離子滲氮電源中的滅弧措施

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1、離子滲氮電源中的滅弧措施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?，這就會中止?jié)B氮過程，嚴重時能熔燒工件表面，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)備的重要指標之一[1]。2打弧信號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，全部電流集中在某一小

2、面積上，引起此處電流密度增加，如果電弧是集中在某一點上，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)打弧時發(fā)生的現(xiàn)象，打弧信號可由以下參數(shù)進行判斷[2]：（1）電流上限信號；（2）電流上升微分信號di/dt；（3）電壓下限信號；（4）電壓下降微分信號dv/dt。實驗表明，電壓的下降是迅速的，它超前于電流最大值到來的時間，此時間差約為1ms～1.5ms。通常多種檢測方式同時采用。當(dāng)發(fā)生轉(zhuǎn)弧時，電壓降低、電流上升的幅度均不大，電壓微分與電流信號不易取出，一般用斯密特觸發(fā)器取電壓下限信號進

3、行滅弧。3幾種常用滅弧方法的原理及特點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，電流猛增，在電阻上產(chǎn)生很大的電壓降，從而使正負極間電壓低于點燃電壓，使電弧不能維持，同時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，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)

4、用還有一定的困難。32電流截止負反饋滅弧嚴格說來，固定某一值的電流截止負反饋并不是滅弧，因為在大功率設(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，而不會自動熄滅。當(dāng)電流達到一定上限后，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才能關(guān)斷，因此在半周期內(nèi)電流值可能達到很大，這種滅弧方法的滅弧時間約為10ms。由于一般電源都有一定的過載能力，故對保護電源是有效的，所以采用晶閘管電源時，這種限流方法是必不可少的。采用截止值隨工作電

5、流可調(diào)的方法，可使反應(yīng)時間提前，并減少弧光放電電流。如果采用電流微分負反饋，對電流的變化進行超前控制，可明顯地增強輝光放電的穩(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有幾百伏的電壓，當(dāng)發(fā)生弧光放電時，陰陽極電壓突然由幾百伏降至幾十伏，此時電容C經(jīng)線圈L和陰陽極放電。這時，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=進行振蕩。在開始振蕩的第一個周期，當(dāng)電容上的電壓UC成為反向電

6、壓且電流也變?yōu)榱銜r，弧光即可熄滅。這時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到了點燃電壓，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滅弧的，因此選擇電路參數(shù)時，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，包括弧光放電時陰陽極間等效電阻，電感L

7、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)。滅弧時間為振蕩的半個周期，其值為（通常在100μs數(shù)量級）τ=π滅弧后重新產(chǎn)生輝光放電的時間，是電源經(jīng)限流電阻使電容由弧光熄滅至正向電壓建立，并達到點燃電壓所需的時間，因此，重新產(chǎn)生輝光的時間（通常在1000μs數(shù)量級）τ′≈2RCLC滅弧電路在正常輝光放電時幾乎沒有能量損失，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

8、期過載狀態(tài)，因此采用LC滅弧必須對電源另加保護。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，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LC構(gòu)成振蕩回