王俊濤

摘要：真空電弧鍍是航空發(fā)動(dòng)機(jī)渦輪葉片制備高溫防護(hù)涂層的一種重要工藝設(shè)備，該設(shè)備在多年的生產(chǎn)應(yīng)用中，設(shè)備技術(shù)得到了不斷的革新、改進(jìn)及完善。設(shè)備核心關(guān)鍵部分的電弧電源，從原始的磁放大器式、可控硅整流方式發(fā)展到IGBT逆變控制方式，致使涂層制備質(zhì)量、效率也得到了改善。本文將對(duì)葉片真空電弧鍍電弧電源技術(shù)的進(jìn)一步改進(jìn)提升原理及設(shè)計(jì)方法進(jìn)行論述，即采用新型的雙IGBT系統(tǒng)，在電流、電壓的穩(wěn)定控制方面又一次進(jìn)行了提升，而因此也將對(duì)涂層制備的質(zhì)量和穩(wěn)定性進(jìn)一步給予了保障。

Abstract： Vacuum arc plating is an important process equipment for the preparation of high temperature protective coatings for turbine blades of aerospace engines. In many years of production applications， equipment technology has been continuously updated and improved. The arc power supply of the key part of the equipment has evolved from the original magnetic amplifier type and thyristor rectification method to the IGBT inverter control mode， which has improved the quality and efficiency of coating preparation. In this paper， the further improvement and promotion principle and design method of the blade vacuum arc plating arc power supply technology are discussed， that is， using the new dual IGBT system to improve the stability control of current and voltage again， and therefore the quality and stability of the coating preparation are further guaranteed.

關(guān)鍵詞：IGBT；電弧電源；真空電弧鍍

Key words： IGBT；arc power supply；vacuum arc plating

中圖分類號(hào)：TM92 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）33-0165-02

0 引言

航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片真空電弧鍍?cè)O(shè)備，是針對(duì)一定數(shù)量發(fā)動(dòng)機(jī)葉片或小型部件同時(shí)進(jìn)行表面涂層加工的專用設(shè)備，可同時(shí)加工小型部件48個(gè)（24+24上下雙層），或大中型部件16片（單層）。其關(guān)鍵部件的電弧電源，曾經(jīng)采用單系統(tǒng)大功率IGBT可控電源進(jìn)行電弧噴鍍控制，最大電流1000A，動(dòng)態(tài)特性好、體積小、效率高、噪音低。而本次論述的是，電弧控制電源采用的是雙IGBT逆變整流系統(tǒng)作為主電弧的電離電源，設(shè)計(jì)規(guī)格電流1250安培，電壓20-40伏。在雙IGBT逆變整流系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，2個(gè)系統(tǒng)采用均流閉環(huán)控制，每一路單個(gè)系統(tǒng)的最大工作電流都可以達(dá)到1000安培，增加了電源能量冗余，即可以同時(shí)進(jìn)行均流閉環(huán)控制方式輸入輸出工作，又可以單獨(dú)一路獨(dú)立工作，這就避免了其中一路產(chǎn)生故障而造成整個(gè)電弧電源關(guān)停的問題。

本電源系統(tǒng)采用2套IGBT高頻逆變系統(tǒng)，是以電力電子、微電子和控制技術(shù)為基礎(chǔ)研制的高效節(jié)能大功率開關(guān)電源，是當(dāng)代電力電子學(xué)理論發(fā)展的前沿技術(shù)。電源采用數(shù)字電源技術(shù)，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)均采用高性能DSP，以實(shí)現(xiàn)快速、高精度、靈活、多功能、智能化的控制和人機(jī)界面和通訊功能等，提高工藝質(zhì)量與穩(wěn)定性；采用基于數(shù)字通信技術(shù)的485通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，通過操作面板，可方便電源參數(shù)設(shè)置和顯示，便于用戶操作；主電路采用2路IGBT 全橋逆變電路，分別采用高頻變壓器進(jìn)行輸入與輸出安全隔離；系統(tǒng)具有各種故障報(bào)警及自動(dòng)停機(jī)保護(hù)功能。

此次電弧電源的應(yīng)用改造尤為關(guān)鍵，對(duì)于公司軍品生產(chǎn)是一次新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用創(chuàng)新，所以，特此進(jìn)行論述。

1 電弧電源與電弧涂層制備

該設(shè)備用以制備高溫防護(hù)涂層，其應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)葉片或其它零部件，用以保護(hù)零部件免受高溫氧化的作用，提高零部件自身強(qiáng)度，延長使用壽命。電弧涂層制備實(shí)現(xiàn)的工作原理參見示意圖1。

引弧錘與陰極靶材瞬間接觸并分離，因接觸電阻大而局部發(fā)熱產(chǎn)生電弧火花，產(chǎn)生含有密度很高的電子和離子。在其作用下形成等離子體，等離子體高速運(yùn)動(dòng)對(duì)陰極靶材進(jìn)行轟擊碰撞，形成的大量靶材粒子，靶材粒子在葉片上沉積成膜。該設(shè)備采用了IGBT高頻開關(guān)電源作為主電弧能量來源，動(dòng)態(tài)特性十分良好，在同等條件下，使引弧速度和成功率有了明顯的提高。其次，電弧穩(wěn)定性方面，逆變式電弧電源輸出特性是恒流外特性，當(dāng)電弧電壓發(fā)生抖動(dòng)變化時(shí)，電流影響比較小，穩(wěn)定性好，原因是該電源的逆變頻率高，動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，即電流恢復(fù)速度快。

