離子滲氮電源中的滅弧措施

摘要：論述了離子滲氮電源中幾種常用的滅弧方式，分別介紹了其工作原理，并對其滅弧性能作出了分析對比。

關(guān)鍵詞：離子滲氮電源滅弧

1引言

離子滲氮是利用氣體輝光放電原理，使氮離子轟擊鋼鐵表面，使其加熱，并使氮原子滲入工件表層的一種表面強(qiáng)化技術(shù)。在離子滲氮過程中，由于某種原因使輝光放電轉(zhuǎn)變?yōu)榛」夥烹姡@就會(huì)中止?jié)B氮過程，嚴(yán)重時(shí)能熔燒工件表面，甚至損壞電源設(shè)備。滲氮件表面的清洗、烘燒等措施雖可減少弧光放電的次數(shù)，但在滲氮的初期階段，仍不可避免地會(huì)有弧光放電發(fā)生，故離子滲氮電源必須帶有滅弧措施，滅弧性能是離子滲氮設(shè)備的重要指標(biāo)之一[1]。

2打弧信號(hào)的檢測

正常的離子滲氮過程工作在輝光放電區(qū)，但當(dāng)打弧時(shí)，全部電流集中在某一小面積上，引起此處電流密度增加，如果電弧是集中在某一點(diǎn)上，則表現(xiàn)為極間電壓迅速下降，而電流急驟上升，電壓下降至200V左右。根據(jù)打弧時(shí)發(fā)生的現(xiàn)象，打弧信號(hào)可由以下參數(shù)進(jìn)行判斷[2]：

（1）電流上限信號(hào)；

（2）電流上升微分信號(hào)di/dt；

（3）電壓下限信號(hào)；

（4）電壓下降微分信號(hào)dv/dt。

實(shí)驗(yàn)表明，電壓的下降是迅速的，它超前于電流最大值到來的時(shí)間，此時(shí)間差約為1ms～1.5ms。通常多種檢測方式同時(shí)采用。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)弧時(shí)，電壓降低、電流上升的幅度均不大，電壓微分與電流信號(hào)不易取出，一般用斯密特觸發(fā)器取電壓下限信號(hào)進(jìn)行滅弧。

3幾種常用滅弧方法的原理及特點(diǎn)

3?1串聯(lián)大阻值電阻

在滲氮電源的陰陽極電路中串聯(lián)大阻值電阻，當(dāng)發(fā)生打弧時(shí)，電流猛增，在電阻上產(chǎn)生很大的電壓降，從而使正負(fù)極間電壓低于點(diǎn)燃電壓，使電弧不能維持，同時(shí)也限制了電弧電流不至于過大。這對于中小功率是可行的，但是對于大功率設(shè)備在串聯(lián)電阻上的功耗太大，所以大功率設(shè)備的滅弧不能只靠串聯(lián)電阻[3]。為了減少在穩(wěn)輝電阻上的功耗，將其改為可變的，即剛剛起輝時(shí)，打弧頻繁，可串聯(lián)大電阻，待輝光放電穩(wěn)定后，將電阻減小，以得到較大的電流。即使這樣，對額定電流超過10A的設(shè)備在生產(chǎn)中應(yīng)用還有一定的困難。

3?2電流截止負(fù)反饋滅弧

嚴(yán)格說來，固定某一值的電流截止負(fù)反饋并不是滅弧，因?yàn)樵诖蠊β试O(shè)備中，電流截止值往往在幾十安培以上，這樣大的電流已經(jīng)足以維持穩(wěn)定的電弧放電，而不會(huì)自動(dòng)熄滅。當(dāng)電流達(dá)到一定上限后，控制電路關(guān)閉觸發(fā)脈沖并維持一定的時(shí)間，待弧源消除后，又重新開通。由于晶閘管觸發(fā)后必須等電壓換相時(shí)才能關(guān)斷，因此在半周期內(nèi)電流值可能達(dá)到很大，這種滅弧方法的滅弧時(shí)間約為10ms。由于一般電源都有一定的過載能力，故對保護(hù)電源是有效的，所以采用晶閘管電源時(shí)，這種限流方法是必不可少的。采用截止值隨工作電流可調(diào)的方法，可使反應(yīng)時(shí)間提前，并減少弧光放電電流。如果采用電流微分負(fù)反饋，對電流的變化進(jìn)行超前控制，可明顯地增強(qiáng)輝光放電的穩(wěn)定性。

