CN104270029A - 离子渗氮用大功率高频逆变脉冲电源及其工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种离子渗氮用大功率高频逆变脉冲电源。它包括可控硅调压单元，IGBT高频变换单元，高频变压单元，真空炉体，电压调整控制器，PWM波控制单元。接入380伏的三相交流电经转换得到0-1000伏连续可调，频率20khz占空比0-90％连续可调的直流电。脉冲频率是现有的斩波电源的20倍，灭弧速度快达到微秒级(直流斩波电源的脉冲灭弧速度只能到毫秒级)该电源的最大的特点就是灭弧速度快，弧光点能量小，对零件表面不产生任何电弧损伤，并且可以有效的抑制“空心阴极效应”，对深孔氮化和盲孔氮化都能够有很好的效果，对于原来1千赫兹斩波电源无法完成的深孔和盲孔都能有效的表面渗氮。
Description
技术领域
本发明涉及离子加热电源，更具体地说它是一种离子渗氮用大功率高频逆变脉冲电源及其工艺。
背景技术
离子氮化炉在工艺生产过程中、零件是通过加在真空炉体两端的直流电压或直流脉冲电压来将气体击穿电离放电的，并通过离子轰击在零件表面得到铁氮化合物层，离子渗氮工艺已经广泛的应用在机械制造行业。
金属零件在炉体内进行“离子渗氮”工艺时金属零件的表面会存在很多“绝缘物”，这些主要是在零件的前期加工过程中残留下来的，在生产过程前很难全部彻底的清洗干净，所以零件会在真空炉体内，在直流高压电场的作用下表面“打弧”。也就是说“打弧”是零件在离子氮化过程中不可缺少的“表面自清理”过程、零件的表面会有电弧产生，电弧会将零件表面的异物烧掉，然后进入到平稳放电阶段，在打弧的过程中如果表面清洗不干净，或者直流电源的灭弧性能不好，都可能会让电弧在零件烧出大小不一的电弧斑点，轻的会让零件表面不美观，严重的情况下会电弧会严重烧蚀金属零件表面，造成零件报废。
目前国内常用的脉冲电源是“IGBT斩波脉冲电源”，其工作原理是将三相交流电压经工频变压器变换成两组反相的三相交流输出，再经过两组三相半控桥整流后串联、通过对可控硅的移相调节方式得到0-1000伏的连续可调的直流电压，在经过“IGBT斩波”的控制方式将直流电压变换成1000赫兹的矩形脉冲输出的，控制方式一般为定频调宽方式。该电源的优于原来的直流电源，但是因为脉冲的频率不高，也存在弧光电流偏大，在零件的表面也会留下弧光斑点，特别是对于复杂零件的局部、对于深孔、盲孔的淡化效果、和抑制“空心阴极效应”的能力有限。
发明内容
本发明的第一目的是提供一种针对现有脉冲电源频率低，氮化质量差的离子渗氮用大功率高频逆变脉冲电源。本发明的第二目的是提供一种应用离子渗氮用大功率高频逆变脉冲电源的离子渗氮工艺。
本发明的第一目的是按如下技术方案实现的，离子渗氮用大功率高频逆变脉冲电源包括：
可控硅调压单元：由电压调整控制器控制，输入端与三相交流电源相连接，用于将三相380伏交流电转换成0-500伏连续可调的直流电；
IGBT高频变换单元：由单片计算机控制PWM波发生器控制，输入端与所述可控硅调压单元的输出端相连接；用于转换得到占空比从0-90％连续可调的10khz矩形方波电压0-500伏连续可调的交流电；
高频变压单元：输入端与所述IGBT高频变换单元输出端相连接；用于转换得到占空比从0-90％连续可调的10khz矩形方波电压0-1000伏连续可调的交流电；
高频直流脉冲整流单元：输入端与所述高频变压单元的输出端相连接；用于转换得到占空比从0-90％连续可调的20khz矩形方波电压0-1000伏连续可调的直流电；
真空炉体：真空炉体外壳与所述高频直流脉冲整流单元阳极相连接并接地，真空炉体零件加工台面与所述高频直流脉冲整流单元相连接；
电压调整控制器：用于控制所述可控硅调压单元的输出电压，检测可控硅实现所述可控硅调压单元输出0-500伏连续可调的直流电；
PWM波控制单元：用于控制所述IGBT高频变换单元，实现输出占空比从0-90％连续可调的矩形方波。
本发明的第二目的是按如下措施达到的，它包括如下步骤：
