离子渗氮电源中的灭弧措施交流电容器

离子渗氮电源中的灭弧措施

离子渗氮电源中的灭弧措施 2011： 摘要：论述了离子渗氮电源中几种常用的灭弧方式，分别介绍了其工作原理，并对其灭弧性能作出了分析对比。 关键词：离子渗氮电源灭弧 1 引言 离子渗氮是利用气体辉光放电原理，使氮离子轰击钢铁表面，使其加热，并使氮原子渗入工件表层的一种表面强化技术。在离子渗氮过程中，由于某种原因使辉光放电转变为弧光放电，这就会中止渗氮过程，严重时能熔烧工件表面，甚至损坏电源设备。渗氮件表面的清洗、烘烧等措施虽可减少弧光放电的次数，但在渗氮的初期阶段，仍不可避免地会有弧光放电发生，故离子渗氮电源必须带有灭弧措施，灭弧性能是离子渗氮设备的重要指标之一[1]。 2 打弧信号的检测 正常的离子渗氮过程工作在辉光放电区，但当打弧时，全部电流集中在某一小面积上，引起此处电流密度增加，如果电弧是集中在某一点上，则表现为极间电压迅速下降，而电流急骤上升，电压下降至200V左右。根据打弧时发生的现象，打弧信号可由以下参数进行判断[2]：（1）电流上限信号；（2）电流上升微分信号di/dt；（3）电压下限信号；（4）电压下降微分信号dv/dt。实验表明，电压的下降是迅速的，它超前于电流最大值到来的时间，此时间差约为1ms～1.5ms。通常多种检测方式同时采用。当发生转弧时，电压降低、电流上升的幅度均不大，电压微分与电流信号不易取出，一般用斯密特触发器取电压下限信号进行灭弧。 3 几种常用灭弧方法的原理及特点 3.1 串联大阻值电阻 在渗氮电源的阴阳极电路中串联大阻值电阻，当发生打弧时，电流猛增，在电阻上产生很大的电压降，从而使正负极间电压低于点燃电压，使电弧不能维持，同时也限制了电弧电流不至于过大。这对于中小功率是可行的，但是对于大功率设备在串联电阻上的功耗太大，所以大功率设备的灭弧不能只靠串联电阻[3]。为了减少在稳辉电阻上的功耗，将其改为可变的，即刚刚起辉时，打弧频繁，可串联大电阻，待辉光放电稳定后，将电阻减小，以得到较大的电流。即使这样，对额定电流超过10A的设备在生产中应用还有一定的困难。 3.2 电流截止负反馈灭弧 严格说来，固定某一值的电流截止负反馈并不是灭弧，因为在大功率设备中，电流截止值往往在几十安培以上，这样大的电流已经足以维持稳定的电弧放电，而不会自动熄灭。当电流达到一定上限后，控制电路关闭触发脉冲并维持一定的时间，待弧源消除后，又重新开通。由于晶闸管触发后必须等电压换相时才能关断，因此在半周期内电流值可能达到很大，这种灭弧方法的灭弧时间约为10ms。由于一般电源都有一定的过载能力，故对保护电源是有效的，所以采用晶闸管电源时，这种限流方法是必不可少的。采用截止值随工作电流可调的方法，可使反应时间提前，并减少弧光放电电流。如果采用电流微分负反馈，对电流的变化进行超前控制，可明显地增强辉光放电的稳定性。 3.3 LC振荡灭弧 LC振荡灭弧的电路如图1所示[4]。

电容器在正常工作时有几百伏的电压，当发生弧光放电时，阴阳极电压突然由几百伏降至几十伏，此时电容C经线圈L和阴阳极放电。这时，L、C和阴阳极间的导电气体组成L、C、r串联振荡电路，并以其自然振荡频率进行振荡。在开始振荡的第一个周期，当电容上的电压UC成为反向电压且电流也变为零时，弧光即可熄灭。这时电容已被反向充电至几百伏，但随即电源经限流电阻R向电容充电，使电容上的电压由反向又逐渐变成正向而且达到了点燃电压，辉光就重新产生。振荡过程电压电流波形如图2所示。如果此时使辉光放电过渡到弧光放电的因素已消失，就得到稳定的辉光放电。如果过渡到弧光放电的因素仍然存在，则电容再次放电灭弧。

