——可——编——程——控-制-器-技——术——门——户 引 言 plcjs.技.术_网 电镀电源是电镀行业的重大关键设备,其性能的优劣直接影响到电镀产品工艺质量的好坏;同时电源是电镀行业最主要的能量消耗者,因此高品质的电源是电镀业节能增效的决定性因素,并对电网的绿色化有重要影响。电镀电源属于低压大电流设备,要求操作简便、能承受输入端的突变和输出端短路及过载的冲击。由于长期运行在酸、碱、潮湿等恶劣工况下,其性能的优劣就显得更为重要。高频开关电源与传统工频整流电源相比,具有高效节能约20%~30%、省材约80% ~90%、功率密度大(输出1A电流,传统电源需0.5~1kg制造材料,而开关式电源只需要0.06~0.12kg),而且动态特性和控制调节特性好,制造过程占地少、加工量少等特点。因而迅速在众多领域得到推广应用。因此在电镀行业推广应用开关式电源具有显著意义。当今,我国制造业正在进入再次大发展,同时面临制造材料涨价,工业用电紧张等问题,因此,更加迫切需要这种节能省材的电镀电源。本文将简单回顾电镀电源发展历史,对开关电镀电源的现状、发展趋势及所涉及的关键问题进行探讨。 WWW※PLCJS_COM-PL#C-技.术_网(可编※程控※制器技术门户) 电镀电源的发展历史 WW.W_PLCJS_COM-PLC-技.术_网 电镀电源的发展大致经历了四个阶段:第一阶段为早期的交流-直流发电机组,开始于前苏联,由于经过两次能量转换过程(电能-机械能-电能),机组效率低于 60%,噪声大且整流子维修不方便,这类变流设备现在已被列入淘汰产品行列,但在电镀行业仍有少量单位使用该类高能耗设备;第二阶段为20世纪50年代的硒整流器和20世纪60年代的硅整流器,采用变压器一次侧抽头或用调压器、饱和电抗器方式调压,二次侧用硒或硅二极管整流作为电镀电源。这类电源在我国电镀电源中占有一定比例,20世纪80年代占70%左右,如GDA、GDAJ—F、GDS等系列,目前仍有部分生产和应用。该类电源结构简单、造价低,但都存在体积大、笨重和输出指标低、精度差和效率低等缺点;第三阶段是20世纪70年代晶闸管整流器,其性能指标比前面两代产品有较大改善。采用了五心柱变压器、高压大功率晶闸管等新技术,并出现了恒压、恒流和恒电流密度等新特性。但是由于还是使用工频变压器和工作在低频段,所以整流器体积大、重量重、效率较低,性能的进一步提高也受到电源体积的限制。 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控-制-器-技——术——门——户 为克服上述产品的缺点,近年来,以现代电力电子技术的高速发展为基础,国内外相继研制出电镀用第四代直流电镀电源——高频开关电源。与传统工频整流电源相比,开关电源具有高效节能、重量轻、体积小、动态性能好、适应性强、有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等显著的优点。因此,大功率开关电源具有广泛的应用前景,是当前国内外研究、开发、应用的主流和方向。但是,开关电源特别是大功率硬开关电源在可靠性、稳定性、效率等方面的缺点成为制约大功率开关电源应用和发展的“瓶颈”,按照传统电源的设计思路和解决办法,不能从根本上解决其所面临的诸多问题。 WWW_PLCJS※COM-PLC-技.术_网(可※编程控※制器技术门户) 我国开关式电镀电源的发展现状及趋势 ——可——编——程——控-制-器-技——术——门——户 1 开关电镀电源的发展现状 WWW_PLC※JS_COM-PmLC-技.术_网 20世纪90年代开始,由于开关功率器件(MOSFET、IGBT等)的技术进步,瑞典加力富公司(Kerefetlectronic)的电源开始在我国的合资和外资企业的电路板(PCB)的电镀生产线上使用。 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控-制-器-技——术——门——户 加力富公司于20世纪90年代初开始与北京运载火箭技术研究院合作,共同生产小功率(1000A/12V以下)、以高频MOS管为开关元件和风冷式的电镀电源,并在一些工厂采用,后来由于诸多的原因,双方终止了合作。 