逆變式噴金電源研制

劉楠楠， 曹 彪

（華南理工大學 機械與汽車工程學院， 廣東 廣州 510640）

噴金是薄膜電容器制造中一道非常關鍵的生產工序，其工作原理是以電弧或者氧乙炔火焰為熱源，以兩根金屬絲材作為電極，在兩根金屬絲端部短路瞬間產生電弧，電弧燃燒產生的熱量使金屬絲熔化，利用壓縮氣體將熔化的金屬絲霧化成細小顆粒， 以高速噴涂在卷繞定型的電容器芯子端面上，形成金屬電極面，以達到將電極引出的目的。 電弧噴金因其結合強度高、經濟以及安全節能等特點，得到廣泛應用。 噴金電源為噴金提供能量， 是保證噴金工藝的關鍵環節之一，其輸出參數直接關系到粒子大小、氧化程度、射入深度、粘結強度以及膜燙傷程度等[1]。

目前，國內用于噴金工藝的電源主要是具有平特性的整流式電源，具有良好的電弧自調節作用，但是，其動特性一般通過串接電抗器來改善，調節性能差，難于實現短路電流峰值的限制和上升速度的有效調節，動態響應慢，難以適應送絲速度和氣流波動的影響，電弧控制不穩定，噴金過程穩定性和可靠性差，電源的靜特性與動特性適應不了高質量電弧噴涂的要求，容易造成噴金過程中斷和噴金顆粒粗大、噴涂不均勻以及膜燙傷等涂層缺陷[2-4]。

文中基于薄膜電容器噴金的工藝要求，研制一種高頻逆變式噴金電源，通過功率開關管的高頻切換，實現高的動態響應速度，改善電源的調節特性，適應送絲速度和氣流波動的變化，實現電弧的穩定燃燒，保證噴金過程的穩定性以及涂層質量的均勻性。

1 噴金電弧特性分析

電源輸出端的負載特性對電源設計的指導意義極為重要，因此要設計出高負載適應性的噴金電源就必須對噴射雙絲電弧特性進行分析。

圖1 噴金電弧形態Fig. 1 Arc shape of mental spraying

圖1 為噴金電弧形態， 噴金電弧在兩根絲材之間形成，由于兩絲材成一夾角，所以電弧電場成一銳角，同時噴嘴噴射出氣流，電弧空間的帶電粒子在電磁壓縮和流體壓縮共同作用下運動，電弧呈“橢圓形”。

在噴金過程中，由于絲材變形等原因，電弧會經常斷弧，處于“引弧—燃燒—熄滅—再引弧”過程，這種過程和電弧能量的波動直接導致熔滴尺寸和溫度的大范圍變化，容易導致顆粒粗大、涂層不均勻以及膜燙傷等缺陷[5－7]。 所以保證電弧持續穩定的燃燒對噴金質量的改善至關重要。 噴金時電弧工作在電壓－電流曲線的上升特性區段。 為了實現弧長的自調整，噴金電源在燃弧階段應具有平特性，所以電源在燃弧階段采用恒壓控制。

同時，穩定燃燒電弧也會由于熔滴的形成、霧化和向下運動過程的周期性變化引起的極性斑點間距以及弧柱電阻改變而發生周期性變化，電流也在每一瞬間都在變化[8]，所以電源還應具有良好的動特性。

2 電源系統結構

2.1 電源系統概述

文中研制的逆變電源功率為4 kW， 輸出電壓范圍為0～54 V，輸出電流范圍為0～160 A，逆變頻率為100 kHz。 電源控制精度等級、響應速度等得到大大提高，穩壓精度和電流控制精度提升到0.5%以內。

噴金電源系統如圖2 所示，由主電路、控制系統和人機交互系統組成。 系統由電網單相交流電供電，通過人機交互系統設定相關參數，并通過電流采樣電路和電壓采樣電路實時反饋電弧負載電流和電壓，由控制算法給出噴金工藝過程中不同階段的控制規則，產生相應的PWM 驅動脈沖，控制主回路快速響應。

圖2 電源系統框圖Fig. 2 Structure diagram of the power supply

2.2 噴金電源主電路拓撲

電源采用的主電路拓撲結構如圖3 所示，包括輸入整流濾波電路、逆變電路、高頻變壓器和輸出整流濾波電路等部分。 其中逆變電路是整個系統的核心，采用全橋結構，功率逆變電路由兩組共4 個功率MOSFET 以及阻容保護電路組成，Q1、Q3，Q2、Q4 組成兩組通路輪流交替工作，開關頻率為100 kHz，調節時間和反饋控制周期為10 μs，時間分辨率高，電源響應快。 高頻變壓器次級采用中心抽頭形式的多繞組并聯結構，提高變壓器的耐流值。 直流電抗器L1起到濾波和改善電源動特性的作用，需根據逆變頻率和噴金工藝中對電流最大上升率和最小輸出電流的要求，計算出合理的電抗值。

