雙IGBT系統在真空電弧鍍中的應用

王俊濤

摘要：真空電弧鍍是航空發動機渦輪葉片制備高溫防護涂層的一種重要工藝設備，該設備在多年的生產應用中，設備技術得到了不斷的革新、改進及完善。設備核心關鍵部分的電弧電源，從原始的磁放大器式、可控硅整流方式發展到IGBT逆變控制方式，致使涂層制備質量、效率也得到了改善。本文將對葉片真空電弧鍍電弧電源技術的進一步改進提升原理及設計方法進行論述，即采用新型的雙IGBT系統，在電流、電壓的穩定控制方面又一次進行了提升，而因此也將對涂層制備的質量和穩定性進一步給予了保障。

Abstract： Vacuum arc plating is an important process equipment for the preparation of high temperature protective coatings for turbine blades of aerospace engines. In many years of production applications， equipment technology has been continuously updated and improved. The arc power supply of the key part of the equipment has evolved from the original magnetic amplifier type and thyristor rectification method to the IGBT inverter control mode， which has improved the quality and efficiency of coating preparation. In this paper， the further improvement and promotion principle and design method of the blade vacuum arc plating arc power supply technology are discussed， that is， using the new dual IGBT system to improve the stability control of current and voltage again， and therefore the quality and stability of the coating preparation are further guaranteed.

關鍵詞：IGBT；電弧電源；真空電弧鍍

Key words： IGBT；arc power supply；vacuum arc plating

中圖分類號：TM92 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）33-0165-02

0 引言

航空發動機葉片真空電弧鍍設備，是針對一定數量發動機葉片或小型部件同時進行表面涂層加工的專用設備，可同時加工小型部件48個（24+24上下雙層），或大中型部件16片（單層）。其關鍵部件的電弧電源，曾經采用單系統大功率IGBT可控電源進行電弧噴鍍控制，最大電流1000A，動態特性好、體積小、效率高、噪音低。而本次論述的是，電弧控制電源采用的是雙IGBT逆變整流系統作為主電弧的電離電源，設計規格電流1250安培，電壓20-40伏。在雙IGBT逆變整流系統設計中，2個系統采用均流閉環控制，每一路單個系統的最大工作電流都可以達到1000安培，增加了電源能量冗余，即可以同時進行均流閉環控制方式輸入輸出工作，又可以單獨一路獨立工作，這就避免了其中一路產生故障而造成整個電弧電源關停的問題。

本電源系統采用2套IGBT高頻逆變系統，是以電力電子、微電子和控制技術為基礎研制的高效節能大功率開關電源，是當代電力電子學理論發展的前沿技術。電源采用數字電源技術，控制調節系統均采用高性能DSP，以實現快速、高精度、靈活、多功能、智能化的控制和人機界面和通訊功能等，提高工藝質量與穩定性；采用基于數字通信技術的485通信網絡系統，通過操作面板，可方便電源參數設置和顯示，便于用戶操作；主電路采用2路IGBT 全橋逆變電路，分別采用高頻變壓器進行輸入與輸出安全隔離；系統具有各種故障報警及自動停機保護功能。

此次電弧電源的應用改造尤為關鍵，對于公司軍品生產是一次新技術領域的應用創新，所以，特此進行論述。

1 電弧電源與電弧涂層制備

該設備用以制備高溫防護涂層，其應用于發動機葉片或其它零部件，用以保護零部件免受高溫氧化的作用，提高零部件自身強度，延長使用壽命。電弧涂層制備實現的工作原理參見示意圖1。

引弧錘與陰極靶材瞬間接觸并分離，因接觸電阻大而局部發熱產生電弧火花，產生含有密度很高的電子和離子。在其作用下形成等離子體，等離子體高速運動對陰極靶材進行轟擊碰撞，形成的大量靶材粒子，靶材粒子在葉片上沉積成膜。該設備采用了IGBT高頻開關電源作為主電弧能量來源，動態特性十分良好，在同等條件下，使引弧速度和成功率有了明顯的提高。其次，電弧穩定性方面，逆變式電弧電源輸出特性是恒流外特性，當電弧電壓發生抖動變化時，電流影響比較小，穩定性好，原因是該電源的逆變頻率高，動態響應速度快，即電流恢復速度快。