上述电路是利用振荡电流过零时灭弧的，因此选择电路参数时，应保证电流能过零。根据有关推导，需满足以下条件：

式中：R—限流电阻，Ω； r—放电电路电阻，包括弧光放电时阴阳极间等效电阻，电感L的电阻以及导线电阻的总和（一般很小，约为01Ω左右），Ω； L—灭弧电感线圈的电感量，H； C—灭弧电容的容量，F。灭弧时间为振荡的半个周期，其值为（通常在100μs数量级）

灭弧后重新产生辉光放电的时间，是电源经限流电阻使电容由弧光熄灭至正向电压建立，并达到点燃电压所需的时间，因此，重新产生辉光的时间（通常在1000μs数量级）

LC灭弧电路在正常辉光放电时几乎没有能量损失，而且反应比较灵敏。但是在电弧放电的瞬间电流仍可达到很大，这无论对工作还是对电源均不利，特别是在连续弧光情况下，电源就处于长期过载状态，因此采用LC灭弧必须对电源另加保护。 3.4 晶闸管旁路灭弧 较大功率（100kW以上）的离子渗氮设备通常采用晶闸管旁路灭弧，其电路如图3所示。电路的阴阳极间并联了一个晶闸管V，在辉光放电过渡到弧光放电前，电源对电容器C1经电阻R1充电到电源电压，当弧光放电时，阴阳极间电压突然下降，电容C1放电，脉冲变压器TM原、副边中产生脉冲电流，使V触发导通，阴阳极间短路，因此弧光熄灭。此时LC构成振荡回路，当流过V的放电电流为零时（电压已反向），V即自动关断。电源经限流电阻R、滤波电感L0重新对电容器C1充电至辉光放电所需的电压，而重新起辉。由于V的导通时间只需十几个μs，故弧光放电只经很短时间即被旁路，弧光放电强度大为减弱。

这种电路也有其缺点：在大功率情况下，很小的限流电阻会产生很大的功率损耗。晶闸管旁路灭弧是以阴阳极间的电压突然下降作为触发信号的，起辉时，如起辉电压较高，起辉后电压会突然下降，造成晶闸管的误触发，为此，必须加一点燃阴极，以降低起辉电压，点燃阴极自阴极引出，距阳极2mm～3mm。 3.5 电子开关灭弧 在晶闸管V1旁路灭弧基础上，于主电路中再串联一晶闸管V2组成电子开关高效灭弧电路，如图4所示。当发生打弧时，立即触发V1、V2，使电流旁路，因LC(L2－C)振荡，反向时将V1和V2关断。

采用普通晶闸管，适用大电流的隔离电容储能并联—串联晶闸管电子开关电路原理如图5所示。由于这种电路的电容工作时已经充上与炉子两端极性相反的电压，故打弧时V1和V2开通，强迫炉子电流下降，同时关断V3，可以获得更快的灭弧速度。

3.6 脉冲电源灭弧 脉冲电源是近年来新发展起来的离子渗氮电源，它使原直流供电方式变为高频脉冲方式，电压电流自然过零，大大抑制了弧光放电的产生，在发生打弧时，可迅速关断可控器件灭弧，灭弧速度可达几个μs。 4 各种灭弧方式的现象及情况对比 各种灭弧方式的比较如表1所示。

参考文献 1 周孝重,陈大凯.等离子体热处理技术.机械工业出版社,19902 许彬等.新型离子源控制电路.金属热处理,1999（7）:39～413 热处理电工学.人民教育出版社,19774 热处理设备及设计.山东人民出版社,1977 (end)

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