基于金屬表面處理應(yīng)用的電力半導(dǎo)體整流電源

摘要：介紹了金屬表面處理用電力半導(dǎo)體整流電源行業(yè)國內(nèi)的基本情況。分析國內(nèi)電源設(shè)備所達到的水平以及與國外某些方面存在差距，得出應(yīng)注重電源設(shè)備制作工藝水平提高、加強新技術(shù)的研究和應(yīng)用。

主題詞：電力半導(dǎo)體整流電源現(xiàn)狀發(fā)展方向

我國電力半導(dǎo)體器件的開發(fā)應(yīng)用始于六十年代，由于電力半導(dǎo)體器件具有能量消耗低、可靠性高、容易實現(xiàn)自動化控制等優(yōu)點，成為變流技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)，得到了飛速發(fā)展。電力半導(dǎo)體器件被廣泛應(yīng)用于各個領(lǐng)域的整流、變頻、逆變、調(diào)壓等裝備，是現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展的重要支柱之一，也是電力電子整流電源發(fā)展的基礎(chǔ)。

金屬表面處理用電力半導(dǎo)體整流電源的品種較多，應(yīng)用的行業(yè)有電鍍、鋁合金型材表面氧化、電子鋁箔腐蝕和化成、電泳涂漆和表面氮化等。不同的行業(yè)使用的直流電源技術(shù)性能是不一樣的，有些行業(yè)要求使用電壓高達千伏，有的只有二伏;不少行業(yè)對直流紋波系數(shù)有嚴(yán)格的要求，例如：某些軍工裝備配件和耐磨性工件、電子鋁箔腐蝕、化成等都對直流電源的紋波是有嚴(yán)格的要求;至于輸出電流要求也相差懸殊，有的高達幾萬安培(例如：武漢鋼鐵公司電鍍分廠使用了20KA的電鍍電源)。隨著電力半導(dǎo)體器件品種和技術(shù)水平的不斷提高，在金屬表面處理行業(yè)中發(fā)揮越來越重要的作用。

一、鋁合金陽極氧化、電鍍電源

長期以來，人們對金屬表面處理過程，比較注重工藝技術(shù)、添加劑等方面的改進和提高，與表面處理相關(guān)的電源的性能和作用往往放在次要方面。金屬表面形成和性能不僅與其工藝配方、添加劑有密切的關(guān)系，而且與電源技術(shù)水平息息相關(guān)，是工藝與設(shè)備配合的結(jié)果。隨著我國鋁加工、金屬電鍍、電泳涂裝等行業(yè)的不斷發(fā)展，一個年銷售額超過200億人民幣的鋁型材行業(yè)及年超過6億平方米電鍍面積的電鍍工業(yè)已經(jīng)形成，該類電力整流電源的需求量是有相當(dāng)可觀的。

鋁合金陽極氧化、電鍍電源主要特點是：電流大、電壓低、功能較為簡單及使用環(huán)境相對較差。八十年代引進的電源設(shè)備有共同的特點，就是電源的形式采用可控硅整流?？煽毓枵麟娫淳哂泄?jié)約能源、控制先進等特點。引進的電源設(shè)備各有特色，意大利、西德的氧化電源多為脈沖整流方式，日本、美國采用普通整流方式。在冷卻設(shè)計方面，西德、美國的氧化電源以水冷為主，主變壓器和匯流母排都設(shè)置了水冷管道，設(shè)備的密封性較好。日本、意大利卻以風(fēng)冷設(shè)計，主變壓器和整流元件采用風(fēng)冷，控制線路有良好的隔離密封，主變壓器經(jīng)過嚴(yán)格的絕緣密封處理，抗腐蝕性能好。以上產(chǎn)品使用中各有千秋，總體來說使用性能良好，可靠性高。而臺灣產(chǎn)的氧化電源主要用油冷方式，主變壓器甚至硅元件也浸在絕緣油中，整體密封性好?？刂凭€路是日本產(chǎn)品的復(fù)制品，元器件多為進口。由于產(chǎn)品設(shè)計的缺陷，使用中的缺點、故障較多。