圖1LC振蕩滅弧電路

圖2LC振蕩滅弧波形

圖3晶閘管旁路滅弧原理圖

3?3LC振蕩滅弧

LC振蕩滅弧的電路如圖1所示[4]。電容器在正常工作時(shí)有幾百伏的電壓，當(dāng)發(fā)生弧光放電時(shí)，陰陽極電壓突然由幾百伏降至幾十伏，此時(shí)電容C經(jīng)線圈L和陰陽極放電。這時(shí)，L、C和陰陽極間的導(dǎo)電氣體組成L、C、r串聯(lián)振蕩電路，并以其自然振蕩頻率f0=進(jìn)行振蕩。在開始振蕩的第一個(gè)周期，當(dāng)電容上的電壓UC成為反向電壓且電流也變?yōu)榱銜r(shí)，弧光即可熄滅。這時(shí)電容已被反向充電至幾百伏，但隨即電源經(jīng)限流電阻R向電容充電，使電容上的電壓由反向又逐漸變成正向而且達(dá)到了點(diǎn)燃電壓，輝光就重新產(chǎn)生。振蕩過程電壓電流波形如圖2所示。如果此時(shí)使輝光放電過渡到弧光放電的因素已消失，就得到穩(wěn)定的輝光放電。如果過渡到弧光放電的因素仍然存在，則電容再次放電滅弧。

上述電路是利用振蕩電流過零時(shí)滅弧的，因此選擇電路參數(shù)時(shí)，應(yīng)保證電流能過零。根據(jù)有關(guān)推導(dǎo)，需滿足以下條件：R??r

式中：R—限流電阻，Ω；

r—放電電路電阻，包括弧光放電時(shí)陰陽極間等效電阻，電感L的電阻以及導(dǎo)線電阻的總和（一般很小，約為0?1Ω左右），Ω；

L—滅弧電感線圈的電感量，H；

C—滅弧電容的容量，F(xiàn)。

滅弧時(shí)間為振蕩的半個(gè)周期，其值為（通常在100μs數(shù)量級(jí)）τ=π

滅弧后重新產(chǎn)生輝光放電的時(shí)間，是電源經(jīng)限流電阻使電容由弧光熄滅至正向電壓建立，并達(dá)到點(diǎn)燃電壓所需的時(shí)間，因此，重新產(chǎn)生輝光的時(shí)間（通常在1000μs數(shù)量級(jí)）

τ′≈2RC

LC滅弧電路在正常輝光放電時(shí)幾乎沒有能量損失，而且反應(yīng)比較靈敏。但是在電弧放電的瞬間電流仍可達(dá)到很大，這無論對工作還是對電源均不利，特別是在連續(xù)弧光情況下，電源就處于長期過載狀態(tài)，因此采用LC滅弧必須對電源另加保護(hù)。

3?4晶閘管旁路滅弧

較大功率（100kW以上）的離子滲氮設(shè)備通常采用晶閘管旁路滅弧，其電路如圖3所示。電路的陰陽極間并聯(lián)了一個(gè)晶閘管V，在輝光放電過渡到弧光放電前，電源對電容器C1經(jīng)電阻R1充電到電源電壓，當(dāng)弧光放電時(shí)，陰陽極間電壓突然下降，電容C1放電，脈沖變壓器TM原、副邊中產(chǎn)生脈沖電流，使V觸發(fā)導(dǎo)通，陰陽極間短路，因此弧光熄滅。此時(shí)LC構(gòu)成振蕩回路，當(dāng)流過V的放電電流為零時(shí)（電壓已反向），V即自動(dòng)關(guān)斷。電源經(jīng)限流電阻R、濾波電感L0重新對電容器C1充電至輝光放電所需的電壓，而重新起輝。由于V的導(dǎo)通時(shí)間只需十幾個(gè)μs，故弧光放電只經(jīng)很短時(shí)間即被旁路，弧光放電強(qiáng)度大為減弱。

