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电镀电源的发展历史与未来趋势

本文来源:跃阳电源 发表时间:2016-05-13

  20世纪后期,随着现代科技的迅速发展,电镀技术有了很大的进步,特别是在电镀过程中引进诸多物理因素如:磁场、声场、温度、电流波形及频率、溶液流速和振动等,使镀层质量和电镀效率有了明显提高。所有这些变化,对电镀设备及其相关的配套装置和元器件的性能、质量和品种提出了新的更加严格的要求。电镀电源属于低压大电流设备,要求操作简便,能承受输入端的突变和输出端短路及过载的冲击。同时电源是电镀行业最主要的能量消耗者,因此,高品质的电源是电镀业节能增效的决定性因素,同时对电网的绿色化有重要影响。


  本文回顾了电镀电源的发展历史,阐述其研究现状,并分析电镀电源的发展趋势和方向。


  第一阶段为早期的交流2直流发电机组,开始于前苏联,由于经过2次能量转换过程(电能、机械能、电能), 机组效率低于60%,噪声大且换向器维修不方便,这类变流设备现在已被列入淘汰产品行列,但在电镀行业仍有少量单位使用该类高能耗设备。


  第二阶段为20世纪50年代的硒整流器和20世纪60年代的硅整流器,采用变压器原边抽头或用调压器、饱和电抗器方式调压,副边用硒或硅二极管整流作为电镀电源。这类电源在我国电镀电源中占有一定比例,20世纪80年代占70%左右,如GDA,GDAJ2F,GDS等系列, 目前,仍有部分生产和应用。该类电源结构简单,造价低,但都存在体积大,笨重和输出指标低,精度差和效率低等缺点。


  第三阶段是20世纪70年代晶闸管整流器,其性能指标比前2代产品有较大改善。采用了五芯柱变压器、高压大功率晶闸管等新技术,并出现了恒压、恒流和恒电流密度等新特性。但是由于还是使用工频变压器和工作在低频段,所以整流器体积大,重量重,效率较低,性能的进一步提高也受到电源体积的限制。近年来,以现代电力电子技术的高速发展为基础,国内外相继研制出电镀用第四代直流电镀电源2高频开关电源。与传统工频整流电源相比,开关电源具有高效节能,重量轻,体积小,动态性能好,适应性强, 有利于实现工艺过程自动化和智能化控制等显著的优点。因此,大功率开关电源具有广泛的应用前景, 是当前国内外研究、开发、应用的主流和方向。但是,开关电源特别是大功率硬开关电源在可靠性、稳定性、效率等方面的缺点成为制约其应用和发展的“瓶颈”,按照传统电源的设计思路和解 


  2.电镀电源的发展趋势 


  2.1.高频高效化电镀行业是著名的耗能大户,其电能消耗是其主要生产成本之一。传统的电镀电源存在能耗高,效率低, 控制精度低,体积大,笨重等缺陷;工艺过程缺乏科学合理的控制手段,也造成大量的电能损耗。因此,电镀电源装置的高效化是其必然的发展趋势,而高频化是提高电源效率的主要途径,主要包括下述方面。 


  2.1.1在较大功率领域采用高频开关电源代替传统整流电源,降低损耗,提高功率密度。高频开关式电源比传统的工频整流电源材料减少80%~90%,节能20%~30%,体积减少到传统同容量电源的1/5以下, 动态反应速度提高2~3个数量级,因此,电源效率、功率密度及铜铁材料等指标用量均有大幅度的改善。 


  2.1.2应用推广软开关技术,使高频开关电源的开关损耗明显降低,开关频率进一步提高。软开关技术具有降低电力电子器件开关功耗,提高开关频率,降低电磁干扰,改善器件的工作环境等优点。其本质是将器件换流过程和能量转换、控制过程分时加以区别处理。采用这种变换模式可以使工作在高频状态下的功率开关管的开关损耗显著降低,电源整体效率提高,同时使电源工作频率进一步提高成为可能。升级将为新控制策略的实施提供方便、快捷的途径。 