八十年代初我國整流器行業(yè)受到大功率半道體制造水平及一貫設(shè)計規(guī)范的制約，還處于發(fā)展較慢、技術(shù)水平落后階段。采用可控硅形式的整流設(shè)備較少。八十年代后期，國家機械工業(yè)部對表面處理電源專門列項進行研究、公關(guān)。廣州電器科學(xué)研究所作為承擔(dān)單位之一，通過了解引進電源在國內(nèi)的使用情況，主要解剖學(xué)習(xí)日本(例如三社、千代田等)風(fēng)冷式可控硅整流氧化電源。在研制過程中主要突破了多方面的技術(shù)的問題：

(1)主變壓器形式：氧化、電鍍電源的關(guān)鍵部分是主變壓器，其功率大、重量占整臺設(shè)備重量百分之五十以上，也是節(jié)能的關(guān)鍵。研究解決主變壓器結(jié)構(gòu)形式是設(shè)計的難點。國外很早研究節(jié)能型、特殊結(jié)構(gòu)整流變壓器，特別是日本生產(chǎn)的大小功率的表面處理電源，采用三相五芯柱風(fēng)冷、節(jié)能和特殊結(jié)構(gòu)的變壓器技術(shù)相當(dāng)普遍。國內(nèi)首先突破特殊變壓器的理論計算、采用國產(chǎn)材料制造的工藝控制，同時改進了繞組方式，用小并聯(lián)、多繞組有效地解決了大電流氧化電源的整流元件均流技術(shù)，為全風(fēng)冷結(jié)構(gòu)創(chuàng)造了條件。

(2)整流形式選擇：全風(fēng)冷式結(jié)構(gòu)受到大功率半道體元件風(fēng)冷散熱器極限的限制，決定了整流元件必須小容量并聯(lián)。由于國外半道體功率器件的生產(chǎn)技術(shù)、工藝條件比國內(nèi)優(yōu)越，產(chǎn)品的一致性好，因此采用電流容量更小的螺旋式二極管多個并聯(lián)，均流系數(shù)仍然很高，國內(nèi)卻難于采用這種形式。因此，主變壓器多繞組均流和平板型硅元件安裝專用散熱器小并聯(lián)技術(shù)，成功地解決了大電流氧化電源采用全風(fēng)冷形式的難題。

(3)控制電路：整流電源的控制電路是設(shè)備的“靈魂”。控制電路的先進性、可靠性和操作性直接影響電源的性能。國內(nèi)一貫采用的控制電路結(jié)構(gòu)、安裝方式及控制性能等已不適用于整流電源的需要。為了迅速提高電源的控制電路的技術(shù)水平、減少重復(fù)研究，通過消化、吸收和改進進口電源控制性能，大大提高了控制線路的控制性能和可靠性。集成電路的技術(shù)應(yīng)用，大大簡化了控制線路板的結(jié)構(gòu)，整臺設(shè)備所有控制功能集中在一塊電路板上，電路板的互換性好，維修極為方便。目前國產(chǎn)可控硅整流設(shè)備控制電路采用的幾乎是國外(大多是日本的)八十年代普遍采用的模擬控制電路的翻版。大大提高了國內(nèi)電源的整體水平。

(4)防腐技術(shù)：由于主變壓器為風(fēng)冷結(jié)構(gòu)，空氣中腐蝕性氣體高速流過主變壓器時腐蝕性加強。采用常規(guī)變壓器難于實現(xiàn)防腐，必須對主變壓器采取真空浸漆的特殊方式，即使有腐蝕性介質(zhì)吸附在變壓器表面，也不可能對變壓器產(chǎn)生腐蝕。另外，控制電路采用密封方式，防止了外界空氣對控制電路腐蝕。結(jié)構(gòu)外殼也都采用了相應(yīng)的防腐措施。無論在變壓器絕緣防腐，還是整機控制線路及結(jié)構(gòu)上的防腐技術(shù)，都有了很大的改變，大大延長了設(shè)備使用壽命。