控制系統檢測輸出端電流和電壓信號用于電源的電壓、電流控制，同時檢測電源輸出端電流進行過流保護。

圖3 電源主電路拓撲Fig. 3 Main circuit topology of the power supply

3 電源控制系統軟件設計

3.1 控制系統控制方案

該電源采用電流控制引弧、恒壓控制燃弧的方法，保證可靠引弧和穩定燃弧，同時保護電源的功率元器件，系統主程序圖如圖4 所示。 首先通過人機交互系統對噴金過程中引弧電流以及燃弧電壓設定，當檢測到啟動信號后進入引弧控制過程，經過大量實驗統計，引弧成功與引弧不成功的電弧電壓分界線為14～16 V， 所以當檢測到電弧電壓大于14 V，電弧電流不為0 時，即認定引弧成功，引弧成功后切換到恒壓燃弧控制，控制電弧穩定燃燒。 當檢測到結束信號時，進入收弧控制，電弧熄滅后，整個噴金過程結束。

圖4 控制系統主程序流程圖Fig. 4 Control system main program flow chart

3.2 數字PI 控制器設計

對電源輸出電流或者電壓的控制，采用增量式數字PI 控制器，在DSP 中實現數字PI 調節器的離散公式為：

式中：A1=Kp（1+T/Ti）；A2=－Kp；u（t）為采樣時刻t 的PI 輸出值；e（t），e（t－1）為采樣時刻t 和t－1 的偏差值；Kp，Ti為比例系數和積分系數；T 為采樣周期；

在引弧階段反饋量為實際電流值，在燃弧初期反饋量也是電流值，后期反饋量為電壓值，而系統的控制量為PWM 的占空比，通過占空比的變化來實現我們要求的控制需求。

引弧期間的恒流控制下，因為短路接觸引弧時，電流變化比較大，而在積分量存在的情況下，會導致超調和不穩定，所以在引弧控制的時候，減小積分作用，而在燃弧階段，引弧成功后的恒壓控制要求控制穩定， 而且電流電壓變化不大，所以積分量可以相應的取值不同，因此引弧控制以及燃弧控制A1，A2分別采用不同的參數。 這樣既可以保證引弧過程電流的快速上升，快速可靠引弧，又可以保證燃弧控制下電弧的穩定燃燒以及快速響應。

4 實驗結果

基于上述設計，研制了4 kW 的逆變式噴金電源。 圖5（a）為電源120 A 恒流引弧的電流電壓波形， 從圖中可以看出，短路瞬間電流上升迅速，穩定時間在1 ms 以內，引弧效果良好。 圖5（b）為引弧電流120 A，燃弧電壓20 V 的實際的噴金效果，其中金屬絲直徑為2 mm 的鋅絲，噴射氣壓0.55 MPa，噴射距離為20 cm，送絲速度為2.4 m/min。 由圖可以看出噴金過程中電弧控制穩定，噴金顆粒細小，均勻，有光澤，噴金質量良好。

圖5 實驗結果示意圖Fig. 5 Waveform of the experiment result

5 結 論

1）燃弧階段采用恒壓控制實現噴金電弧的自調整，為適應電弧電流電壓的變化， 研制的噴金電源采用全橋逆變結構，對噴金過程中電流電壓波形進行實時控制。

2）數字PI 算法實現對噴金過程中電流電壓的控制，恒流引弧和恒壓燃弧采用不同的PI 參數，引弧快速可靠，引弧成功后電弧穩定燃燒。

3）實驗表明，該電源具有良好的動特性和控制特性，可以快速跟隨電弧的動態變化，獲得穩定的參數輸出，實現噴金絲熔化的穩定控制。

[1] 陳才明. 金屬化電容器噴金工藝與質量的關系[J]. 電力電容器，1990（4）:21-24.

[2] 杜貴平，黃石生. 電弧噴涂設備的現狀與展望[J]. 表面技術，2001（6）:22-25.

[3] 劉松.電弧噴涂設備及其發展趨勢[J].電焊機，2004（3）:34-37.

[4] 華啟升. 噴金工藝質量的研究.電力電容器，1992（1）:28-30.

[5] 陳永雄，梁秀兵，張志彬，等. 碳鋼高速電弧噴涂的電弧特征及材料過渡行為[J]. 焊接學報，2013（9）:17-20.

[6] 張甲英，徐濱士，戴連輝. 電弧噴涂電弧燃燒過程分析[J].焊接學報，2011，32（6）:17-20.

[7] Hussary N，Heberlein J.Atomization and particle jet interactions in the wire-arc spraying process[J]. Journal of Thermal Spray Technology，2001，10（4）:604-610.

[8] 曹梅青，鄒增大，杜寶帥，等. 雙絲間接電弧焊的電弧形態[J].焊接學報，2006，12（27）:49-52.