2 IGBT逆變電源原理

IGBT逆變電源的主電路為三相380V全橋逆變電路，采用IGBT作為主控元件，實現了AC-DC-AC-DC的轉變。三相50Hz、380V交流電壓，經過三相輸入全橋整流電路整流、濾波后，變成540V高壓直流。該直流通過四個單管IGBT的全橋逆變，被逆變成為中頻方波電壓，經高頻變壓器隔離降壓后，輸入到輸出整流電路，經整流后的直流電壓再經過電感濾波后輸出，電壓為20-40V，最后得到紋波較小的直流，供給電弧直流電能。

3 雙IGBT逆變電源系統設計原理

隨著科技的發展和生產能力的不斷提高，大量電子設備中，對大功率、大容量、低能耗、高質量、高精度和高安全的電源系統應用需求也增加和普及。但是目前的半導體材料及開關器件自身水平的限制，單臺單系統的大容量大功率電源技術也同樣受到了限制，因此，大功率、模塊化電源系統并聯運行方式技術得到了廣泛的應用。

真空電弧鍍設備的加工能力為雙層24片工件，要求電弧工作電流為500-800A。1套IGBT模塊化逆變電源額定輸出電流是1000A，選擇2套并聯運行，即可以滿足設備加工能力，且賦予了冗余。如圖2，當電源模塊A1或A2其中之一出現故障，均流控制系統將自動調整控制模式，控制其一繼續正常工作，保證工件涂鍍工作完成一個涂鍍生產循環。圖2中電源模塊單元皆采用公共總線，并聯輸出電流系統只有一個公共控制電路。

4 強迫均流控制的應用

圖2中的并聯、冗余式電弧電源，誤差的不可避免性和當今電子器件工藝水平的限制，A1、A2并聯運行的模塊式電源在相同輸入給定的條件下，各自輸出的參數都將略有不同，存在著必然的差異，使各自的參數和性能，尤其外特性也不盡相同，參數還會隨著時間、溫度、器件特質改變等因素的變化而發生變化。這些差異雖然難以完全避免，但卻可以盡量地消除和縮小。并聯運行時，各自輸出電流不同，大電流輸的電源熱應力變大，系統崩潰損壞幾率也上升，造成設備總體的穩定性和可靠性降低，其壽命、質量和性能也下降。因此在并聯的模塊電源系統中，采用負載電流均流控制方法，防止某一臺運行在電流極限值狀態，即對每個模塊電源進行時時監控限流及調整控制。

圖2中的均流控制系統，是采用電子原器件、微電子器件設計的硬件控制方式。簡化等效的控制原理如圖3。反饋取樣電壓與給定基準電壓U0相比較產生誤差電壓Ue，該電壓送至A1、A2每個獨立電源模塊，與模塊電流相比較，調節模塊參考電壓，從而改變輸出電壓，調節輸出電流，實現均流。這樣，A1、A2模塊都相當于電壓控制的電流源。該均流方式精度高、動態響應良好。

5 雙系統電源技術特點

該電源系統，外部硬件電路簡單，整體占用空間體積小，電源均流精度比較高。整個系統具有良好的均流瞬態響應特性，即動態響應好，可以很方便地組成冗余系統，即可以隨時增減電源模塊，用以實現大電流、高效率及可靠性。根據現場實際需要配置成冗余系統，實現電源容量的可擴充性，能夠降低成本投入。

6 結論

該雙系統冗余式電源，采用高精度數字處理芯片進行控制，功能先進、性能穩定。電路中采用高精度的數字式閉環控制，確保控制的快速性，電源突變時輸出響應時間快，穩定性好，具有各種參數顯示及人機交互界面。系統檢測技術和完善的保護功能，保證電源系統的長期穩定運行，而且，單一模塊式電源出現電氣故障后，立即報警保護，另一個模塊不受影響，提高了系統可靠性。優秀的電磁兼容設計，工作時不受外界影響及不影響其它設備的運行。雙IGBT逆變控制技術應用于葉片電弧鍍，為航空發動機葉片的生產提供了設備保障。

參考文獻：

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