流和安全裕量， 选取晶闸管的，。，为6 0 a 。因此，该系统低压部分电路的可控 硅选用6 0 a 1 2 0 0 v 的模块。 为了吸收换流过电压及电压上升率，晶闸管必须具备瞬态 抑制电路，如图3 - 2 所示： 匹 阻容吸收回路主要是利用电容两端电压不能突变的特性来 北京交通大学硕士学位论文系统主【旦| 路设计 吸收尖峰状的过电压，保护晶闸管。考虑到避免在r c 电路中 产生较大的功率损耗，电容c 的数值不宦取得太大，应兼顾 过电压和电压上升率的抑制。电阻r 可以阻尼l c 电路的振荡， 防止因振荡产生过电压；另外可以减少电容c 的放电电流， 从而减小晶闸管的开通损耗。 流过晶闸管的电流i 。为3 4 6 a ，可以得到r 、c 的经验值： r = 3 5qc = 0 2 2 _ f 电阻的功率：最= ，c u 。2 式中，厂晶闸管换流的频率，电源频率为厂= 5 0 h z ；u c m 为 电容上电压最大值，u c 卅= u r ，所以： j f k = 5 0 o 2 2 1 0 6x ( 2 5 9 2 ) 2 = 7 7 w 由于电路中往往还有其他一些因素引起电阻功率消耗，所 以选用1 0 w 的电阻。电容的耐压与晶闸管的相同，高压部分 取1 6 0 0 v ，低压部分取1 2 0 0 v 。 3 2 3 直流侧滤波电容设计 在该微弧氧化电源中，由于负载在低频脉冲氧化时的电流 很大，而导致直流侧电容放电时电压波动太大，因此直流侧应 恒压。这需要从两个方面考虑：、可控硅整流的p i 调节： 、直流侧储能电容应有充分大的电容值。直流侧储能电容的 选择主要由电压纹波指标决定，设电容c 的平均直流电压为 魄，储能电容上可能出现的最大电压和最小电压分别是巩。 和巩。m 。则定义直流电压脉动率为 北京交通大学碗十学位论文 系统土回路设计 ( 3 3 ) 故有 【，d 一= ( 1 + r ) v d ( 3 4 ) u d 。= ( 1 一r ) u d( 3 5 ) 储能电容的工作过程是：在一个周期内，脉冲作用时间， i g b t 导通