2 IGBT逆變電源原理

IGBT逆變電源的主電路為三相380V全橋逆變電路，采用IGBT作為主控元件，實(shí)現(xiàn)了AC-DC-AC-DC的轉(zhuǎn)變。三相50Hz、380V交流電壓，經(jīng)過三相輸入全橋整流電路整流、濾波后，變成540V高壓直流。該直流通過四個(gè)單管IGBT的全橋逆變，被逆變成為中頻方波電壓，經(jīng)高頻變壓器隔離降壓后，輸入到輸出整流電路，經(jīng)整流后的直流電壓再經(jīng)過電感濾波后輸出，電壓為20-40V，最后得到紋波較小的直流，供給電弧直流電能。

3 雙IGBT逆變電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

隨著科技的發(fā)展和生產(chǎn)能力的不斷提高，大量電子設(shè)備中，對(duì)大功率、大容量、低能耗、高質(zhì)量、高精度和高安全的電源系統(tǒng)應(yīng)用需求也增加和普及。但是目前的半導(dǎo)體材料及開關(guān)器件自身水平的限制，單臺(tái)單系統(tǒng)的大容量大功率電源技術(shù)也同樣受到了限制，因此，大功率、模塊化電源系統(tǒng)并聯(lián)運(yùn)行方式技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用。

真空電弧鍍?cè)O(shè)備的加工能力為雙層24片工件，要求電弧工作電流為500-800A。1套IGBT模塊化逆變電源額定輸出電流是1000A，選擇2套并聯(lián)運(yùn)行，即可以滿足設(shè)備加工能力，且賦予了冗余。如圖2，當(dāng)電源模塊A1或A2其中之一出現(xiàn)故障，均流控制系統(tǒng)將自動(dòng)調(diào)整控制模式，控制其一繼續(xù)正常工作，保證工件涂鍍工作完成一個(gè)涂鍍生產(chǎn)循環(huán)。圖2中電源模塊單元皆采用公共總線，并聯(lián)輸出電流系統(tǒng)只有一個(gè)公共控制電路。

4 強(qiáng)迫均流控制的應(yīng)用

圖2中的并聯(lián)、冗余式電弧電源，誤差的不可避免性和當(dāng)今電子器件工藝水平的限制，A1、A2并聯(lián)運(yùn)行的模塊式電源在相同輸入給定的條件下，各自輸出的參數(shù)都將略有不同，存在著必然的差異，使各自的參數(shù)和性能，尤其外特性也不盡相同，參數(shù)還會(huì)隨著時(shí)間、溫度、器件特質(zhì)改變等因素的變化而發(fā)生變化。這些差異雖然難以完全避免，但卻可以盡量地消除和縮小。并聯(lián)運(yùn)行時(shí)，各自輸出電流不同，大電流輸?shù)碾娫礋釕?yīng)力變大，系統(tǒng)崩潰損壞幾率也上升，造成設(shè)備總體的穩(wěn)定性和可靠性降低，其壽命、質(zhì)量和性能也下降。因此在并聯(lián)的模塊電源系統(tǒng)中，采用負(fù)載電流均流控制方法，防止某一臺(tái)運(yùn)行在電流極限值狀態(tài)，即對(duì)每個(gè)模塊電源進(jìn)行時(shí)時(shí)監(jiān)控限流及調(diào)整控制。

圖2中的均流控制系統(tǒng)，是采用電子原器件、微電子器件設(shè)計(jì)的硬件控制方式。簡化等效的控制原理如圖3。反饋取樣電壓與給定基準(zhǔn)電壓U0相比較產(chǎn)生誤差電壓Ue，該電壓送至A1、A2每個(gè)獨(dú)立電源模塊，與模塊電流相比較，調(diào)節(jié)模塊參考電壓，從而改變輸出電壓，調(diào)節(jié)輸出電流，實(shí)現(xiàn)均流。這樣，A1、A2模塊都相當(dāng)于電壓控制的電流源。該均流方式精度高、動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好。

5 雙系統(tǒng)電源技術(shù)特點(diǎn)

該電源系統(tǒng)，外部硬件電路簡單，整體占用空間體積小，電源均流精度比較高。整個(gè)系統(tǒng)具有良好的均流瞬態(tài)響應(yīng)特性，即動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，可以很方便地組成冗余系統(tǒng)，即可以隨時(shí)增減電源模塊，用以實(shí)現(xiàn)大電流、高效率及可靠性。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需要配置成冗余系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)電源容量的可擴(kuò)充性，能夠降低成本投入。

6 結(jié)論

該雙系統(tǒng)冗余式電源，采用高精度數(shù)字處理芯片進(jìn)行控制，功能先進(jìn)、性能穩(wěn)定。電路中采用高精度的數(shù)字式閉環(huán)控制，確?？刂频目焖傩?，電源突變時(shí)輸出響應(yīng)時(shí)間快，穩(wěn)定性好，具有各種參數(shù)顯示及人機(jī)交互界面。系統(tǒng)檢測(cè)技術(shù)和完善的保護(hù)功能，保證電源系統(tǒng)的長期穩(wěn)定運(yùn)行，而且，單一模塊式電源出現(xiàn)電氣故障后，立即報(bào)警保護(hù)，另一個(gè)模塊不受影響，提高了系統(tǒng)可靠性。優(yōu)秀的電磁兼容設(shè)計(jì)，工作時(shí)不受外界影響及不影響其它設(shè)備的運(yùn)行。雙IGBT逆變控制技術(shù)應(yīng)用于葉片電弧鍍，為航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片的生產(chǎn)提供了設(shè)備保障。

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