高频整流器在活塞环电镀中的应用—

丁业武(山东恒圆活塞环有限公司)　　
张军峰(山东济宁科源电力电子新技术有限公司)
〔摘要〕本文介绍了活塞环镀铬用整流器的更新换代,运用高频开关电源取代传统的硅整流和可控硅整流器,达到了节电的效果,节电在30%左右,镀层质量稳定。文章通过对活塞环电镀过程和节电原理的分析、论证,并进行了生产试验,证明节电效果依据充分。
〔关键词〕活塞环　电镀　整流器　节能
1　引言
活塞环特殊的使用环境决定了它必须具备足够的强度、硬度、弹性、耐磨性等特性。为了具备这些特性,活塞环在电镀过程中对整流器的控制性能和输出特性有着特殊的要求。主要表现为:电镀初期的冲击镀电流上升速度要快;电镀过程中电流稳定精度要高;输出电压波纹系数要低;整流器的自动化控制程度要高;同时为了降低生产成本,节能降耗,要求整流器的用电效率要高(即节能)等。
2　电镀过程分析和高频整流器特性
活塞环电镀时为了镀取均匀连续的镀层,常在开始通电时采用短时间的大电流密度冲击电镀,使活塞环表面很快地镀上一层氢过电位大的镀层金属,以防止氢析出,然后按正常规定的电流密度进行电镀,就可以消除基体金属对分散能力和覆盖能力的不良影响。
高频整流器控制系统输出的控制信号可以对主电路的输出作出迅速响应,使整流器从空载零电流迅速上升到所需电流(一般从零电流到额定电流所需的时间约为3～5秒),为大电流冲击镀提供了有力的保证。
在活塞环的电镀过程中,电流密度和镀液温度是影响镀铬性能的关键因素,同一温度情况下不同的电流密度或同一电流密度情况下不同的温度取的镀铬层的性能有很大差异。在工艺合理、操作得当的前提下,整流器输出电流的高精度控制是镀取最佳镀层性能的必要保证。
高频整流器随着生产技术的不断成熟,已经实现了极高的控制精度。在恒流工作模式状态情况下,输出电流的波动为正负1安培,在恒压工作模式状态情况下,输出电压的波动为正负0.1伏。极高的控制精度为活塞环电镀提供了稳定的电流密度,从而能够镀取理想镀层。
根据有关资料显示,电源的波纹系数大于5%时引起镀铬层的晶粒排序移位。降低整流器的输出波纹因数,有利于镀取理想镀层。
高频整流器输出的频率约为2万5千赫兹的高频矩形波,经平滑电抗器平滑、辅助器件吸收,既具有平滑直流的连续性,又具有脉冲电流的冲击性,并且波纹系数小于2%。连续平滑、低波纹系数的高频矩形波能使镀层结晶细致、均匀、光亮、空隙率低,能明显改善分散能力、深镀能力、加快电沉积速度。
高频整流器可以很方便的加装时间控制器、安培小时计、远距离控制器等,使整流器的自动化程度得到提高,降低了职工的劳动强度。同时为控制合理一致的镀层提供了方便。活塞环电镀为了镀取良好的镀层,要求一次电镀成功,电镀过程中不能中断。
高频整流器配备了过压、欠压、过热、过流、短路等各种保护功能,能够对各种原因造成的故障做出迅速保护响应,提高了设备的可靠性,降低故障率,减少了电镀过程中整流器的故障停机率。
3　高频整流器大幅度降低电镀能耗
电镀过程中整流器是最大的用电设备,也是最大的电损耗设备,降低整流器的用电损耗,就可以大幅度降低电损耗,减少电耗费用。用电效率高达90%的高频整流器是节电降耗整流器中的首选产品。
高频整流器的节能取决于它的工作原理和内部器件。其工作过程一般为三相380Ｖ市电整流、滤波加至功率型开关元件如ＩＧＢＴ、ＭＯＳＦＥＴ等组成的逆变电路,有主电路转换成脉宽可调的高频交流,在经以非晶软磁材料为铁芯的高频变压器降压,肖特基二极管整流转化成工作需求的低压直流。
从高频整流器的工作过程可以看出电能损耗主要表现在:
1　高频变压器的电能损耗:传统的铁氧体变压器铁芯受自身因数影响在高频状态下能量转换效率极低,所以高频整流器一般采用非晶软磁材料如铁钴合金等作为变压器铁芯,这种变压器在频率为25Ｋｈｚ左右时能量转换效率可达99%以上,即电能损耗仅为1%。
2　主功率开关元件的损耗:主功率元件的电损耗主要表现为元件的开通损耗和关断损耗,其中开关元件在关断时的拖尾电流在器件开关损耗上占支配地位,其关断损耗远大于开通损耗。经过实验主功率开关能耗约为5%。
3　主功率整流肖特基二极管的电损耗主要表现为二极管导通内阻损耗。这种二极管的管压降约为0.7Ｖ左右,其电能损耗约为3.9%。
4　高频整流器的控制系统及附件随着元件集成化和优化组合的提高,其能量损耗基本上维持在0.02%左右。
综上所述,高频整流器的总电能损耗约为10%,即用电效率约为90%,并且用电效率基本上不受输出负荷大小的影响。一般可控硅整流器的用电效率为45～70%,硅整流整流器的用电效率为30～60%。可见高频整流器比可控硅整流器可节电20～45%,比硅整流整流器可节电30～60%。
4　使用效果
我公司安装4台进行试验,试验11天后即全部投入生产。安装位置距镀槽1～1.5米,没有和镀槽进行隔离。
试验期间我们对活塞环镀层质量进行了全面的检测,外观:外圆镀铬层表面光洁,和可控硅整流器相比较没有区别;镀铬层结合强度按照国标要求的传统检查方法检查,全部合格;镀铬层硬度ＨＶ在840～1060之间;铬层厚度,在原《作业指导书》要求的工艺参数下操作,厚度在0.14～0.19ｍｍ范围内,符合《镀后检查标准》的要求。对于试验期间电镀的活塞环还进行了镀后加工,各工序全过程跟踪调查,终检又进行了认真的抽检,镀铬层没有发现异常。
同镀槽交流电流值相差可以看出其节电值,平均百分数为22.2%,即高频电源整流器和可控硅整流器在同一电镀槽,电镀相同型号的活塞环,可以节电22.2%;比硅整流整流器预计可节电35%左右(没有生产试验)。
高频整流器还具有体积小、重量轻的特点,节约占地面积,便于搬运、调整。和可控硅整流器相比噪音也有明显的降低,改善了操作者的工作环境,设备故障率低。
5　经济分析和结论
经济效益分析:以表中所列2号槽为依据,计算一台ＧＧＤＦ-2000/12高频整流器一年的节电效益为:
7.5Ａ×(386Ｖ÷1.732)×24(小时)×26(天)×12(月)×0.50元/度=18777.24元。
通过以上理论分析和生产使用,高频整流器节电是不可质疑的,效果明显,应该是活塞环行业电镀用整流电源的一次革命,相信能够给企业降低电能耗做出一定的贡献。

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2008-05-25

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