這種電路也有其缺點(diǎn)：在大功率情況下，很小的限流電阻會(huì)產(chǎn)生很大的功率損耗。晶閘管旁路滅弧是以陰陽極間的電壓突然下降作為觸發(fā)信號(hào)的，起輝時(shí)，如起輝電壓較高，起輝后電壓會(huì)突然下降，造成晶閘管的誤觸發(fā)，為此，必須加一點(diǎn)燃陰極，以降低起輝電壓，點(diǎn)燃陰極自陰極引出，距陽極2mm～3mm。

3?5電子開關(guān)滅弧

在晶閘管V1旁路滅弧基礎(chǔ)上，于主電路中再串聯(lián)一晶閘管V2組成電子開關(guān)高效滅弧電路，如圖4所示。當(dāng)發(fā)生打弧時(shí)，立即觸發(fā)V1、V2，使電流旁路，因LC(L2－C)振蕩，反向時(shí)將V1和V2關(guān)斷。

圖4電子開關(guān)滅弧電路

圖5帶電容的電子開關(guān)滅弧電路

表1各種滅弧方式的現(xiàn)象及情況對比

滅弧方式	弧光放電現(xiàn)象	電流波形	滅弧時(shí)間
無滅弧措施	輝光熄滅，白色弧光成團(tuán)，彌散在放氣口周圍，并轉(zhuǎn)移到陰極其它部位，一定時(shí)間后，自行消失或跳閘。		電流迅速增加，有限流電阻時(shí)小弧光放電，秒級(jí)自行熄滅，大弧光放電時(shí)跳閘。
串聯(lián)大電阻降壓	輝光熄滅，在放氣口周圍有成團(tuán)弧光，維持一定時(shí)間后，自行熄滅。		電流增加到一定程度形成轉(zhuǎn)弧或電流增加致使電壓下降至起輝電壓以下，即熄滅10－1～100s級(jí)。
電流截止負(fù)反饋	輝光熄滅，小團(tuán)弧光集中在放氣口，并向周圍成錐狀散發(fā)，即行熄滅。		與截止點(diǎn)遠(yuǎn)近有關(guān)，最長為66.7μs，10－3s數(shù)量級(jí)。
LC振蕩滅弧	不感覺輝光熄滅，在放氣口周圍成斷續(xù)白色弧光，配合截止負(fù)反饋時(shí)，弧光增加，即行熄滅，有時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)弧。		單次可達(dá)10－4s，按τ=π計(jì)算，大電流有截止，同上。
晶閘管旁路	不感覺輝光熄滅，在放氣口周圍，斷續(xù)多次弧光，配合截止負(fù)反饋，即行熄滅。有時(shí)產(chǎn)生轉(zhuǎn)弧。		單次可達(dá)一個(gè)振蕩周期的時(shí)間，重復(fù)加電壓又再次打弧，有截止同上。
電子開關(guān)	在放氣口有一小白點(diǎn)弧光，即行熄滅。		一次滅弧達(dá)10－5s數(shù)量級(jí)。
脈沖電源	輝光穩(wěn)定不熄滅，無明顯滅弧現(xiàn)象。		由供電脈沖的寬度決定，一般可達(dá)10－6s數(shù)量級(jí)。

采用普通晶閘管，適用大電流的隔離電容儲(chǔ)能并聯(lián)—串聯(lián)晶閘管電子開關(guān)電路原理如圖5所示。由于這種電路的電容工作時(shí)已經(jīng)充上與爐子兩端極性相反的電壓，故打弧時(shí)V1和V2開通，強(qiáng)迫爐子電流下降，同時(shí)關(guān)斷V3，可以獲得更快的滅弧速度。

3?6脈沖電源滅弧

脈沖電源是近年來新發(fā)展起來的離子滲氮電源，它使原直流供電方式變?yōu)楦哳l脈沖方式，電壓電流自然過零，大大抑制了弧光放電的產(chǎn)生，在發(fā)生打弧時(shí)，可迅速關(guān)斷可控器件滅弧，滅弧速度可達(dá)幾個(gè)μs。

4各種滅弧方式的現(xiàn)象及情況對比

各種滅弧方式的比較如表1所示。

參考文獻(xiàn)

1周孝重,陳大凱.等離子體熱處理技術(shù).機(jī)械工業(yè)出版社,1990

2許彬等.新型離子源控制電路.金屬熱處理,1999（7）:39～41

3熱處理電工學(xué).人民教育出版社,1977

4熱處理設(shè)備及設(shè)計(jì).山東人民出版社,1977