  2.2.智能化电镀工艺如何消除人为因素的影响及减少电镀过程能量损耗的需求,对电源的智能化提出了更高的要求。如迅速发展的铝型材表面处理技术,对质量的稳定性要求较高,通过不同程序改变电源调节曲线,可调整不同的阳极氧化层色调,使得氧化产品多姿多彩。一些在生产过程中频繁调节电源参数的电镀工艺,也要求专用智能化电源。脉冲换向电镀与直流叠加脉冲电镀等新工艺要求控制的参数较多, 将脉冲电源与微机控制相结合的智能化脉冲电源,可以根据工艺要求选择直流供电,单向脉冲和换向脉冲供电以及直流叠加脉冲的多种复合电流波形,所有脉冲参数可以在给定的范围内设定。此外,还可以实现计时和定时功能、温度测控功能、电量(安2时)计量和定量功能等,有利于采用统计控制方法实现添加剂的补加和主盐浓度调整。从节能角度出发,电解电镀过程中,除电源装置的能耗以外,工艺过程的能耗占绝大部分。而影响工艺过程能耗的因素主要是电流效率和槽压,通过对电解液浓度、温度、电极距离等参数在线检测,实时对电源的电流、电压输出进行调整和合理配置,进而达到节能增效和提高工艺质量的目的。从控制角度看,电镀工艺过程及开关式电镀电源的能量转换过程均为非线性时变系统,难以建立准确的模型进行传统的控制。智能控制能够不依赖受控对象的数学模型,利用人的操作经验、知识和推理以及控制系统的某些信息和性能得到相应的控制规则(如专家系统、模糊控制和神经网络等)。这些智能控制的应用将大大提高电镀电源的性能及工艺质量。因此,随着电镀技术的不断发展,应迅速开发适应不同工艺过程的智能化电源设备,以满足新世纪的新技术发展需求。 


  2.3.数字化电镀电源的数字化技术意义重大。采用数字化技术,从电源的电气性能来看,可以应用现有电源的各种研究成果(功率电路拓扑及控制方式等),通过系统软件实现软开关技术并降低电磁干扰,提高电源的稳定性和智能化程度;从电源的工艺效果来看,数字化电源由于控制策略调整灵活,控制精度高以及控制参数稳定性高,所以具有更好的工艺稳定性和更好的工艺效果及节能效果。同时,数字化电源方便的通信接口功能为现代化的网络化生产提供了良好的硬件基础。从电镀工艺研究的角度,数字化电镀电源为实施创新性的工艺控制策略和实现多功能提供了全新的途径。数字化电源的在线控制程序解决办法, 不能从根本上解决其所面临的诸多问题。高频开关型电镀电源目前主要局限于1500A以下的中小功率领域,在国内也只有少量厂家生产,从技术角度看主要限于硬开关变换模式和模拟控制方式,具有明显的局限性,同焊接等领域全面推广应用开关式电源的情况具有较大差距。 


  2.4.绿色可靠电镀电源长时间连续工作在极为苛刻的工况下,因此,其可靠性和绿色化是电源推广应用的前提。影响电源可靠性及绿色化的主要因素有电磁干扰、热效应、功率管工作环境、器件质量及工艺水平等因素。由于开关电镀电源工作在开关状态且占空比变化较大,使输入波形发生畸变,由它所产生的电磁干扰源,经某种传输途径传输至敏感设备,使该设备表现出某种形式的响应,并产生干扰的效果,而且功率愈大干扰愈强。在国外,德国、美国以及国际电子安全会都制定了标准。按这些标准规定,若不及早解决电磁兼容问题,将会带来严重的后果。因此,如何采取对策措施,提高逆变式电镀电源,特别是大功率逆变式电源的电磁兼容能力,是一个迫切的任务,又是当前的热点问题。电源器件的热效应是影响电源可靠性的另一关键因素,电镀开关电源传递变换着几十千瓦以上的电能量, 功率开关管、功率变压器、平波电抗器、初次级整流管及其他器件均存在显著的热耗,如果热效应得不到合理的减少和控制,各环节的性能及寿命就会严重下降,电源的可靠性就会受到严重影响。同传统电源不同的是,开关电源的功率开关管及次级整流管均工作在中高频状态,开关工作过程中存在较大的电压电流应力,较大的di/dt,du/dt也会对其可靠性产生较大影响。通过采用软开关技术、缓冲吸收、磁性参数的合理匹配等措施是解决问题的有效途径。此外,电源的结构设计,降额容差设计,采用高性能器件和先进工艺,控制电路的接地、隔离、屏蔽等因素也是影响电源可靠性的关键因素。

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