P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 20世纪90年代中后期,国内许多整流器生产厂开始尝试研制大功率高频开关电源,一些原来生产小功率开关电源也开始进入大功率开关电源的领域,并在全国范围内推广应用。 WWW_P※LCJS_CO※M-PLC-技-.术_网 国内每年采用高频开关金属表面处理电源、电流在5000A以下的市场总量在5000万元以上,特别是在某些行业,例如印刷板电镀、贵重金属电镀等,输出电流小于500A的金属表面处理电源使用率已超过50%。 W1WW_P4LCJS_COM-PLC-技.术_网 近年来有些高频开关电源生产厂开始采用的是积木式、小功率并联输出方式研制大电流电源,但由于存在许多技术上的问题尚未解决,目前还不能应用到生产中。 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控-制-器-技——术——门——户 由此可见,高频开关电镀电源应用在金属表面处理及小功率范围内的国内市场已经接受,具有广阔的市场前景。但产品主要局限于1500A以下的中小功率领域,在国内也只有少量厂家生产,从技术角度看主要限于硬开关变换模式和模拟控制方式,可靠性、EMC及工艺结构等方面具有明显的局限性,同焊接等领域全面推广应用开关式电源的景况具有较大差距。 WWcW_PLCJS_COM-PLC-技.术_网 2 开关电镀电源的发展趋势 WWW_PLCJ-S_COM-PLC-技.术_网(可-编程控-制器技术-门户) (1)高频高效化 P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 在较大功率领域采用高频开关电源代替传统整流电源,降低损耗,提高功率密度。 WWW_PLC※JS_COM-PLC-技.术_网(可编程控※制器技术门户) 目前电镀开关电源主要局限于1500A以下的中小功率领域,所以通过运用先进的功率电子器件和高频逆变技术,克服目前功率器件和磁性材料输出功率的局限性,通过变压器串并联的方式发挥现有开关管的功率输出能力,提高单机功率输出级别;采用多单元积木式并联技术进一步提高电源的输出能力。 WWW_PLCJS※COM-PLC-技×术_网(可编程控※制器技术门户) 软开关技术具有降低电力电子器件开关功耗、提高开关频率、降低电磁干扰、改善器件的工作环境等优点,是近10年来国际电力电子领域研究的热点。这种功率变换模式仅在短暂的功率器件换流期间,应用谐振原理,实现零电压或零电流自然导通和自然关断,而在其他大部分时间采用恒频脉宽调制方式,完成对电源输出电压或电流的控制。它的本质是将器件换流过程和能量转换、控制过程分时加以区别处理。采用这种变换模式可以使工作在高频状态下的功率开关管的开关损耗显著降低,电源整体效率提高,同时使电源工作频率进一步提高成为可能。 WWW_PLCJ-S_COM-PLC-技.术_网(可-编程控-制器技术-门户) (2)智能化 WWW_PLCJS_COM-PLC-技.术_网 电镀工艺如何消除人为因素的影响及减少过程能量损耗的需求,对电源的智能化提出了更高的要求。从节能及提高工艺质量角度出发,电镀过程中,除电源装置的能耗以外,工艺过程的能耗占绝大部分。而影响工艺过程能耗的因素主要是电流效率和槽压,通过对电解液浓度、温度、电极距离等参数在线检测,实时对电源的电流电压输出进行调整和合理配置,进而达到节能增效和提高工艺质量的目的。 WW.W_PLCJS_COM-PLC-技.术_网 从控制角度看,电镀工艺过程及开关式电镀电源的能量转换过程均为非线性时变系统,难以建立准确的模型进行传统的控制。智能控制能够不依赖受控对象的数学模型,利用人的操作经验、知识和推理以及控制系统的某些信息和性能得到相应的控制规则(如专家系统、模糊控制和神经网络等)。这些智能控制的应用将大大提高电镀电源的性能及工艺质量。 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控-制-器-技——术——门——户 因此,随着电镀技术的不断发展,应迅速开发适应不同工艺过程的智能化电源设备,以满足新世纪的新技术发展需求。 