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        基于金属表面处理应用的电力半导体整流电源

        发?#38469;?#38388;:2012.07.10     浏览次数:

        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?#38469;?#21457;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?#38469;?#24615;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?#32454;?#30340;要求,例如?#32791;?#20123;军工装备配件和耐磨性工件、电子铝箔腐?#30784;?#21270;成等都对直流电源的纹波是有?#32454;?#30340;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?#21697;?#21378;使用了20KA的电镀电源)。随着电力半导体器件品种和?#38469;?#27700;平的?#27426;?#25552;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?#38469;酢?#28155;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?#25105;?#26041;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?#38469;?#27700;?#36739;?#24687;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?#27426;?#21457;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?#21697;?#38754;,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?#32454;?#30340;绝?#24471;?#23553;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?#37066;?#19968;贯设计规范的制约,还处于发展较慢、?#38469;?#27700;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?#26800;?#21333;位之一,通过了解引进电源在国内的使?#20204;?#20917;,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?#40644;?#20102;多方面的?#38469;?#30340;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?#38469;?#30456;当普遍。国内首先?#40644;?#29305;殊变压器的理论计算、采用国产材?#29616;?#36896;的工艺控制,同?#22791;?#36827;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?#38469;酰?#20026;全风冷结构创造了条件。
            (2)整流形式选择:全风冷式结?#25925;?#21040;大功率半道体元件风冷散热器极限的限制,决定?#33487;?#27969;元件必须小容量并联。由于国外半道体功率器件的生产?#38469;酢?#24037;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?#20013;?#24335;。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?#38469;酰?#25104;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?#37066;?#25511;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?#38469;?#27700;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?#38469;?#24212;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。

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