CN205657598U - 一种电解质等离子体抛光电源系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种电解质等离子体抛光电源系统，为金属表面处理提供脉动电力，该电源系统由监控模块和依次连接的电源模块、换热模块、滤波模块、调制模块组成，监控模块分别与其余各模块电性连接。本实用新型解决了现有技术采用直流电源供电存在故障率高、效率低、工艺质量不容易控制等问题。通过采用介质相变换热技术提高了电源的工作效率和可靠性；通过设置适合电容电感参数，抑制浪涌电流对电源和电网的不利影响，同时提供抛光工艺需要浪涌电流；通过在滤波模块和抛光设备之间设置调制模块，实现脉动抛光。该供电系统显著提高了加工效率和工艺质量，还节能降耗，产生较大的经济效益。

Description

一种电解质等离子体抛光电源系统

技术领域

本实用新型涉及金属材料表面处理技术领域，具体涉及一种电解质等离子体抛光电源系统。

背景技术

将待加工的金属零件放置在电解质溶液中，在其表面形成气膜，在电场的作用下通过放电和化学反应整平表面，使零件表面达到要求的粗糙度。该方法用于金属零件表面的处理，可以完成去毛刺、清除氧化层、清理焊缝、抛光等工艺，替代机械(人工)和化学方法，不但效率高、质量好，也便于实现自动化连续加工，同时极大降低加工成本，杜绝粉尘污染，解决机械、化学过程中存在的污染问题和安全隐患。

该加工方法采用直流电源利用等离子体持续放电整平表面，等离子体初期放电会产生很大的浪涌，一方面浪涌对去毛刺或抛光提供了必要的能量，另一方面，浪涌对电源和电网造成极大的冲击和干扰。现有技术采用工频电源，通过增大储备功率来满足工艺的要求，由此带来设备庞大、能耗高、效率低的问题。如中国专利CN201010598876-新型抛光机、CN201210149145-电解质等离子抛光、CN201210361700-量产用电解质等离子抛光机等均未提及电源形式以及供电控制，中国专利CN01118250-物理化学的电子束抛光方法公开了电压调整范围(240V～380V),均未涉及采取必要的技术措施对浪涌电流加以限制或利用，因此实际效果是设备庞大、效率低下。此外在实际应用中，与工频电源比较，如果采用高频开关电源可以提高供电效率，但开关电源为了保护功率器件通常采用软启动方式，其抗浪涌的能力差，不利于过载使用，而抛光初期浪涌电流一般是额定的5～6倍，浪涌的宽度也能达到若干毫秒，如果通过增大电源的输出功率来满足浪涌，其功率因素低，成本高，从而降低了设备的性价比。

采用直流电压抛光的不利因素是：存在放电过程能量无法控制、抛光后表面质量较差、电解质损耗较快等缺点。中国专利CN101173361.B-非平衡液态复 合脉冲等离子抛光方法试图在抛光过程中采用脉冲替代直流，其着眼点在于“脉冲更有利于等离子产生，能使放电离子获得更高的动能，从而得到更好的镜面效果和更快的抛光速度”。鉴于此，该专利公开了一种采用脉冲抛光方法，但该方法局限于一种恒定脉冲处理方式“使反应处于最剧烈的状态”，而未提及在抛光过程中利用脉冲参数的变化稳定气膜，控制放电能量达到更为精准表面处理效果。这种恒定脉冲处理方法在实际应用中恶化了气膜的稳定条件，在气膜趋于消失瞬间会产生极高的电流峰值，使得斩波器承受很大的冲击，因此这种方法只能应用在很小功率的抛光中，实用性受到限制。另外，现有的抛光电源普遍采用水冷或风冷的方式散热。水冷换热存在的问题是：①设备占用空间大；②水中的矿物质析出结垢降低换热效率，堵塞换热通道；③经特殊处理的水使用成本高。风冷换热存在的问题是：①风冷换热将环境中的腐蚀性气体和粉尘带入电源内部，增加了设备运行的故障率，缩短了设备的使用寿命；②风冷效率低，限制了设备效能的发挥。

实用新型内容

针对现有技术采用直流电源供电存在能耗高、工艺质量不容易控制等问题，本实用新型采用高频逆变方式作为供电电源，采用介质相变技术为电源的功率器件散热；在输出回路中通过设置适合的电感抑制浪涌电流对电源的冲击，设置适合的电容提供工艺需要浪涌电流。

本实用新型的技术方案是这样实现的：一种电解质等离子体抛光电源系统，为金属表面处理提供智能可变电力，其特征在于，该电源系统由监控模块和依次连接的电源模块、换热模块、滤波模块、调制模块组成，所述监控模块分别与其余各模块电性连接。

所述电源模块将电网输入的交流电压变为直流电压，利用换热模块冷却功率器件；换热模块采用介质相变换热技术对电源系统的功率器件进行冷却，换热过程由监控模块控制；滤波模块连接电源，利用LC电路缓冲，LC参数可在一定范围内自动组合，有效的抑制浪涌电流对高频开关电源的冲击，同时为抛光工艺提供需要的浪涌电流；调制模块连接滤波模块和抛光设备，将电源模块经滤波后输出的直流电压变换为脉冲电压，在抛光进程中检测电流变化，对脉冲 参数进行实时调节，形成稳定的气膜；监控模块监测和控制直流电压幅值、脉冲参数，溶液温度浓度、换热介质流量等。

