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(dá)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(qiáng)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(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制等優(yōu)點(diǎn)，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(gè)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(dá)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(dá)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(jìn)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(gè)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(diǎn)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(jìn)的電源設(shè)備有共同的特點(diǎn)，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(jìn)等特點(diǎn)。引進(jìn)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(jì)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(jì)，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(jìn)口。由于產(chǎn)品設(shè)計(jì)的缺陷，使用中的缺點(diǎn)、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(jì)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(jī)械工業(yè)部對表面處理電源專門列項(xiàng)進(jìn)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(jìn)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(jì)的難點(diǎn)。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(jì)算、采用國產(chǎn)材料制造的工藝控制，同時(shí)改進(jìn)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(gè)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(jìn)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(jìn)進(jìn)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(shí)腐蝕性加強(qiáng)。采用常規(guī)變壓器難于實(shí)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(jī)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(shí)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(jìn)步和國產(chǎn)化作出了很大的貢獻(xiàn)。同時(shí)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(gè)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(jìn)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(jìn)的霍爾元件，其精度可達(dá)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(jìn)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(dòng)，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(huì)造成輸出直流電流與實(shí)際值有較大的誤差，直接影響工藝員正確計(jì)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(hù)功能：電工產(chǎn)品的設(shè)計(jì)必須注重保護(hù)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(hù)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(jìn)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(jìn)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(dá)到保護(hù)極限不能起到斷開保護(hù)作用，結(jié)果主變壓器次級繞組長時(shí)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(diǎn)。其它保護(hù)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(jì)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(bǔ)償電容器，給用戶和供電部門造成了損失。

(4)電源技術(shù)進(jìn)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(dòng)化水平高的智能化電源。例如，當(dāng)鋁材工件進(jìn)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(dòng)顯示出工件的實(shí)際面積和需要氧化的時(shí)間而自動(dòng)運(yùn)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(dá)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(jì)算機(jī)接口，遠(yuǎn)距離控制及保護(hù)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(gè)方面的原因，制造電容器的鋁箔進(jìn)口量依然很大。八十年代全國從日本引進(jìn)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。化成電源的輸出電壓高、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(dòng)切換。一般地說該類電源分多個(gè)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(jìn)口產(chǎn)品。同時(shí)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(jìn)，從近來引進(jìn)設(shè)備情況發(fā)現(xiàn)，某些技術(shù)應(yīng)用方面(例：計(jì)算機(jī)技術(shù)等)比國內(nèi)要先進(jìn)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(shí)，必須設(shè)置軟起動(dòng)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(shí)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(shí)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(jī)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(diǎn)，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(dòng)換向鍍硬鉻等還難于實(shí)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(jìn)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(shí)已發(fā)展到了高頻開關(guān)電源時(shí)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(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)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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