离子渗氮电源中的灭弧措施

离子渗氮电源中的灭弧措施

摘要：论述了离子渗氮电源中几种常用的灭弧方式，分别介绍了其工作原理，并对其灭弧性能作出了分析对比。

关键词：离子渗氮电源灭弧

1引言

离子渗氮是利用气体辉光放电原理，使氮离子轰击钢铁表面，使其加热，并使氮原子渗入工件表层的一种表面强化技术。在离子渗氮过程中，由于某种原因使辉光放电转变为弧光放电，这就会中止渗氮过程，严重时能熔烧工件表面，甚至损坏电源设备。渗氮件表面的清洗、烘烧等措施虽可减少弧光放电的次数，但在渗氮的初期阶段，仍不可避免地会有弧光放电发生，故离子渗氮电源必须带有灭弧措施，灭弧性能是离子渗氮设备的重要指标之一[1]。

2打弧信号的检测

正常的离子渗氮过程工作在辉光放电区，但当打弧时，全部电流集中在某一小面积上，引起此处电流密度增加，如果电弧是集中在某一点上，则表现为极间电压迅速下降，而电流急骤上升，电压下降至200V左右。根据打弧时发生的现象，打弧信号可由以下参数进行判断[2]：

（1）电流上限信号；

（2）电流上升微分信号di/dt；

（3）电压下限信号；

（4）电压下降微分信号dv/dt。

实验表明，电压的下降是迅速的，它超前于电流最大值到来的时间，此时间差约为1ms～1.5ms。通常多种检测方式同时采用。当发生转弧时，电压降低、电流上升的幅度均不大，电压微分与电流信号不易取出，一般用斯密特触发器取电压下限信号进行灭弧。

3几种常用灭弧方法的原理及特点

3?1串联大阻值电阻

在渗氮电源的阴阳极电路中串联大阻值电阻，当发生打弧时，电流猛增，在电阻上产生很大的电压降，从而使正负极间电压低于点燃电压，使电弧不能维持，同时也限制了电弧电流不至于过大。这对于中小功率是可行的，但是对于大功率设备在串联电阻上的功耗太大，所以大功率设备的灭弧不能只靠串联电阻[3]。为了减少在稳辉电阻上的功耗，将其改为可变的，即刚刚起辉时，打弧频繁，可串联大电阻，待辉光放电稳定后，将电阻减小，以得到较大的电流。即使这样，对额定电流超过10A的设备在生产中应用还有一定的困难。

3?2电流截止负反馈灭弧

严格说来，固定某一值的电流截止负反馈并不是灭弧，因为在大功率设备中，电流截止值往往在几十安培以上，这样大的电流已经足以维持稳定的电弧放电，而不会自动熄灭。当电流达到一定上限后，控制电路关闭触发脉冲并维持一定的时间，待弧源消除后，又重新开通。由于晶闸管触发后必须等电压换相时才能关断，因此在半周期内电流值可能达到很大，这种灭弧方法的灭弧时间约为10ms。由于一般电源都有一定的过载能力，故对保护电源是有效的，所以采用晶闸管电源时，这种限流方法是必不可少的。采用截止值随工作电流可调的方法，可使反应时间提前，并减少弧光放电电流。如果采用电流微分负反馈，对电流的变化进行超前控制，可明显地增强辉光放电的稳定性。

图1LC振荡灭弧电路

图2LC振荡灭弧波形

图3晶闸管旁路灭弧原理图

3?3LC振荡灭弧

LC振荡灭弧的电路如图1所示[4]。电容器在正常工作时有几百伏的电压，当发生弧光放电时，阴阳极电压突然由几百伏降至几十伏，此时电容C经线圈L和阴阳极放电。这时，L、C和阴阳极间的导电气体组成L、C、r串联振荡电路，并以其自然振荡频率f0=进行振荡。在开始振荡的第一个周期，当电容上的电压UC成为反向电压且电流也变为零时，弧光即可熄灭。这时电容已被反向充电至几百伏，但随即电源经限流电阻R向电容充电，使电容上的电压由反向又逐渐变成正向而且达到了点燃电压，辉光就重新产生。振荡过程电压电流波形如图2所示。如果此时使辉光放电过渡到弧光放电的因素已消失，就得到稳定的辉光放电。如果过渡到弧光放电的因素仍然存在，则电容再次放电灭弧。