较优的，所述的电源模块采用一组或多组频率范围在10KHz～50KHz的全桥变换器拓扑直流电源组成，电压幅值通过监控模块采用模拟或数字的方式进行调节，电压调节范围为150V～500V。

较优的，所述的换热模块采用介质相变换热方式对等离子体抛光电源进行封闭换热，介质的沸点50℃±10％。使电源的功率器件温度不超过60℃，解决水冷使用成本高、寿命短，风冷换热腐蚀性环境对电源可靠性和寿命的影响。

较优的，在电源和负载之间设置了LC电路，通过电感的特性限制等离子体放电浪涌对电源的冲击，同时通过电容的特性为等离子体放电提供必要的浪涌，LC参数在一定范围内根据需要可自动组合，使高频开关电源应用于电解质等离子体抛光工艺成为可能。

较优的，所述调制模块的脉冲频率调节范围1KHz～20kHz；电压幅值150V～500V；占空比5％～100％。与直流电压抛光相比，脉冲抛光更有利的作用是通过调节脉冲参数控制放电的能量，以达到最优的抛光效果，并随抛光的进程实时调节脉冲参数稳定气膜，限制浪涌过载。

进一步的，所述监控模块进行三级监测；第一级监控直流输出电压和电源换热，根据负载状况自动调节换热功率，根据工艺要求自动调节输出电压；第二级选择和控制电感及电容参数；第三级监控和调节脉冲参数，如抛光初期采用直流(占空比为100％)，随抛光进程调节脉冲占空比不大于30％，并且反馈抛光电流，通过改变脉冲电压幅值或占空比限制浪涌电流，以获得相对稳定的气膜。

较优的，所述的监控模块采用PLC或嵌入式单片机控制器。

较优的，所述的监控模块采用模拟或数字的方式实现脉冲参数的手工或自动调节。

较优的，所述监控模块上还设有工作计时、状态显示、故障状态显示、故障声光报警装置。

本实用新型解决了背景技术中存在的缺陷,具有以下有益效果：

本实用新型为金属表面处理提供可变电力，解决了现有技术采用直流电源供电存在故障率高、效率低、工艺质量不容易控制等问题。本实用新型通过采用介质相变换热技术提高了电源的工作效率和可靠性；通过在电源和输出之间的回路中设置适合电容电感参数，抑制浪涌电流对电源和电网的不利影响，同时提供抛光工艺需要浪涌电流；通过在滤波模块和抛光设备之间设置调制模块，实现脉动抛光，利用脉冲参数控制等离子体放电的能量和稳定气膜，使脉动等离子体抛光应用于实际生产成为现实，达到了要求的抛光效果，同时减小电解质消耗。该供电系统显著提高了加工效率和工艺质量，同时降低了设备成本，不仅提高了产品质量还节能降耗，产生了较大的经济效益。

