基于金属表面处理应用的电力半导体整流电源

发布日期：2012-04-19

基于金属表面处理应用的电力半导体整流电源  

    主题词：电力半导体整流电源现状发展方向
    我国电力半导体器件的开发应用始于六十年代，由于电力半导体器件具有能量消耗低、可靠性高、容易实现自动化控制等优点，成为变流技术发展的基础，得到了飞速发展。电力半导体器件被广泛应用于各个领域的整流、变频、逆变、调压等装备，是现代工业发展的重要支柱之一，也是电力电子整流电源发展的基础。
    金属表面处理用电力半导体整流电源的品种较多，应用的行业有电镀、铝合金型材表面氧化、电子铝箔腐蚀和化成、电泳涂漆和表面氮化等。不同的行业使用的直流电源技术性能是不一样的，有些行业要求使用电压高达千伏，有的只有二伏;不少行业对直流纹波系数有严格的要求，例如：某些军工装备配件和耐磨性工件、电子铝箔腐蚀、化成等都对直流电源的纹波是有严格的要求;至于输出电流要求也相差悬殊，有的高达几万安培(例如：武汉钢铁公司电镀分厂使用了20KA的电镀电源)。随着电力半导体器件品种和技术水平的不断提高，在金属表面处理行业中发挥越来越重要的作用。
    一、铝合金阳极氧化、电镀电源
    长期以来，人们对金属表面处理过程，比较注重工艺技术、添加剂等方面的改进和提高，与表面处理相关的电源的性能和作用往往放在次要方面。金属表面形成和性能不仅与其工艺配方、添加剂有密切的关系，而且与电源技术水平息息相关，是工艺与设备配合的结果。随着我国铝加工、金属电镀、电泳涂装等行业的不断发展，一个年销售额超过200亿人民币的铝型材行业及年超过6亿平方米电镀面积的电镀工业已经形成，该类电力整流电源的需求量是有相当可观的。
    铝合金阳极氧化、电镀电源主要特点是：电流大、电压低、功能较为简单及使用环境相对较差。八十年代引进的电源设备有共同的特点，就是电源的形式采用可控硅整流。可控硅整流电源具有节约能源、控制先进等特点。引进的电源设备各有特色，意大利、西德的氧化电源多为脉冲整流方式，日本、美国采用普通整流方式。在冷却设计方面，西德、美国的氧化电源以水冷为主，主变压器和汇流母排都设置了水冷管道，设备的密封性较好。日本、意大利却以风冷设计，主变压器和整流元件采用风冷，控制线路有良好的隔离密封，主变压器经过严格的绝缘密封处理，抗腐蚀性能好。以上产品使用中各有千秋，总体来说使用性能良好，可靠性高。而台湾产的氧化电源主要用油冷方式，主变压器甚至硅元件也浸在绝缘油中，整体密封性好。控制线路是日本产品的复制品，元器件多为进口。由于产品设计的缺陷，使用中的缺点、故障较多。
    八十年代初我国整流器行业受到大功率半道体制造水平及一贯设计规范的制约，还处于发展较慢、技术水平落后阶段。采用可控硅形式的整流设备较少。八十年代后期，国家机械工业部对表面处理电源专门列项进行研究、公关。广州电器科学研究所作为承担单位之一，通过了解引进电源在国内的使用情况，主要解剖学习日本(例如三社、千代田等)风冷式可控硅整流氧化电源。在研制过程中主要突破了多方面的技术的问题：
    (1)主变压器形式：氧化、电镀电源的关键部分是主变压器，其功率大、重量占整台设备重量百分之五十以上，也是节能的关键。研究解决主变压器结构形式是设计的难点。国外很早研究节能型、特殊结构整流变压器，特别是日本生产的大小功率的表面处理电源，采用三相五芯柱风冷、节能和特殊结构的变压器技术相当普遍。国内首先突破特殊变压器的理论计算、采用国产材料制造的工艺控制，同时改进了绕组方式，用小并联、多绕组有效地解决了大电流氧化电源的整流元件均流技术，为全风冷结构创造了条件。
    (2)整流形式选择：全风冷式结构受到大功率半道体元件风冷散热器极限的限制，决定了整流元件必须小容量并联。由于国外半道体功率器件的生产技术、工艺条件比国内优越，产品的一致性好，因此采用电流容量更小的螺旋式二极管多个并联，均流系数仍然很高，国内却难于采用这种形式。因此，主变压器多绕组均流和平板型硅元件安装专用散热器小并联技术，成功地解决了大电流氧化电源采用全风冷形式的难题。
