微弧氧化電流脈沖電源及其負(fù)載電氣特性的研究.pdf

1、微弧氧化技術(shù)是近年來材料表面處理的一個重要研究內(nèi)容，屬于材料工程、電化學(xué)和電能變換技術(shù)研究的交叉領(lǐng)域，其氧化機(jī)理的不確定性和相關(guān)基礎(chǔ)理論研究的薄弱導(dǎo)致了微弧氧化脈沖電源輸出特性與其負(fù)載之間的不匹配，降低了電能轉(zhuǎn)換效率和加工效率，從而所引起的高電能損耗限制了該技術(shù)的工業(yè)化推廣應(yīng)用。明確微弧氧化脈沖電源的負(fù)載電氣特性、在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)與負(fù)載特性匹配的脈沖電源是降低微弧氧化電能損耗所亟待解決的工藝基礎(chǔ)問題。本論文主要針對微弧氧化電流脈沖電源的設(shè)

2、計(jì)及其負(fù)載的電氣特性分析以及脈沖電源與其負(fù)載間的匹配技術(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)的研究。
　　運(yùn)用理論分析、實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬相結(jié)合的方法，對微弧氧化脈沖電源的負(fù)載等效電路模型的建立和定量分析進(jìn)行了深入研究。按照微弧氧化過程中放電原理和特性將完整的工藝過程劃分為不同氧化階段，通過電化學(xué)領(lǐng)域使用的電化學(xué)阻抗譜（EIS）研究方法，建立了微弧氧化脈沖電源負(fù)載在不同氧化階段的電路模型，得出在脈沖電流作用下，微弧氧化電源負(fù)載本質(zhì)上是容性負(fù)載，它在電路中可

3、等效為阻容網(wǎng)絡(luò)。
　　根據(jù)微弧氧化工藝要求和脈沖電源的負(fù)載特性，提出了并聯(lián)組合結(jié)構(gòu)的方波電流脈沖電源方案，可實(shí)現(xiàn)脈沖寬度、幅值和頻率的獨(dú)立調(diào)節(jié)。設(shè)計(jì)了恒流特性BUCK型電路并聯(lián)單元，通過各恒流單元間的均流并聯(lián)，解決了輸出電流幅值調(diào)節(jié)、功率控制和冗余的問題，有利于實(shí)現(xiàn)電源的模塊化和大功率輸出調(diào)節(jié)；采用電感短接作為能量存儲和轉(zhuǎn)換形式，使脈沖電源輸出電流具有陡直前沿；針對開關(guān)損耗問題，運(yùn)用緩沖型軟開關(guān)技術(shù)，設(shè)計(jì)了無源緩沖型軟開關(guān)電路，實(shí)

4、現(xiàn)了零電流開通和零電壓關(guān)斷，降低了開關(guān)損耗，并改善了功率開關(guān)管的運(yùn)行條件；針對脈沖電源各單元的功能和特點(diǎn)，在最大250kW等級，以PLC為核心設(shè)計(jì)了具有軟啟動、過壓、過流和負(fù)載開路等保護(hù)功能的綜合控制系統(tǒng)，為電源負(fù)載特性的深入研究以及國家重點(diǎn)工業(yè)性試驗(yàn)項(xiàng)目（PECC）的進(jìn)行提供了必要條件。
　　根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果，分析了微弧氧化等效負(fù)載電路對電源輸出脈沖幅值、頻率、占空比等變化的響應(yīng)規(guī)律；通過參數(shù)擬合的方法，結(jié)合氧化機(jī)理分析，建立了

5、微弧氧化方波電流脈沖電源的負(fù)載電路模型，并進(jìn)行了電路參數(shù)的定量表征；根據(jù)等效電路中的參數(shù)變化規(guī)律，對應(yīng)得到了各個參數(shù)的具體物理意義；進(jìn)行電路仿真分析，其結(jié)果與源于實(shí)際工況測量的響應(yīng)特性和參數(shù)變化規(guī)律相吻合，為適于負(fù)載特性變化的微弧氧化脈沖電源及系統(tǒng)效率優(yōu)化提供了設(shè)計(jì)依據(jù)和仿真研究條件。
　　根據(jù)負(fù)載模型結(jié)構(gòu)和定量參數(shù)，結(jié)合微弧氧化工藝實(shí)現(xiàn)條件，進(jìn)行了電源脈沖作用效能分析，歸納了電源輸出形式和波形參數(shù)對電能轉(zhuǎn)化過程的影響規(guī)律。得出脈

6、沖電流的前沿陡度對起弧速度具有決定性的影響；膜層擊穿后仍然保持的電流既增加了系統(tǒng)的電能損耗，又是導(dǎo)致放電通道內(nèi)的物質(zhì)發(fā)生濺射的主要原因。在此基礎(chǔ)上，對電源電流脈沖波形結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，設(shè)計(jì)了具有電流尖峰形式輸出的反激式電源實(shí)現(xiàn)方案，并進(jìn)行了電源樣機(jī)研制。通過仿真和實(shí)驗(yàn)，分別對方波脈沖電源和反激式脈沖電源進(jìn)行功耗分析和對比，同時對本論文所建立的脈沖電源負(fù)載等效電路的合理性及其參數(shù)和反激式脈沖電源的優(yōu)化效果進(jìn)行了驗(yàn)證。為微弧氧化脈沖電源系統(tǒng)的