附图说明

图1为本实用新型的组成原理框图；

图2为换热模块的组成原理框图；

图3为调制模块输出的脉冲波形；

图4为滤波模块的等效电路图；

图5为电解质等离子体抛光的工艺流程图；

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1所示的一种电解质等离子体抛光电源系统和控制方法。分为以下五个模块。电源模块采用全桥高频开关模块组合，将电网输入的交流电压变为直流电压。变换开关的频率为20kHz；电压幅值调节范围150V～500V，额定容量为100KW。采用高频开关电源的目的是提高电源的动态响应、供电效率和控制性能，减小设备体积和重量，提高电源的性价比。换热模块连接电源模块，采用 介质相变换热技术对电源的功率器件进行循环冷却，达到了节能、提高电源工作效率和可靠性的目的。换热工作过程如图2所示，在电源模块中需要换热的器件包括高频变压器和功率模块，本实施例中循环冷却介质先进入功率模块，再进变压器，选择介质相变温度约50℃(沸点)，监控装置利用温度传感器检测每个电源模块散热器的表面温度，控制变频调压装置调整不同管路中介质压力，当散热器表面温度高于相变温度(50℃)时，介质蒸发带走热量，变频调压装置开始工作，促使高温介质流动，温升越高流动越快，换热能力越强，高温蒸汽流进入冷凝器，冷却后的低温介质循环进入电源模块，换热模块在环境温度为35℃，冷凝器采用风冷时额定换热能力为20KW，系统最终控制散热器温度不超过60℃，介质压力在0～0.3MP范围内根据温度高低自动调节。滤波模块利用LC电路连接电源模块和调制模块。滤波模块等效电路图如图4所示，利用LC电路连接电源模块和调制模块，本实施例中根据额定输出功率和频率设置电感和电容参数，根据不同工艺的要求，手动或自动选择输出模块中K1接2，K2闭合，电感和电容同时存在；K1接1，K2断开，电感和电容同时消除；K1接2，K2断开，消除电容，电感存在；K1接1，K2闭合，消除电感，电容存在。通过设置适当的电感L，利用电感上电流不能跃变的特性抑制浪涌电流对前级(含电网)冲击；同时通过设置适当的电容C，利用电容蓄能和电容器两端电压不能跃变的特性为工艺提供需要的浪涌电流。调制模块为抛光提供可变电力，它将直流电压调制成脉冲电压，调制后的脉冲电压波形如图3所示。正脉冲参数的调节范围：电压U1为150～500V；频率f为1KHz～20KHz；占空比ρ正半周为5％～100％，脉冲参数的选择取决于等离子抛光工艺。抛光初期一般采用直流电压(ρ＝100％)便于产生稳定的气膜，随着抛光进程占空比逐步减小至某一值以满足表面质量要求；在抛光过程中恒定脉冲使气膜厚度按一定规律变化，在一定条件下会形成共振，当气膜趋于消失时，在脉冲电压的上升沿产生极大的电流，由此恶化了斩波器的工作条件和抛光的表面质量。本技术方案通过检测电流变化实时调节脉冲参数达到限制气膜共振的目的。为了某种特殊要求，脉冲电压设置负半周U2，占空比在负半周调节范围0～50％。监控模块采用嵌入式计算机控制器。监控模块进行三级监测；第一级监测包括电流反馈和调节直流输出电压，通过预置可采用数字的方式实现调节，同时根据工艺要求在不同的加工阶段能自动调节；第二级选择和控制电感L和电容C参数，第三级监控和调节脉冲参 数，同样根据预置或工艺要求，采用数字的方式实现脉冲参数的自动调节。在工艺过程的初期，由于工件没有形成稳定的气膜，浪涌电流很大，此时需要通过电感L限流，同时需要电容提供形成气膜所需要的能量，因此在输出回路中应同时接入电感L和电容C；在工艺的稳定阶段，浪涌电流减小至电源能够承受的范围，此时可以同时去除电感L和电容C，以减少无功损耗。

本实用新型的工作过程是：如图5所示的工艺过程。电源模块将电网输入的交流电压变为直流电压；在抛光过程中，换热模块利用介质相变换热技术(蒸发冷凝)对电源的功率器件进行循环冷却；滤波模块作为缓冲级，通过设置的LC电路，限制浪涌电流对电源冲击，同时为抛光提供需要的放电能量；调制模块将从滤波模块输出的直流电压变换为脉冲电压，根据预置和反馈实时调节脉冲参数；监控模块监测和调节直流电压、脉冲参数，电感L和电容C参数。监控模块还控制抛光设备，将待加工的金属零件下潜放置在电解质溶液中，在电场的作用下在其表面形成等离子态气膜，通过放电去除作用和等离子化学反应整平表面，使零件表面达到要求的粗糙度和镜面效果。在并实用例中监控模块的工作原理如图5所示，采用可编程逻辑控制器PLC，根据金属材料表面处理工艺的要求分别对溶液温度、浓度、电流密度、处理时间等参数进行检测和控制；监控模块上还设有工作计时、状态显示、故障状态显示、故障声光报警装置。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种电解质等离子体抛光电源系统，为金属表面处理提供脉动电力，其特征在于，所述电解质等离子体抛光电源系统由监控模块和依次连接的电源模块、换热模块、滤波模块、调制模块组成，所述监控模块分别与其余各模块电性连接。

2.如权利要求1所述的电解质等离子体抛光电源系统，其特征在于：所述电源模块将电网输入的交流电压变为直流电压；调制模块将电源模块输出的直流电压变换为脉冲电压，根据预置进行脉冲参数调节；所述滤波模块采用LC电路，包括电感、电容和开关，通过开关闭合和断开的组合，控制电容和/或电感的改变，所述监控模块进行监控和调节直流电压、脉冲参数，选择和控制电感及电容。

3.如权利要求1或2所述的电解质等离子体抛光电源系统，其特征在于：所述的电源模块采用一组或多组频率范围在10KHz～50KHz的全桥变换器拓扑直流电源组成，电压幅值通过监控模块采用模拟或数字的方式进行调节，电压调节范围为150V～500V。

4.如权利要求3所述的电解质等离子体抛光电源系统，其特征在于：所述的换热模块采用介质相变换热方式对电源系统的功率器件进行冷却，介质的沸点为50℃±10％。

5.如权利要求4所述的电解质等离子体抛光电源系统，其特征在于：所述监控模块在电源系统内分三级监控；第一级监控直流输出电压和电源换热，根据负载状况自动调节换热功率，根据工艺要求自动调节输出电压；第二级选择和控制电感和电容参数，第三级监控和调节脉冲参数。

6.如权利要求5所述的电解质等离子体抛光电源系统，其特征在于：所述调制模块连接有抛光设备，调制模块的调节范围频率1KHz～20kHz，占空比100％～5％。

7.如权利要求6所述的电解质等离子体抛光电源系统，其特征在于：所述的监控模块采用模拟或数字的方式实现脉冲参数的手工或自动调节。

8.如权利要求7所述的电解质等离子体抛光电源系统，其特征在于：所述监控模块上还设有工作计时、状态显示、故障状态显示、故障声光报警装置。