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                          基于金屬表面處理應用的電力半導體整流電源

                          發布時間:2012.07.10     瀏覽次數:

                          我國電力半導體器件的開發應用始于六十年代,由于電力半導體器件具有能量消耗低、可靠性高、容易實現自動化控制等優點,成為變流技術發展的基礎,得到了飛速發展。電力半導體器件被廣泛應用于各個領域的整流、變頻、逆變、調壓等裝備,是現代工業發展的重要支柱之一,也是電力電子整流電源發展的基礎。
                              金屬表面處理用電力半導體整流電源的品種較多,應用的行業有電鍍、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。不同的行業使用的直流電源技術性能是不一樣的,有些行業要求使用電壓高達千伏,有的只有二伏;不少行業對直流紋波系數有嚴格的要求,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格的要求;至于輸出電流要求也相差懸殊,有的高達幾萬安培(例如:武漢鋼鐵公司電鍍分廠使用了20KA的電鍍電源)。隨著電力半導體器件品種和技術水平的不斷提高,在金屬表面處理行業中發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、添加劑等方面的改進和提高,與表面處理相關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、添加劑有密切的關系,而且與電源技術水平息息相關,是工藝與設備配合的結果。隨著我國鋁加工、金屬電鍍、電泳涂裝等行業的不斷發展,一個年銷售額超過200億人民幣的鋁型材行業及年超過6億平方米電鍍面積的電鍍工業已經形成,該類電力整流電源的需求量是有相當可觀的。
                              鋁合金陽極氧化、電鍍電源主要特點是:電流大、電壓低、功能較為簡單及使用環境相對較差。八十年代引進的電源設備有共同的特點,就是電源的形式采用可控硅整流。可控硅整流電源具有節約能源、控制先進等特點。引進的電源設備各有特色,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。在冷卻設計方面,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置了水冷管道,設備的密封性較好。日本、意大利卻以風冷設計,主變壓器和整流元件采用風冷,控制線路有良好的隔離密封,主變壓器經過嚴格的絕緣密封處理,抗腐蝕性能好。以上產品使用中各有千秋,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。控制線路是日本產品的復制品,元器件多為進口。由于產品設計的缺陷,使用中的缺點、故障較多。
                              八十年代初我國整流器行業受到大功率半道體制造水平及一貫設計規范的制約,還處于發展較慢、技術水平落后階段。采用可控硅形式的整流設備較少。八十年代后期,國家機械工業部對表面處理電源專門列項進行研究、公關。廣州電器科學研究所作為承擔單位之一,通過了解引進電源在國內的使用情況,主要解剖學習日本(例如三社、千代田等)風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的問題:
                              (1)主變壓器形式:氧化、電鍍電源的關鍵部分是主變壓器,其功率大、重量占整臺設備重量百分之五十以上,也是節能的關鍵。研究解決主變壓器結構形式是設計的難點。國外很早研究節能型、特殊結構整流變壓器,特別是日本生產的大小功率的表面處理電源,采用三相五芯柱風冷、節能和特殊結構的變壓器技術相當普遍。國內首先突破特殊變壓器的理論計算、采用國產材料制造的工藝控制,同時改進了繞組方式,用小并聯、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,為全風冷結構創造了條件。
                              (2)整流形式選擇:全風冷式結構受到大功率半道體元件風冷散熱器極限的限制,決定了整流元件必須小容量并聯。由于國外半道體功率器件的生產技術、工藝條件比國內優越,產品的一致性好,因此采用電流容量更小的螺旋式二極管多個并聯,均流系數仍然很高,國內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技術,成功地解決了大電流氧化電源采用全風冷形式的難題。
                              (3)控制電路:整流電源的控制電路是設備的“靈魂”。控制電路的先進性、可靠性和操作性直接影響電源的性能。國內一貫采用的控制電路結構、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水平、減少重復研究,通過消化、吸收和改進進口電源控制性能,大大提高了控制線路的控制性能和可靠性。集成電路的技術應用,大大簡化了控制線路板的結構,整臺設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。目前國產可控硅整流設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。大大提高了國內電源的整體水平。

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