上述电路是利用振荡电流过零时灭弧的，因此选择电路参数时，应保证电流能过零。根据有关推导，需满足以下条件：R??r

式中：R—限流电阻，Ω；

r—放电电路电阻，包括弧光放电时阴阳极间等效电阻，电感L的电阻以及导线电阻的总和（一般很小，约为0?1Ω左右），Ω；

L—灭弧电感线圈的电感量，H；

C—灭弧电容的容量，F。

灭弧时间为振荡的半个周期，其值为（通常在100μs数量级）τ=π

灭弧后重新产生辉光放电的时间，是电源经限流电阻使电容由弧光熄灭至正向电压建立，并达到点燃电压所需的时间，因此，重新产生辉光的时间（通常在1000μs数量级）

τ′≈2RC

LC灭弧电路在正常辉光放电时几乎没有能量损失，而且反应比较灵敏。但是在电弧放电的瞬间电流仍可达到很大，这无论对工作还是对电源均不利，特别是在连续弧光情况下，电源就处于长期过载状态，因此采用LC灭弧必须对电源另加保护。

3?4晶闸管旁路灭弧

较大功率（100kW以上）的离子渗氮设备通常采用晶闸管旁路灭弧，其电路如图3所示。电路的阴阳极间并联了一个晶闸管V，在辉光放电过渡到弧光放电前，电源对电容器C1经电阻R1充电到电源电压，当弧光放电时，阴阳极间电压突然下降，电容C1放电，脉冲变压器TM原、副边中产生脉冲电流，使V触发导通，阴阳极间短路，因此弧光熄灭。此时LC构成振荡回路，当流过V的放电电流为零时（电压已反向），V即自动关断。电源经限流电阻R、滤波电感L0重新对电容器C1充电至辉光放电所需的电压，而重新起辉。由于V的导通时间只需十几个μs，故弧光放电只经很短时间即被旁路，弧光放电强度大为减弱。

这种电路也有其缺点：在大功率情况下，很小的限流电阻会产生很大的功率损耗。晶闸管旁路灭弧是以阴阳极间的电压突然下降作为触发信号的，起辉时，如起辉电压较高，起辉后电压会突然下降，造成晶闸管的误触发，为此，必须加一点燃阴极，以降低起辉电压，点燃阴极自阴极引出，距阳极2mm～3mm。

3?5电子开关灭弧

在晶闸管V1旁路灭弧基础上，于主电路中再串联一晶闸管V2组成电子开关高效灭弧电路，如图4所示。当发生打弧时，立即触发V1、V2，使电流旁路，因LC(L2－C)振荡，反向时将V1和V2关断。

图4电子开关灭弧电路

图5带电容的电子开关灭弧电路

表1各种灭弧方式的现象及情况对比

灭弧方式	弧光放电现象	电流波形	灭弧时间
无灭弧措施	辉光熄灭，白色弧光成团，弥散在放气口周围，并转移到阴极其它部位，一定时间后，自行消失或跳闸。		电流迅速增加，有限流电阻时小弧光放电，秒级自行熄灭，大弧光放电时跳闸。
串联大电阻降压	辉光熄灭，在放气口周围有成团弧光，维持一定时间后，自行熄灭。		电流增加到一定程度形成转弧或电流增加致使电压下降至起辉电压以下，即熄灭10－1～100s级。
电流截止负反馈	辉光熄灭，小团弧光集中在放气口，并向周围成锥状散发，即行熄灭。		与截止点远近有关，最长为66.7μs，10－3s数量级。
LC振荡灭弧	不感觉辉光熄灭，在放气口周围成断续白色弧光，配合截止负反馈时，弧光增加，即行熄灭，有时产生转弧。		单次可达10－4s，按τ=π计算，大电流有截止，同上。
晶闸管旁路	不感觉辉光熄灭，在放气口周围，断续多次弧光，配合截止负反馈，即行熄灭。有时产生转弧。		单次可达一个振荡周期的时间，重复加电压又再次打弧，有截止同上。
电子开关	在放气口有一小白点弧光，即行熄灭。		一次灭弧达10－5s数量级。
脉冲电源	辉光稳定不熄灭，无明显灭弧现象。		由供电脉冲的宽度决定，一般可达10－6s数量级。

采用普通晶闸管，适用大电流的隔离电容储能并联—串联晶闸管电子开关电路原理如图5所示。由于这种电路的电容工作时已经充上与炉子两端极性相反的电压，故打弧时V1和V2开通，强迫炉子电流下降，同时关断V3，可以获得更快的灭弧速度。

3?6脉冲电源灭弧

脉冲电源是近年来新发展起来的离子渗氮电源，它使原直流供电方式变为高频脉冲方式，电压电流自然过零，大大抑制了弧光放电的产生，在发生打弧时，可迅速关断可控器件灭弧，灭弧速度可达几个μs。

4各种灭弧方式的现象及情况对比

各种灭弧方式的比较如表1所示。

参考文献

1周孝重,陈大凯.等离子体热处理技术.机械工业出版社,1990

2许彬等.新型离子源控制电路.金属热处理,1999（7）:39～41

3热处理电工学.人民教育出版社,1977

4热处理设备及设计.山东人民出版社,1977