P.L.C.技.术.网——可编程控制器技术门户 (3)数字化 WWW※PLCJS_COM-PL#C-技.术_网(可编※程控※制器技术门户) 电镀电源的数字化技术意义重大。采用数字化技术,从电源的电气性能来看,可以应用现有电源的各种研究成果(功率电路拓扑及控制方式等),通过系统软件实现软开关技术并降低电磁干扰,提高电源的稳定性和智能化程度;从电源的工艺效果来看,数字化电源由于控制策略调整灵活、控制精度高以及控制参数稳定性高,所以具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果及节能特征。同时,数字化电源方便的通信接口功能为现代化的网络化生产提供了良好的硬件基础。从电镀工艺研究的角度,数字化电镀电源为实施创新性的工艺控制策略和实现多功能提供了全新的途径。数字化电源的在线控制程序升级将发挥作用,为新控制策略的实施提供方便、快捷的途径。 WWW.PLCJS.COM——可编程控制器技术门户 以DSP为平台实现开关电镀电源数字化主要包括三个层面的内容:第一层面为实现电信号及过程参数的实时检测、显示及动作控制功能;第二层面为根据检测信号采用合理的智能控制算法确保电源具有较高的动态性能指标且满足多特性电镀工艺的需求,并达到节能增效的目的;第三层面实现数字化PWM触发信号的输出及数字PFC,进一步提高电源装置的多方面性能指标。 ——可——编——程——控-制-器-技——术——门——户 (4)绿色可靠 WWW_P※LCJS_COM-PLC-)技.术_网 电镀电源长时连续工作在极为苛刻的工况下,因此其可靠性和绿色化是电源推广应用的前提。影响电源可靠性及绿色化的主要因素有电磁干扰、热效应、功率管工作环境、器件质量及工艺水平等因素。根据工程可靠性理论,在设计和研制过程采取适当的措施使电源绿色化高可靠性必将是电镀电源长期的追求目标。 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控-制-器-技——术——门——户 下表对国内外电镀电源及目前最有前景的高频智能化电镀电源(正在研制)进行对比。 W1WW_P4LCJS_COM-PLC-技.术_网 开关电镀电源进一步发展所面临的关键问题 WWW_P※LCJS_COM-PLC-)技.术_网 (1)新型器件应用、匹配及优化问题 WWW_PLCJS@_COM%-PLC-技.术_网 电力电子器件和磁性器件是构成开关电镀电源主功率电路的最基本、最重要的两大要素。通过选用合适的电力电子器件与磁性材料构成的部件中频变压器、电感器等,组成适合需求的逆变主电路拓扑,并采用适当的控制方法来完成换能过程。它们直接影响开关电镀电源的可靠性、安全性、效率、性能和成本。随着科学技术和制造技术的发展,这两大类器件的品种不断增加,性能指标不断提高。因此,新型高性能器件的选用直接影响和制约着电镀电源的发展,因此不仅要对现有产品的性能进行深入研究,而且要对新产品的性能指标进行了解,实现最佳的选用,提高产品的性能价格比。同时,由于电源工作于高频状态,寄生参数对器件的性能有显著影响,器件之间的优化匹配至关重要。此外,在设计与生产较大功率电镀电源过程中,目前磁性材料性能与尺寸满足不了功率开关器件容量的要求,需采用多个变压器串并联或电源模块并联工作,以增大功率输出。这就增加了制造成本和电源重量,并将增加很多派生问题,如并联均流、协同控制等。 WWW_PLCJS_COM-PLC-技.术_网 (2)功率换能机理、主电路结构和优化控制问题 WWW_P※LCJS_CO※M-PLC-技-.术_网 随着电镀电源输出功率的增大,精密、高效、脉冲电镀等新工艺的出现,以及电力电子、磁性器件的更新与发展,逆变主电路逆变器对这些新的变化适应性如何,不仅对电源的可靠性、安全性有直接影响,而且也将影响它的使用性能和成本。因而,必须对功率换能机理、影响因素、主电路结构形式及其控制技术进一步开展研究,同时还要对相关的技术,如“散热与温升”,“转换频率与效率、结构与尺寸”,“功率器件品种、容量与安全性”等的互相关系进行探讨。 