步骤一，金属零件清洗装炉后开始抽真空，真空抽到50Pa时启动设备进行以下渗氮工艺；
步骤二、启动高压开关，接通三相电源，工艺人员通过调整“电压给定”旋钮调整真空炉体两端电压初始电压，再通过随着温度的升高，打弧的减弱，再缓慢调高真空炉体两端电压；
步骤三、电压调整完毕，然后通过“占空比给定”旋钮将占空比增大，至真空炉内有星光点点的弧光放电现象；
步骤四、随着工艺时间的延续，弧光放电结束，零件表面的辉光强度变强，电源的输出电流变大，零件的温度慢慢的升高，直到达到零件的氮化温度510度-580度范围；
步骤五、到达氮化温度后，温度控制器会自动选定一个合适的占空比，并按照设定的氮化温度按照工艺要求保温15-30个小时后结束生产。
进一步地，人工或计算机自动将所述真空炉体内打弧初始输出电压调至700伏；随着温度的升高，打弧的减弱，再缓慢自动调高直流电压至800-1000伏。
进一步地，所述PWM波控制单元检测输出端电流，当输出端电流大于额定输出电流I°时，所述PWM波控制单元自动关断或调整占空比使得输出电流不超过系统额定电流I°。
再进一步地，所述额定是输出电流I°为100A—150A之间。
又进一步地，所述PWM波控制单元检测输出端电流及电压；当输出端有电流，且电压小于额定输出电压V°时，所述PWM波控制单元自动调整所述IGBT高频变换单元内IGBT元件的开度使得输出电压超过额定输出电压V°。
还进一步地，所述额定输出电压V°为300V。
本发明的有益之处在于：使用新型的高频逆变电源，输出的直流脉冲电压频率为20千赫兹，脉冲频率是现有的斩波电源的20倍，灭弧速度快达到微秒级(直流斩波电源的脉冲灭弧速度只能到毫秒级)该电源的最大的特点就是灭弧速度快，弧光点能量小，对零件表面不产生任何电弧损伤，并且可以有效的抑制“空心阴极效应”，对深孔氮化和盲孔氮化都能够有很好的效果，对于原来1千赫兹斩波电源无法完成的深孔和盲孔都能有效的表面渗氮。另外该电源采用高频逆变电源设计，去掉了体积很大的工频变压器，采用体积小效率高的高频变压器，本逆变电源的“转换效率”高于斩波电源。
附图说明
图1为本发明离子渗氮用大功率高频逆变脉冲电源的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明：离子渗氮用大功率高频逆变脉冲电源。它包括：
可控硅调压单元：三相380伏交流电源经过由KP1-KP6六只可控硅、可控硅移相调压电路等组成全桥整流电路，三相380交流电源经过可控硅全桥整流电路变换后，变成0-500伏连续可调的直流电压。
IGBT高频变换单元：整流后得到的直流电压送到由BT1-BT4、4只IGBT及计算机PWM脉宽调制波控制电路、组成的H桥变换电路，将整流桥送出的直流电压变换成高频矩形方波，矩形方波的占空比从0-90％连续可调的交流电。
高频变压单元：经过H桥变换得到的高频矩形波输出到高频变压器GBY1 GBY2，通过高频变压器将高频矩形波升压到1000伏，输出占空比从0-90％连续可调的10khz矩形方波电压0-1000伏连续可调的交流电。
高频直流脉冲整流单元：高频矩形板通过高频变压器的副边连接到高压整流电路、通过QL1、QL2两个整流桥串联得到频率20K、峰值电压1000伏、占空比0-90％可调的直流高频脉冲电源连接到真空炉体执行离子氮化工艺。
真空炉体：真空炉体外壳与电路阳极相连接并接地，真空炉体零件加工台面与阴极相连接；
电压调整控制器：给定电压0-5伏对应0-170度的移相角，输出直流电压从0-500伏。通过电压负反馈实时检测电压输出状态，及时自动调整给定信号，使输出电压保持恒压输出。为了减少氮化初期打弧阶段对零件表面的伤害，打弧初始电压不易过高，计算机会自动将打弧初始输出电压调至700伏，随着温度的升高，打弧的减弱，再缓慢自动调高直流电压至800-1000伏、具体电压值根据氮化的金属材料、渗氮工艺等预先输入计算机自动给点输出电压。
