微弧氧化電流脈沖電源及其負載電氣特性的研究.pdf

1、微弧氧化技術是近年來材料表面處理的一個重要研究內容，屬于材料工程、電化學和電能變換技術研究的交叉領域，其氧化機理的不確定性和相關基礎理論研究的薄弱導致了微弧氧化脈沖電源輸出特性與其負載之間的不匹配，降低了電能轉換效率和加工效率，從而所引起的高電能損耗限制了該技術的工業(yè)化推廣應用。明確微弧氧化脈沖電源的負載電氣特性、在此基礎上設計與負載特性匹配的脈沖電源是降低微弧氧化電能損耗所亟待解決的工藝基礎問題。本論文主要針對微弧氧化電流脈沖電源的設

2、計及其負載的電氣特性分析以及脈沖電源與其負載間的匹配技術進行了系統(tǒng)的研究。
　　運用理論分析、實驗研究和數值模擬相結合的方法，對微弧氧化脈沖電源的負載等效電路模型的建立和定量分析進行了深入研究。按照微弧氧化過程中放電原理和特性將完整的工藝過程劃分為不同氧化階段，通過電化學領域使用的電化學阻抗譜（EIS）研究方法，建立了微弧氧化脈沖電源負載在不同氧化階段的電路模型，得出在脈沖電流作用下，微弧氧化電源負載本質上是容性負載，它在電路中可

3、等效為阻容網絡。
　　根據微弧氧化工藝要求和脈沖電源的負載特性，提出了并聯(lián)組合結構的方波電流脈沖電源方案，可實現脈沖寬度、幅值和頻率的獨立調節(jié)。設計了恒流特性BUCK型電路并聯(lián)單元，通過各恒流單元間的均流并聯(lián)，解決了輸出電流幅值調節(jié)、功率控制和冗余的問題，有利于實現電源的模塊化和大功率輸出調節(jié)；采用電感短接作為能量存儲和轉換形式，使脈沖電源輸出電流具有陡直前沿；針對開關損耗問題，運用緩沖型軟開關技術，設計了無源緩沖型軟開關電路，實

4、現了零電流開通和零電壓關斷，降低了開關損耗，并改善了功率開關管的運行條件；針對脈沖電源各單元的功能和特點，在最大250kW等級，以PLC為核心設計了具有軟啟動、過壓、過流和負載開路等保護功能的綜合控制系統(tǒng)，為電源負載特性的深入研究以及國家重點工業(yè)性試驗項目（PECC）的進行提供了必要條件。
　　根據實驗測量結果，分析了微弧氧化等效負載電路對電源輸出脈沖幅值、頻率、占空比等變化的響應規(guī)律；通過參數擬合的方法，結合氧化機理分析，建立了

5、微弧氧化方波電流脈沖電源的負載電路模型，并進行了電路參數的定量表征；根據等效電路中的參數變化規(guī)律，對應得到了各個參數的具體物理意義；進行電路仿真分析，其結果與源于實際工況測量的響應特性和參數變化規(guī)律相吻合，為適于負載特性變化的微弧氧化脈沖電源及系統(tǒng)效率優(yōu)化提供了設計依據和仿真研究條件。
　　根據負載模型結構和定量參數，結合微弧氧化工藝實現條件，進行了電源脈沖作用效能分析，歸納了電源輸出形式和波形參數對電能轉化過程的影響規(guī)律。得出脈

6、沖電流的前沿陡度對起弧速度具有決定性的影響；膜層擊穿后仍然保持的電流既增加了系統(tǒng)的電能損耗，又是導致放電通道內的物質發(fā)生濺射的主要原因。在此基礎上，對電源電流脈沖波形結構進行了優(yōu)化，設計了具有電流尖峰形式輸出的反激式電源實現方案，并進行了電源樣機研制。通過仿真和實驗，分別對方波脈沖電源和反激式脈沖電源進行功耗分析和對比，同時對本論文所建立的脈沖電源負載等效電路的合理性及其參數和反激式脈沖電源的優(yōu)化效果進行了驗證。為微弧氧化脈沖電源系統(tǒng)的