離子滲氮電源中的滅弧措施

摘要：論述了離子滲氮電源中幾種常用的滅弧方式，分別介紹了其工作原理，并對其滅弧性能作出了分析對比。

關鍵詞：離子滲氮電源滅弧

1引言

離子滲氮是利用氣體輝光放電原理，使氮離子轟擊鋼鐵表面，使其加熱，并使氮原子滲入工件表層的一種表面強化技術。在離子滲氮過程中，由于某種原因使輝光放電轉變為弧光放電，這就會中止滲氮過程，嚴重時能熔燒工件表面，甚至損壞電源設備。滲氮件表面的清洗、烘燒等措施雖可減少弧光放電的次數，但在滲氮的初期階段，仍不可避免地會有弧光放電發生，故離子滲氮電源必須帶有滅弧措施，滅弧性能是離子滲氮設備的重要指標之一[1]。

2打弧信號的檢測

正常的離子滲氮過程工作在輝光放電區，但當打弧時，全部電流集中在某一小面積上，引起此處電流密度增加，如果電弧是集中在某一點上，則表現為極間電壓迅速下降，而電流急驟上升，電壓下降至200V左右。根據打弧時發生的現象，打弧信號可由以下參數進行判斷[2]：

（1）電流上限信號；

（2）電流上升微分信號di/dt；

（3）電壓下限信號；

（4）電壓下降微分信號dv/dt。

實驗表明，電壓的下降是迅速的，它超前于電流最大值到來的時間，此時間差約為1ms～1.5ms。通常多種檢測方式同時采用。當發生轉弧時，電壓降低、電流上升的幅度均不大，電壓微分與電流信號不易取出，一般用斯密特觸發器取電壓下限信號進行滅弧。

3幾種常用滅弧方法的原理及特點

3?1串聯大阻值電阻

在滲氮電源的陰陽極電路中串聯大阻值電阻，當發生打弧時，電流猛增，在電阻上產生很大的電壓降，從而使正負極間電壓低于點燃電壓，使電弧不能維持，同時也限制了電弧電流不至于過大。這對于中小功率是可行的，但是對于大功率設備在串聯電阻上的功耗太大，所以大功率設備的滅弧不能只靠串聯電阻[3]。為了減少在穩輝電阻上的功耗，將其改為可變的，即剛剛起輝時，打弧頻繁，可串聯大電阻，待輝光放電穩定后，將電阻減小，以得到較大的電流。即使這樣，對額定電流超過10A的設備在生產中應用還有一定的困難。

3?2電流截止負反饋滅弧

嚴格說來，固定某一值的電流截止負反饋并不是滅弧，因為在大功率設備中，電流截止值往往在幾十安培以上，這樣大的電流已經足以維持穩定的電弧放電，而不會自動熄滅。當電流達到一定上限后，控制電路關閉觸發脈沖并維持一定的時間，待弧源消除后，又重新開通。由于晶閘管觸發后必須等電壓換相時才能關斷，因此在半周期內電流值可能達到很大，這種滅弧方法的滅弧時間約為10ms。由于一般電源都有一定的過載能力，故對保護電源是有效的，所以采用晶閘管電源時，這種限流方法是必不可少的。采用截止值隨工作電流可調的方法，可使反應時間提前，并減少弧光放電電流。如果采用電流微分負反饋，對電流的變化進行超前控制，可明顯地增強輝光放電的穩定性。

圖1LC振蕩滅弧電路

圖2LC振蕩滅弧波形

圖3晶閘管旁路滅弧原理圖

3?3LC振蕩滅弧

LC振蕩滅弧的電路如圖1所示[4]。電容器在正常工作時有幾百伏的電壓，當發生弧光放電時，陰陽極電壓突然由幾百伏降至幾十伏，此時電容C經線圈L和陰陽極放電。這時，L、C和陰陽極間的導電氣體組成L、C、r串聯振蕩電路，并以其自然振蕩頻率f0=進行振蕩。在開始振蕩的第一個周期，當電容上的電壓UC成為反向電壓且電流也變為零時，弧光即可熄滅。這時電容已被反向充電至幾百伏，但隨即電源經限流電阻R向電容充電，使電容上的電壓由反向又逐漸變成正向而且達到了點燃電壓，輝光就重新產生。振蕩過程電壓電流波形如圖2所示。如果此時使輝光放電過渡到弧光放電的因素已消失，就得到穩定的輝光放電。如果過渡到弧光放電的因素仍然存在，則電容再次放電滅弧。