目前，我國氧化、電鍍整流電源的整體水平有了很大的提高，廣東繼續(xù)走在全國的前列，出現(xiàn)了眾多有規(guī)模、有實力的專業(yè)電力整流電源生產(chǎn)廠，為中國的表面處理電源的技術(shù)進步和國產(chǎn)化作出了很大的貢獻。同時也要看到國產(chǎn)電源在工藝相對穩(wěn)定情況下與國外電源技術(shù)相比還有一定的差距。需要解決的問題還很多，也是今后需要發(fā)展和提高的方面。

(1)大電流整流電源的輸出電流準(zhǔn)確性：直流大電流檢測精度是個難題，檢測的手段目前有很多，最為普遍使用的是分流器和直流互感器，可以在直流輸出母排直接檢測電流值，進口產(chǎn)品中普遍采用。需要檢測精度要求或在特大電流檢測，例如電解鋁、氯堿電解等行業(yè)中則可采用先進的霍爾元件，其精度可達到1%。而目前鋁材氧化電源輸出電流檢測絕大部分采用對應(yīng)方式，即檢測電源設(shè)備的進線電流大小相對應(yīng)直流輸出電流值大小，該種方式影響因素較多，例如：電網(wǎng)電壓波動，變壓器參數(shù)及功率因素的變化等，測量裝置穩(wěn)定性也較差，都會造成輸出直流電流與實際值有較大的誤差，直接影響工藝員正確計算與設(shè)定而造成產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定，也是造成電源損壞的不安全因素。

(2)氧化電源保護功能：電工產(chǎn)品的設(shè)計必須注重保護功能，特別是設(shè)備的關(guān)鍵部分。雖然大電流氧化電源的整流元件并聯(lián)的增加，減少了元件的損壞，但是整流元件的損壞是不可避免的，關(guān)鍵要有一套可靠的保護措施。上面(1)中所述：目前國內(nèi)氧化電源的輸出電流指示和控制電路的電流反饋信號都來自三相進線電流的取樣值，對應(yīng)輸出電流的大小，不是來自測量輸出電流值。若整流元件損壞造成短路，三相進線電流值被設(shè)在該處的電流檢測裝置反饋到控制電路，控制電路的限流功能將電流限制在最大值，造成電源的空氣開關(guān)(總開關(guān))因電流沒有達到保護極限不能起到斷開保護作用，結(jié)果主變壓器次級繞組長時間短路而損壞。國內(nèi)目前使用的大部分電源都有這種潛在的缺點。其它保護功能的有效性(例如：過熱、缺相、過流等)、特別是某些傳感器的可靠性有待提高。

(3)電源電壓：電源設(shè)備電壓的高低對表面的處理質(zhì)量影響不大，與電流密度有密切關(guān)系。電源電壓不宜設(shè)計過高(脈沖電源除外)。否則，電源設(shè)備產(chǎn)生諧波，嚴(yán)重干擾電網(wǎng)的波形、破壞補償電容器，給用戶和供電部門造成了損失。

(4)電源技術(shù)進步：我國表面處理電源從仿制到成熟已有十多年了，技術(shù)水平基本保持原來水平。國外已經(jīng)發(fā)展了性能可靠，自動化水平高的智能化電源。例如，當(dāng)鋁材工件進入氧化槽后，只需輸入需要氧化膜厚度，檢測系統(tǒng)根據(jù)槽液溫度、槽液中內(nèi)阻等，自動顯示出工件的實際面積和需要氧化的時間而自動運行，這種裝置的使用對不同形狀、面積的工件最終氧化膜厚度控制已達到很高水平。產(chǎn)品的氧化膜厚度一致性好，特別是出口產(chǎn)品對氧化膜厚度范圍要求嚴(yán)格的條件下是非常方便的。另外，設(shè)備外設(shè)配制，如計算機接口，遠(yuǎn)距離控制及保護方面比國內(nèi)優(yōu)越許多。

二、電子鋁箔化成、電泳涂漆電源

電子鋁箔化成、電泳涂漆電源主要特征是：輸出電壓高、電流相對較小的直流電源。隨著我國電子工業(yè)的發(fā)展，電容器需求量也日益增大，年需求量已超過130億人民幣。由于各個方面的原因，制造電容器的鋁箔進口量依然很大。八十年代全國從日本引進了十多條電子鋁箔腐蝕、化成生產(chǎn)線，配套的電源設(shè)備大部分為日本長野制造的(廣東有佛山日豐、肇慶鴻慶等)，目前，日本長野的電源設(shè)備在國內(nèi)不少廠家仍在使用中，可見其電源設(shè)備的可靠性和制造水平是很高的。