    (3)控制电路：整流电源的控制电路是设备的“灵魂”。控制电路的先进性、可靠性和操作性直接影响电源的性能。国内一贯采用的控制电路结构、安装方式及控制性能等已不适用于整流电源的需要。为了迅速提高电源的控制电路的技术水平、减少重复研究，通过消化、吸收和改进进口电源控制性能，大大提高了控制线路的控制性能和可靠性。集成电路的技术应用，大大简化了控制线路板的结构，整台设备所有控制功能集中在一块电路板上，电路板的互换性好，维修极为方便。目前国产可控硅整流设备控制电路采用的几乎是国外(大多是日本的)八十年代普遍采用的模拟控制电路的翻版。大大提高了国内电源的整体水平。
    (4)防腐技术：由于主变压器为风冷结构，空气中腐蚀性气体高速流过主变压器时腐蚀性加强。采用常规变压器难于实现防腐，必须对主变压器采取真空浸漆的特殊方式，即使有腐蚀性介质吸附在变压器表面，也不可能对变压器产生腐蚀。另外，控制电路采用密封方式，防止了外界空气对控制电路腐蚀。结构外壳也都采用了相应的防腐措施。无论在变压器绝缘防腐，还是整机控制线路及结构上的防腐技术，都有了很大的改变，大大延长了设备使用寿命。
    目前，我国氧化、电镀整流电源的整体水平有了很大的提高，广东继续走在全国的前列，出现了众多有规模、有实力的专业电力整流电源生产厂，为中国的表面处理电源的技术进步和国产化作出了很大的贡献。同时也要看到国产电源在工艺相对稳定情况下与国外电源技术相比还有一定的差距。需要解决的问题还很多，也是今后需要发展和提高的方面。
    (1)大电流整流电源的输出电流准确性：直流大电流检测精度是个难题，检测的手段目前有很多，最为普遍使用的是分流器和直流互感器，可以在直流输出母排直接检测电流值，进口产品中普遍采用。需要检测精度要求或在特大电流检测，例如电解铝、氯碱电解等行业中则可采用先进的霍尔元件，其精度可达到1%。而目前铝材氧化电源输出电流检测绝大部分采用对应方式，即检测电源设备的进线电流大小相对应直流输出电流值大小，该种方式影响因素较多，例如：电网电压波动，变压器参数及功率因素的变化等，测量装置稳定性也较差，都会造成输出直流电流与实际值有较大的误差，直接影响工艺员正确计算与设定而造成产品质量不稳定，也是造成电源损坏的不安全因素。
    (2)氧化电源保护功能：电工产品的设计必须注重保护功能，特别是设备的关键部分。虽然大电流氧化电源的整流元件并联的增加，减少了元件的损坏，但是整流元件的损坏是不可避免的，关键要有一套可靠的保护措施。上面(1)中所述：目前国内氧化电源的输出电流指示和控制电路的电流反馈信号都来自三相进线电流的取样值，对应输出电流的大小，不是来自测量输出电流值。若整流元件损坏造成短路，三相进线电流值被设在该处的电流检测装置反馈到控制电路，控制电路的限流功能将电流限制在值，造成电源的空气开关(总开关)因电流没有达到保护极限不能起到断开保护作用，结果主变压器次级绕组长时间短路而损坏。国内目前使用的大部分电源都有这种潜在的缺点。其它保护功能的有效性(例如：过热、缺相、过流等)、特别是某些传感器的可靠性有待提高。
    (3)电源电压：电源设备电压的高低对表面的处理质量影响不大，与电流密度有密切关系。电源电压不宜设计过高(脉冲电源除外)。否则，电源设备产生谐波，严重干扰电网的波形、破坏补偿电容器，给用户和供电部门造成了损失。
    (4)电源技术进步：我国表面处理电源从仿制到成熟已有十多年了，技术水平基本保持原来水平。国外已经发展了性能可靠，自动化水平高的智能化电源。例如，当铝材工件进入氧化槽后，只需输入需要氧化膜厚度，检测系统根据槽液温度、槽液中内阻等，自动显示出工件的实际面积和需要氧化的。