大功率脉冲电源与节能

大功率脉冲电源与节能

武汉市等离子体技术研究所王可

一、引言：

我所是专业从事等离子体表面处理技术及设备研究与应用的研究所。多年来，我们在提高等离子体渗氮设备（辉光离子氮化设备）供电系统的使用性能以及拓宽离子氮化工艺的应用范围的工作中作了不懈的努力。

一九九三年九月，我所采用国际最新的功率器件IGBT研制开发大功率等离子体渗氮用脉冲电源。经过不懈努力，一九九四年九月该电源在武汉通过武汉市科委组织的技术鉴定，并应用于生产，经过几年来在生产线上的运行，证明：该电源的技术是先进的，设备是可靠的。得到了广大用户的好评。

本文就脉冲电源在东风朝阳柴油机厂和丹东五一八厂的等离子体渗氮设备上对6105曲轴进行等离子体渗氮工艺加工处理过程中取得的节能效果作一介绍。

关键词：1、IGBT 2、脉冲电源

首先，我们看一组实测数据。

1、设备型号：LDMC-150A曲轴专用氮化炉。

2、零件：6105曲轴。

3、材料：42CrMo。

4、装炉量：42支。

表一（工艺参数）

*注：升温速度由工艺参数决定，以避免零件变形。

表二（氮化结果）

表三（保温功率及保温耗电量）

以上表数据表明，使用脉冲电源进行等离子体渗氮加工节能效果明显。

为什么脉冲电源的节能效果这麽明显呢?让我们来回忆一下可控硅整流调压直流电源。

可控硅整流调压直流电源由两组三相半控桥串联供电，由于可控硅在触发电压移去后，加在可控硅上的电压由正半周转为负半周时，可控硅才能关断，因此在辉光放电转入弧光放电时将有很大的电流，为了保护可控硅，使电流在半周时间内不致发展过大，必需在主回路中串入一个限流电阻，从掌握的现有国内有关氮化炉的资料来看，大多数设计在弧光放电频发阶段（俗称打弧阶段）串入约16欧的限流电阻，而在弧光放电较少发生的阶段（即：升温、保温阶段）的限流电阻一般取4~6欧，最小的也在2欧左右，因为限流电阻取得过小会造成LC灭弧电路灭不了弧或损坏可控硅。（离子氮化炉的供电系统不同于一般可控硅供电系统的重要一点是工作中出现打弧短路现象。因此，该电路中必须设有灭弧电路。）若按表一中参数U C=540V；I=85A。

输出功率：

P输出=IU C=85×540=45.9kW

消耗在限流电阻上的电功率：

P R=I2R=852×2=14.5KW

送到炉中的功率为：

P炉=P输出-P R=45.9-14.5=31.4kW

供电效率：

η直流= P炉/ P输出×100%=31.4/45.9×100%=68.4%

而脉冲电源由于其导通和关断完全随控制信号发生变化省去了电路中的限流电阻，取而带之的是0.1欧的取样电阻，比较计算如下：

输出功率：

P输出=IU C=55×650=35.75KW

消耗在电阻上的电功率：

P R=I2R=552×0.1=0.303KW

送到炉中的功率为：

P炉=P输出-P R=35.75-0.303=35.45kW

供电效率：

η脉冲= P炉/ P输出×100%=35.45/35.75×100%=99.16%

节电百分比

η脉冲-η直流=99.16%-68.4%=30.76%

两相比较，直接节电30.76%，加上时间及其它因素，节电百分比≥31.8%。

采用直流电源进行离子氮化加工，随着功率的加大，限流电阻能耗也就越大。

示例：如果保温电压为650V，保温电流为120A，限流电阻不变。则：送到炉中的功率为：

输出功率：

P输出= IU C=120×650=78kW

消耗在限流电阻上的电功率：

P R=I2R=1202×2=28.8KW

送到炉中的功率为：

P炉=P输出-P R=78-28.8=49.2kW

供电效率：

η直流=P炉/ P输出×100%=49.2/78×100%=63.08%

而采用脉冲电源进行离子氮化加工，随着功率的加大，节能的效果就更明显。

同样，保温电压为650V，保温电流为120A，

输出功率：

P输出=IU C=120×650=78kW

消耗在电阻上的电功率：

P R=I2R=1202×0.1=1.44kW

送到炉中的功率为：

P炉=P输出-P R=78-1.44=76.56kW

供电效率：

η脉冲= P炉/ P输出×100%=76.56/78×100%=98.15%

节电百分比

η脉冲-η直流=98.15%-63.08%=35.07%＞30.76%

节电效果是明显的。

另外，由于采用了脉冲电源，有效地抑制了空心阴极的产生，避免了孔、缝出现死弧现象，取消了堵孔工序，大大节省了辅助工时，缩短了整个工艺时间，节省了大量人力物力，避免了因堵孔不当而造成死弧而无法进行工艺加工（出现死弧，必须停炉检查，排除隐患，重新开炉。既浪费人力物力，也浪费了电能。）的现象。

一九九八年九月十日