plcjs.技.术_网 控制是能量、输出电流波形转换,以及实现稳定输出功率的又一关键性技术。对它的工作原理进行深入研究,可更有效地解决在输入电压、内部参数、外接负载等变化的情况下,如何借助控制电路,对被控制信号与基础信号的差值进行闭环控制调节主电路开关器件的导通脉宽,从而获得逆变器的稳定输出,同时还可实现过电流保护、抗偏磁、均流等附带的功 W1WW_P4LCJS_COM-PLC-技.术_网 ![]() WWW_PLCJS@_COM%-PLC-技.术_网 WWW_PLCJS_COM-PLC-技.术_网 能,还要解决如何获取反馈信号,并滤除杂波,提高闭环控制的速度、精度、抗干扰以及通过输出波形的多种变换,获得最优的动态过程、提高电镀工艺质量及减少过程能耗等问题。 WWW_PLCJS※COM-PLC-技.术_网(可※编程控※制器技术门户) (3)高频开关电镀电源的可靠性问题 WWW_P※LCJS_CO※M-PLC-技-.术_网 如何采取对策措施,提高逆变式电镀电源,特别是大功率逆变式电源的电磁兼容能力,是一个迫切的任务,又是当前的热点问题。 WWW_PL※CJS_COM-PLC-技.术_网 电源器件的热效应是影响电源可靠性的另一关键因素,电镀开关电源传递变换着几十千瓦以上的电能量,功率开关管,功率变压器,平波电抗器,一、二次侧整流管及其他器件均存在显著的热耗,如果热效应得不到合理的减少和控制,各环节的性能及寿命就会严重下降,电源的可靠性就会受到严重影响。 WWW_PLCJ-S_COM-PLC-技.术_网(可-编程控-制器技术-门户) 同传统电源不同的是开关电源的功率开关管及二次侧整流管均工作在中高频状态,其开关工作过程中存在较大的电压电流应力,较大的di/dt,du/dt,也会对其可靠性产生较大影响。通过采用软开关技术、缓冲吸收、磁性参数的合理匹配等措施是解决问题的有效途径。 P_L_C_技_术_网——可——编——程——控-制-器-技——术——门——户 此外,电源的结构设计、降额容差设计、采用高性能器件和先进工艺、控制电路的接地、隔离、屏蔽等因素也是影响电源可靠性的关键因素。 WWcW_PLCJS_COM-PLC-技.术_网 (4)高频开关电镀电源建模及仿真问题 WWW_P※LCJS_CO※M-PLC-技-.术_网 对逆变式电源,特别是大功率逆变器的分析研究,不仅要定性地了解其工作机理和特性,而且更要定量地描述逆变系统的动态性能,揭示系统的结构、参数与动态性能之间的关系。这就需要建立逆变器的数字模型,同时还要以通用电路分析软件为平台,建立元器件合适的仿真模型,结合逆变器的具体电路进行仿真研究。通过建立数字模型和仿真研究,借助计算机的工作,代替大量的实物实验,借助科学手段大幅度减少调试时间,降低人力和材料消耗,使电镀开关电源的研究、设计和生产提高到一新的水平。 WWW_PLCJ-S_COM-PLC-技.术_网(可-编程控-制器技术-门户) (5)数字化及智能控制问题 W1WW_P4LCJS_COM-PLC-技.术_网 当今,高品质新一代电镀电源的重要特征:一是采用节能省材的逆变技术;二是采用数字智能控制技术。借助DSP等高性能高速度微处理器为平台,使电源的性能得到保证并实现工艺工程的实时控制。其中数字化控制系统的抗干扰问题极为突出;合理的智能控制算法需要大量的工作。借助这两大核心技术,使高频电镀电源更好地适应越来越高的质量需求和新型工艺的需求。我国数字化控制的开关电镀电源技术目前还处于起步阶段。 plcjs.技.术_网 结束语 WW.W_PLCJS_COM-PLC-技.术_网 我国开关式电镀电源技术已有突破性发展,在中小型功率领域已进入推广应用的阶段。但在输出功率、通用品种、可靠性、批量生产能力、推广范围、特别是数字化智能控制等方面,同国外工业发达国家的水平,尚有较大差距。为了适应我国制造业的迅速发展和成为世界制造中心的需求,进一步加强电镀电源的高频高效化、数字化智能控制绿色可靠的工作并解决相关问题,对推动开关式电镀电源的持续发展是很有必要的。 |
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