電子鋁箔化成、電泳涂漆電源一般都采用三相橋整流方式?；呻娫吹妮敵鲭妷焊?、工作紋波系數(shù)小于3%、穩(wěn)壓精度1%，使用過程中穩(wěn)流、穩(wěn)壓功能依據(jù)條件可自動切換。一般地說該類電源分多個電壓檔，盡可能不作深調(diào)壓使用，減少諧波產(chǎn)生和無功損耗。國內(nèi)主要生產(chǎn)廠家有上海、吉林等配套生產(chǎn)，基本上能滿足工藝流程的需要，已經(jīng)逐步取代進口產(chǎn)品。同時也要看到，國外的該類型電源控制性能及智能化水平在不斷改進，從近來引進設(shè)備情況發(fā)現(xiàn)，某些技術(shù)應(yīng)用方面(例：計算機技術(shù)等)比國內(nèi)要先進許多。

電泳涂漆電源為了解決脈沖直流對漆膜形成的影響，還需加上平波電抗器和濾波電容消除尖峰電壓。電泳生產(chǎn)不連續(xù)性時，必須設(shè)置軟起動過程，有利于漆膜形成和防止對電網(wǎng)的沖擊，在穩(wěn)壓條件下完成電泳涂漆過程。由于電泳涂漆時間短(一般為3分鐘之內(nèi))，整臺設(shè)備的容量可小一些。這方面國內(nèi)、外電源水平差距小。

三、微弧氧化電源

前蘇聯(lián)科學(xué)家首先突破傳統(tǒng)的陽極氧化在法拉第區(qū)中成膜的框框，不受火花放電的限制，研究在電弧區(qū)中氧化膜的成膜規(guī)律，并獲得工業(yè)應(yīng)用。由于成膜過程在放電情況下實現(xiàn)，要求電源輸出電壓比電泳涂漆高、電流大，整臺設(shè)備的消耗功率大。電源的波形要求等方面的研究、目前國內(nèi)還處在探索之中。

四、高頻開關(guān)電源

高頻開關(guān)電源被稱為第四代電鍍電源、是八、九十年代出現(xiàn)的新型整流器，各種新型電力半導(dǎo)體器件及微機控制技術(shù)被采用。瑞典著名的電鍍電源制造商加力富(kraft)公司是世界上最早采用開關(guān)元器件及PWM調(diào)制技術(shù)的電源應(yīng)用于金屬電鍍的公司之一。這類裝置具有體積小、重量輕、效率高、輸出紋波系數(shù)低及對電網(wǎng)的污染小等優(yōu)點，在國外工業(yè)化國家中，如美國最大的電子接插件制造商AMP公司以及HP、IBM等都使用這種電源。前幾年我國一些科研院校(例：北京浩源等)已開始金屬表面處理用高頻開關(guān)電源的研究、開發(fā)，并有部分產(chǎn)品投入使用，取得了令人滿意的效果。目前，高頻開關(guān)電源的大規(guī)模應(yīng)用因受到開關(guān)元器件功率容量、材料的限制，輸出功率還不大;某些特種金屬表面處理，如自動換向鍍硬鉻等還難于實現(xiàn);還有人們觀念上沒有根本改變等。盡管還存在許多困難，但是，隨著技術(shù)的不斷進步，高頻開關(guān)電源將被廣泛應(yīng)用，金屬表面處理用電力半導(dǎo)體電源確實已發(fā)展到了高頻開關(guān)電源時代。

我國金屬表面處理用電力半導(dǎo)體電源的發(fā)展空間和新技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域是廣闊的，在跟蹤世界最新技術(shù)同時，還應(yīng)加強新技術(shù)、新裝備正確的宣傳引導(dǎo)作用，只有這樣我國金屬表面處理電源研究、應(yīng)用水平才能更上一層樓。

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