上述電路是利用振蕩電流過零時滅弧的，因此選擇電路參數時，應保證電流能過零。根據有關推導，需滿足以下條件：R??r

式中：R—限流電阻，Ω；

r—放電電路電阻，包括弧光放電時陰陽極間等效電阻，電感L的電阻以及導線電阻的總和（一般很小，約為0?1Ω左右），Ω；

L—滅弧電感線圈的電感量，H；

C—滅弧電容的容量，F。

滅弧時間為振蕩的半個周期，其值為（通常在100μs數量級）τ=π

滅弧后重新產生輝光放電的時間，是電源經限流電阻使電容由弧光熄滅至正向電壓建立，并達到點燃電壓所需的時間，因此，重新產生輝光的時間（通常在1000μs數量級）

τ′≈2RC

LC滅弧電路在正常輝光放電時幾乎沒有能量損失，而且反應比較靈敏。但是在電弧放電的瞬間電流仍可達到很大，這無論對工作還是對電源均不利，特別是在連續弧光情況下，電源就處于長期過載狀態，因此采用LC滅弧必須對電源另加保護。

3?4晶閘管旁路滅弧

較大功率（100kW以上）的離子滲氮設備通常采用晶閘管旁路滅弧，其電路如圖3所示。電路的陰陽極間并聯了一個晶閘管V，在輝光放電過渡到弧光放電前，電源對電容器C1經電阻R1充電到電源電壓，當弧光放電時，陰陽極間電壓突然下降，電容C1放電，脈沖變壓器TM原、副邊中產生脈沖電流，使V觸發導通，陰陽極間短路，因此弧光熄滅。此時LC構成振蕩回路，當流過V的放電電流為零時（電壓已反向），V即自動關斷。電源經限流電阻R、濾波電感L0重新對電容器C1充電至輝光放電所需的電壓，而重新起輝。由于V的導通時間只需十幾個μs，故弧光放電只經很短時間即被旁路，弧光放電強度大為減弱。

這種電路也有其缺點：在大功率情況下，很小的限流電阻會產生很大的功率損耗。晶閘管旁路滅弧是以陰陽極間的電壓突然下降作為觸發信號的，起輝時，如起輝電壓較高，起輝后電壓會突然下降，造成晶閘管的誤觸發，為此，必須加一點燃陰極，以降低起輝電壓，點燃陰極自陰極引出，距陽極2mm～3mm。

3?5電子開關滅弧

在晶閘管V1旁路滅弧基礎上，于主電路中再串聯一晶閘管V2組成電子開關高效滅弧電路，如圖4所示。當發生打弧時，立即觸發V1、V2，使電流旁路，因LC(L2－C)振蕩，反向時將V1和V2關斷。

圖4電子開關滅弧電路

圖5帶電容的電子開關滅弧電路

表1各種滅弧方式的現象及情況對比

滅弧方式	弧光放電現象	滅弧時間
無滅弧措施	輝光熄滅，白色弧光成團，彌散在放氣口周圍，并轉移到陰極其它部位，一定時間后，自行消失或跳閘。	電流迅速增加，有限流電阻時小弧光放電，秒級自行熄滅，大弧光放電時跳閘。
串聯大電阻降壓	輝光熄滅，在放氣口周圍有成團弧光，維持一定時間后，自行熄滅。	電流增加到一定程度形成轉弧或電流增加致使電壓下降至起輝電壓以下，即熄滅10－1～100s級。
電流截止負反饋	輝光熄滅，小團弧光集中在放氣口，并向周圍成錐狀散發，即行熄滅。	與截止點遠近有關，最長為66.7μs，10－3s數量級。
LC振蕩滅弧	不感覺輝光熄滅，在放氣口周圍成斷續白色弧光，配合截止負反饋時，弧光增加，即行熄滅，有時產生轉弧。	單次可達10－4s，按τ=π計算，大電流有截止，同上。
晶閘管旁路	不感覺輝光熄滅，在放氣口周圍，斷續多次弧光，配合截止負反饋，即行熄滅。有時產生轉弧。	單次可達一個振蕩周期的時間，重復加電壓又再次打弧，有截止同上。
電子開關	在放氣口有一小白點弧光，即行熄滅。	一次滅弧達10－5s數量級。
脈沖電源	輝光穩定不熄滅，無明顯滅弧現象。	由供電脈沖的寬度決定，一般可達10－6s數量級。