PWM波控制单元：占空比调整调整范围0-90％、可以通过H桥变换在变压器副边得到频率20K、电压峰值1000伏的矩形方波。通过采集输出端的电压和电流信号判断负载的工作状态，设电流峰值控制、当电流超过设定值I°即100A-150A时系统会自动关断IGBT的输出；当负载两端有电流，且负载两端的电压低于设定值V°即300V时可以判断真空容器内有弧光放电现象，系统不处于最佳工作状态，系统会自动关断或调整IGBT的开度，避免异常弧光放电持续、防止灼伤零件表面。打弧初期，为了防止弧光放电灼伤零件表面，占空比会按照计算机检测到的单位时间内弧光的次数，来判断弧光放电的强弱，并自动的增加占空比，完成升温保温的氮化过程。
以上未作详细说明均为现有技术。
Claims (7)
1.一种离子渗氮工艺用大功率高频逆变脉冲电源，其特征在于：
包括
可控硅调压单元：由电压调整控制器控制，输入端与三相交流电源相连接，用于将三相380伏交流电转换成0-500伏连续可调的直流电；
IGBT高频变换单元：由单片计算机控制PWM波发生器控制，输入端与所述可控硅调压单元的输出端相连接；用于转换得到占空比从0-90％连续可调的10khz矩形方波电压0-500伏连续可调的交流电；
高频变压单元：输入端与所述IGBT高频变换单元输出端相连接；用于转换得到占空比从0-90％连续可调的10khz矩形方波电压0-1000伏连续可调的交流电；
高频直流脉冲整流单元：输入端与所述高频变压单元的输出端相连接；用于转换得到占空比从0-90％连续可调的20khz矩形方波电压0-1000伏连续可调的直流电；
真空炉体：真空炉体外壳与所述高频直流脉冲整流单元阳极相连接并接地，真空炉体零件加工台面与所述高频直流脉冲整流单元相连接；
电压调整控制器：用于控制所述可控硅调压单元的输出电压，检测可控硅实现所述可控硅调压单元输出0-500伏连续可调的直流电；
PWM波控制单元：用于控制所述IGBT高频变换单元，实现输出占空比从0-90％连续可调的矩形方波。
2.应用权利要求1所述的离子渗氮工艺用大功率高频逆变脉冲电源的渗氮工艺，其特征在于：它包括如下步骤：
步骤一，金属零件清洗装炉后开始抽真空，真空抽到50Pa时启动设备进行以下渗氮工艺；
步骤二、启动高压开关，接通三相电源，工艺人员通过调整“电压给定”旋钮调整真空炉体两端电压初始电压，再通过随着温度的升高，打弧的减弱，再缓慢调高真空炉体两端电压；
步骤三、电压调整完毕，然后通过“占空比给定”旋钮将占空比增大，至真空炉内有星光点点的弧光放电现象；
步骤四、随着工艺时间的延续，弧光放电结束，零件表面的辉光强度变强，电源的输出电流变大，零件的温度慢慢的升高，直到达到零件的氮化温度510度-580度范围；
步骤五、到达氮化温度后，温度控制器会自动选定一个合适的占空比，并按照设定的氮化温度按照工艺要求保温15-30个小时后结束生产。
3.根据权利要求2所述的离子渗氮工艺用大功率高频逆变脉冲电源的渗氮工艺，其特征在于：
人工或计算机自动将真空炉体内打弧初始输出电压调至700伏；随着温度的升高，打弧的减弱，再缓慢自动调高直流电压至800-1000伏。
4.根据权利要求2所述的离子渗氮工艺用大功率高频逆变脉冲电源的渗氮工艺，其特征在于：
PWM波控制单元检测输出端电流，当输出端电流大于额定输出电流I°时，PWM波控制单元自动关断或调整占空比使得输出电流不超过系统额定电流I°。
5.根据权利要求4所述的离子渗氮工艺用大功率高频逆变脉冲电源的渗氮工艺，其特征在于：所述额定是输出电流I°为100A—150A之间。
6.根据权利要求2所述的离子渗氮工艺用大功率高频逆变脉冲电源的渗氮工艺，其特征在于：
所述PWM波控制单元检测输出端电流及电压；当输出端有电流，且电压小于额定输出电压V°时，所述PWM波控制单元自动调整IGBT高频变换单元内IGBT元件的开度使得输出电压超过额定输出电压V°。
7.根据权利要求6所述的离子渗氮工艺用大功率高频逆变脉冲电源的渗氮工艺，其特征在于：所述额定输出电压V°为300V。
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